中学受験で苦手科目に挙げられやすい理科ですが、中でも電流は苦手意識を持っている子が多くいる分野です。
一昔前までは、電流は出題する学校が少なく、難関校を受験する場合のみ対策が必要というイメージが強かったです。特に男子の出題が多く、女子で中堅校以下を志望するなら優先順位は低いという指導がされてきました。しかし、最近では理科の入試問題は4分野すべてが出題されるのがトレンドです。さらに、問題の難易度を下げて中堅校などでも電流の問題を見かけることが増えています。
そこで、入試に向けてどのような学校を志望していても電流の対策は必要になってきています。この記事では、電流の問題対策として覚えるべきこと、計算問題を理解するためのコツを紹介していきますので是非参考にしてみてください。
中学受験 理科で出てくる電流とは？
例えば、中学受験の理科の電流の問題には、以下のような問題があります。
※□の部分が空欄できかれます。
直列つなぎの場合、ワット数の□い電球の方が明るい。
また、並列つなぎの場合、ワット数の□い電球の方が明るい。
このような問題の場合、単純に電流のメカニズムが問われ、
知っていれば簡単に解くことができます。
しかし例えば、以下のような問題の場合、単純な暗記では解くことができません。
同じ数の電池を使い直列、並列、直列と並列合わせた3種類の豆電球の回路を
作った、この回路を豆電球の明るい順番に並べよ。
このような問題の場合、使っている電池の数によって順番は変わって来るため
ただの暗記では解くことができず、
問題内容もその都度変わるため電流とは何なのか正しい理解が求められます。
このため中学受験の理科の問題ではただ暗器するだけではなく、
基礎知識を応用した様々な計算式に対応できる応用力を身に着けるようにしましょう。
それには電流とはどんなメカニズムなのか基礎知識を学び、
この知識で具体的に何ができるかを考えるといいでしょう。
それには参考書を勉強するだけではなく、
実際に電流を使った実験映像を見ると効果的です。
理科で教える実験のメカニズムは実際に
どのような現象なのか文章で説明するよりも
映像で説明した方が効率的なものが多いため積極的に活用しましょう。
特に小学生は単純な勉強よりも映像の方がインパクトに残りやすく、
上手く子供の集中力を引き出せば大人では真似できない驚異的な集中力を
発揮する場合があります。
中学受験ではたくさんの内容を限られた時間で覚えなければいけないため
上手な勉強法を心がけましょう。
中学受験 理科の電流問題対策
中学受験の理科の科目で出てくる電流の問題は、
回路のつなぎ方など把握しておかねば解けない一見難しそうな問題です。
しかし要所要所のポイントさえ押さえておけば、決して難しい問題ではありません。
ここでは中学受験の理科対策として電流のポイントを説明したいと思います。
電流の問題で覚えるポイントは豆電球の直列つなぎと並列つなぎ、
乾電池の直列つなぎと並列つなぎでこれらの４つのつなぎ方です。
基本的に中学受験の理科ではこれらを利用した回路での
豆電球の明るさや乾電池の働きの大きさが問われます。
例題を挙げると、
・電池一つに豆電球を２つ直列つなぎすると、
豆電球の明るさは1個の時の□となります。
この問題での豆電球の明るさは１個の時の１／２となります。
一個の電池から流れる電流は同じでも、
同じ回路を通って流れる電流は豆電球を通る事で分散されるため、
直列でつなぐ豆電球の数が増えれば増えるほど一つあたりの豆電球に
供給される電気は少なくなります。
豆電球を並列でつないだ場合、
電流は均等に流れるため豆電球の明るさは全て同じ明るさで光りますが、
電池の電流消費は豆電球の数分消費が上がります。
これらは基本的な部分になりますが、
基本さえ押さえておけば後は問題を解いて応用力を付けるのが重要です。
応用力は基礎力を身に付けどれだけ多くの問題を解いたかによって
身に付くためなるべく練習問題を多く解き、応用力を身に付けましょう。
基本事項をしっかり確認し、受験に備え対策を取っておきましょう。
電流とは
そもそも電流とは何のことなのでしょうか。電流の正体を知ることから始めましょう。
電流とは小さな粒の流れ
まず、電流というのは電気の流れです。この電気というのは小さな粒である「電子(でんし)」が集まったものであり、電流というのは電子の流れのことをさしています。
電池は電子を動かすためのポンプであり、電球は電流が流れてくると光ります。そのため、電球が光っていれば電気が流れているし、消えていれば電気が流れていないということです。
いつでも電流が通るわけではない
豆電球と乾電池を用意して回路を作れば必ず電流が通るというわけではありません。例えば、スイッチを入れなければ電流は通らないですし、回路をつなげる導線も電気を通すものを選ぶ必要があります。このように、回路をつなげるときには、電気を通すものを使ってつなげなければなりません。電気を通すものについては、後ほど紹介するので、それを確認してみてください。
電気が流れる仕組み
電流は電子の動きであると紹介をしました。電子は回路の中をぐるぐると回ることにより、エネルギーを消費します。この回路の中を回ることで、電子のエネルギーは他のものに変わっているのです。
電気のエネルギーの変化するものには「光」「熱」「運動」の3つがあります。光は豆電球を光らせること、熱は電熱線が熱くなること、運動はモーターを回転させることが一般的です。電子は回路の中で自分のエネルギーを他のエネルギーに変え、エネルギーを消費しながら回っています。そのため、電池の中に入っている電子を使い切れば、電池が使えなくなるのです。
電流でおさえておくべき知識
電流の単元は、すべてが計算問題というわけではありません。暗記しておくべき知識もあります。知識をインプットしておけば、大きな得点源になります。
電気を通すもの
電気を通すものとして、金属はすぐに思いつくのではないでしょうか。実験でもよくつかわれる鉄以外にも、金、銀、銅、アルミニウムなど、すべて電気を通します。金属には例外がありません。そのため「金属は電気を通す」とそのまま覚えてしまいましょう。
それに対し、金属ではないものは電気を通しにくいものが多いです。通すものと通さないものがあるからこそ、金属ではないものの方が電気を通すかどうか出題されることが多くあります。
金属以外の電気を通すものとして覚えておかなければならないものは次の二つです。
・条件によっては電気を通すことがある「半導体」
・金属ではないのによく電気を通す「炭素」
また、電気を通さないものとしては、以下のものを覚えておきましょう。
・紙
・木
・プラスティック
・ゴム
・ガラス
まとめると、電気を通すものは金属(中でもよく出題される5種類は鉄・金・銀・銅・アルミニウム)と金属ではない2種類(半導体・炭素)、電気を通さないものは5種類(紙・木・プラスティック・ゴム・ガラス)と整理できます。覚えておくべきものは12種類と認識しておきましょう。
電気を通す水溶液
水溶液は、ほとんどのものが電気を通します。どちらかというと電気を通さないものの方が少ないです。そのため、通さないものを覚えておくとよいでしょう。
水溶液が電気を通すにもかかわらず、水(蒸留水)は電気を通しません。水溶液のように、水に何かが溶け込んでいるからこそ、電流を流すようになるのです。
電流を通さない水溶液としては、砂糖水・デンプン水溶液・アルコール水溶液の3つがあります。特によく出題されるのは、砂糖水とアルコール水溶液ですが、せっかくなので3つ合わせて覚えておきましょう。
豆電球の問題
電流の問題として、最初に出てくるのが豆電球です。豆電球の明るさについては、どのように学習を進めていくと良いのでしょうか。4つのポイントを紹介していきます。
豆電球はシンプルに考える
豆電球の明るさとなると、オームの法則や電気抵抗の計算が出てきて難易度も高いイメージがあります。中学受験の問題集や塾のテキストもわかりやすいとは言い切れません。そこで、できるだけ単純化して覚えることが大切です。
まずは基礎情報の暗記から
豆電球の問題はもちろん、その後の問題を解くためにも、まずは基礎情報の確認から行いましょう。豆電球の明るさの単位、記号、そういったものはすべて知っている前提で問題が出題されます。合わせて、電流計や電圧計の使い方、数字の読み方も確認をしておきましょう。次に、電流計と電圧計については紹介します。
電流計と電圧計
早速、電流計と電圧計の使い方を確認していきます。同じような道具ですが、計測するものが違うだけでなく、操作方法にも違いがあるので注意をしましょう。
電流計の使い方
電流計は名前の通り、回路に流れている電流の大きさを計測するものです。電流計は回路につなげて使用します。その際、直列つなぎをするのがルールです。回路の途中に電流計のプラス端子とマイナス端子を入れ、電流計が回路の一部になるようにつなぎます。電流の流れに沿ってつなぐので、電池のプラス極のから近い方にプラス端子、マイナス極に近い方にマイナス端子をつなぎましょう。
この際注意が必要なのはマイナス端子のどこにつなぐかです。電流計には4つの端子があり、黒いものが3つ、赤いものが1つあります。黒いのがマイナス端子、赤いのがプラス端子です。マイナス端子は、それぞれで計測できる最大の電流が決まっています。右から順に5A、500mA、50mAという違いがあります。
計測の際には一番大きな電流が測れる5Aからつなぐようにしましょう。なぜ一番大きな端子からつなぐのかというと、大きな電流が流れて針が振り切れ系即できなくなるのを防ぐためです。5Aのところにつなげて針が全然動かなければ、その様子を見て次の端子を選んで取り付けていきましょう。
なぜ直列につなぐのか
電流計をつなぐ際、並列つなぎでつないでもいいのではないかと思われるかもしれません。これは、直列つなぎには「回路全体に流れる電流の大きさが等しい」という性質があることが理由です。電流計を直列つなぎにすれば、回路に流れている電流の大きさがわかります。それに対して並列つなぎだと、枝分かれした場所は電流の大きさが回路全体の大きさとは異なってしまいます。そのため、全体の電流の大きさはわかりません。回路全体の電流の大きさを測りたいときには、枝分かれしていない場所に直列につないで計測することが必要なのです。
電圧計の使い方
電圧計は名前の通り、回路の中の電圧を計測するものです。電圧計は電流計とは異なり、回路に並列につないで計測をします。電球と並列になるように回路の中で電圧計を設置して計測するため、豆電球の両端に電圧計の端子がつながる形で設置をしましょう。
次に端子のつなぎ方ですが、電流の流れてくる方にプラス端子、その反対側にマイナス端子をつなぎます。マイナス端子は300V、15V、3Vの3種類の端子がついており、電流計同様に単位が大きなものからつないでいきます。そのため、最初につなぐのは300Vです。その後、目盛りの様子を見て次の端子につないでいきましょう。
なぜ並列につなぐのか
電流計が直列つなぎだったため、電圧計は並列つなぎにつなぐのはなぜかと気になるのではないでしょうか。これも、電気の性質がかかわっており、回路にかかる電圧はどこでもすべて等しいというのが理由です。
電球と電圧計が並列につながっていても同じ大きさの電圧がかかるため、電圧を知ることができます。それに対し、直列でつないでしまうと、電圧は抵抗ごとに代わってしまいます。そのため、豆電球の電圧と電圧計にかかる電圧は異なってしまうため、回路の電圧を求めることができなくなってしまうのです。
また、電圧計は大きな電圧がかかりやすく、回路に直列につないでしまうと壊れてしまうこともありますし、電圧を計測したい区間にほとんど電圧がかからなくなることもあります。正確に電圧を計測するためにも、電圧計は必ず並列につなぐようにしましょう。
電流と豆電球の計算問題
では、具体的に豆電球と電流のけさん問題の基本から確認をしていきます。豆電球の明るさや、電流の大きさは計算問題で解くことができます。まずは考え方から確認してみましょう。
電流の基本
豆電球の問題を解く際には、電池の力の確認から始めます。電池は回路に電流を流そうとする力を持っています。電池が増えれば、単純に電池の持つ力は増えていき、2つになれば2倍、3つになれば3倍と増える仕組みです。
ただし、これは直列つなぎの場合であり、並列つなぎはあてはまりません。電池のトータルで持つ電力は増えるのですが、回路の中を流れる電流の量は並列の場合には何個並べても1つのときと同じ電力が流れるようになるのです。そのため、電池を増やせば長時間豆電球を光らせることができるのですが、明るさは電池が1つでも2つでも変わりません。
この仕組みは、階段をイメージするとわかりやすいです。直列つなぎは階段を縦に増やす形になるので、高さが増える＝電力が増える、そのため明るくなるという仕組みが理解できます。それに対し、並列につなぐのは階段の横幅が拡がるだけで高さは高くなりません。そのため、電力は増えず、明るさは電池が増えても変わらないのです。
豆電球の基本
次に豆電球の基本について確認をしていきます。豆電球があるということは、回路を流れる電流にとっては障害物があるということになります。このとき、土管を通ると想像をしてみましょう。そうすると、豆電球を流れる電球がどのような動きを取るのかイメージしやすくなります。
直列つなぎの場合、豆電球が増えるというのは、土管が増えるということになり、障害物が増えるということです。そのため、直列につなぐほど、電流は通りにくくなると考えることができます。それに対し、並列つなぎの場合には、土管が縦に並ぶことにより、電流にとっては道が増えることで通りやすくなります。そのため、並列つなぎの場合には、豆電球が増えれば増えるほど、電流は通りやすくなるのです。
電流の大きさは電池と電球によって決まる
電流の大きさは、電池の力や電球の障害物(土管)によって決まります。「電流の大きさ＝電池の力÷電球の障害物」で求めましょう。こうすれば、並列つなぎや直列つなぎが組み合わさった形の問題でも、豆電球の明るさを簡単に求めることができます。
合成抵抗
このような豆電球と乾電池の基本を理解した後、応用編として出てくるのが合成抵抗です。合成抵抗をマスターするためにも、まずはルールから確認をしていきましょう。
合成抵抗とは
基本の豆電球の問題は、一つの電球(抵抗)は必ず1つの回路(電気の通り道)にありました。そして、回路が途中で分かれていたとしても、電流は必ずプラスからマイナスに流れているものでした。しかし、合成抵抗になると、回路全体で一つの大きな電気回路と考えることが必要になります。
並列つなぎは合成抵抗の考え方の一つです。豆電球や乾電池が複数縦に並んでいることで土管が太くなり通りやすくなるため抵抗が下がると考えていました。この問題を応用して解くのが合成抵抗の少し複雑な問題なのです。
合成抵抗の考え方
合成抵抗は全体の抵抗から全体の電流を求めていくというのが、今までの問題とは大きく異なる点です。では、具体的に問題を見ながら考えていきましょう。
例えば合成抵抗の問題でよく出題されるのが、一つの豆電球の横に、豆電球2つの並列つなぎの回路が並んでいる形の回路です。この場合、豆電球1つの回路の抵抗は1であり、豆電球2つの並列つなぎの回路は2分の1と考えることができます。合成抵抗は名前の通り合わせた抵抗となるので、2つの回路を合わせた抵抗は1と2分の1を合わせて2分の3(1と2分の1)となります。
ここで、抵抗が2分の3となると、電球が1つで電池が1つのときの抵抗を1とすると、抵抗は大きくなっているため、電流は流れにくくなっているのです。回路を流れる電流は1÷2分の3で3分の2となります。
全体の電流が3分の2とわかれば、直列つなぎの部分の豆電球の電流は3分の2、並列つなぎの1つの豆電球の電流は3分の1とわかり、求めることができます。
このように、合成抵抗の問題は、
①一つひとつの抵抗を求める
②①の抵抗を合わせて全体の合成抵抗を求める
③合成抵抗をもとに全体の電流を求める
④一つひとつの電流を求める
という流れで解けばよいのです。
電流の問題を得意にするには
電流の問題は苦手意識を持たれることが多い単元です。そこで、次の流れで理解をするようにしましょう。
まずは知識を身に着ける
まずはすぐに得点源になる知識分野から仕上げていきましょう。具体的には「電流」や「電圧」などの用語の意味、記号の暗記、電流計や電圧計の使い方といったものがあります。これらの内容も、中学入試では一問一答問題などで出題されるものです。一点でも多くの点数を取ることが合否を決めます。確実に点数が取れる内容を一つずつ身に着けていきましょう。
簡単な計算問題から始める
「電流の計算」と聞くだけで一気に難しそうな印象になりますし、苦手意識が持たれます。しかし、基本となる問題は決して難しいものではありません。女子校や共学校の学校なら、基本的なもので十分対応できる問題が出題されるケースも多いです。簡単なものは問題集を見てもあまり多く問題が用意されておらず、数多く取り組めないと思われることもあります。しかし、たくさんの問題を解く必要はありません。少ない問題でも反復して、正しくルールを覚えれば十分です。ルールがわかれば、似たような問題にも十分対応できるようになります。
応用内容は一つずつ解き進めていく
複雑な回路の問題になると、見た目の難しさから手を出せなくなる子が多いです。しかし一つずつ確認しながら解いていけば、複雑なものも基本の形にしていくことができます。慣れるまでは、どうやって分解して解いていけばよいかがわからないものです。その際は、解説を見ながらどこから手を付ければよいのか確認していきましょう。
男子校や難関校では複雑な合成抵抗の問題が出題されることも増えます。過去問や塾のテキストの実力問題など、少し難易度の高い問題を繰り返し解いて、どこから解き進めるのかというポイントをおさえていきましょう。
まとめ
今回は電流の問題で覚えるべき知識と抵抗の求め方について紹介をしました。電流は物理分野ですが、他の単元同様に知識単元もあります。特に、電流計や電圧計の使い方は注意点もあり、2つで使い方の違いもあるため、よく出題されるものです。まずはこのような暗記内容からマスターしていくようにしましょう。
また、計算問題についても、基本となる簡単なものから段階的に進めていけば決して難しいものではありません。基本の問題を反復してクリアしたら、次のステップとして合成抵抗に進んでいくようにしましょう。新しい問題にばかり取り組まなくても、何度も反復して解くことで解き方のルールが身に付き、応用力が身につくようなります。