電熱線で水を加熱して「電圧・電流と電力量の関係」と「時間・抵抗と熱量の関係」を理解しよう!

電気エネルギー

私たちの生活に欠かせない「電気」

私たちは電力会社から電気を買って電気を使っていますね。

1つクイズです!

この中で一般的に電気代が高い家電はどれでしょう?
この中で一般的に電気代が高い家電はどれでしょう?
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正解できましたか?

電気は暖房のように「熱」に変えることもできますし、照明の「光」やスピーカーの「音」に変わることもできます

このような電気がもついろいろなはたらきをする能力を電気エネルギーといいます。

家の中にある家電は電気エネルギーを使って動いているってことです。

家電によって電気エネルギーをどのくらい必要かが違います。

電気エネルギーはいろいろなものに変化することができますが、中でも「熱」を作るのには大きなエネルギーが必要になります。

12月、1月の電気代が高いのはエアコンをよく使うから

今回は電気エネルギーを使って熱を発生させて、電気エネルギーと熱の関係を学んでいきたいと思います!

↓3年生の内容ですがエネルギーについて詳しく学びたい人はコチラも

移り変わるエネルギーを考えよう!
いろいろなエネルギーエネルギーとは”仕事をする能力”のことでした。例えば扇風機は、電気を使って羽を回しているので、扇風機は電気を使って仕事をしていると言えます。電気が持つエネルギーを電気エネルギーといいます。いろいろなエネルギーを学...

電力と電圧・電流の関係

今回の課題電気エネルギーと発生する熱の関係を調べよう!

ヒーターは電気エネルギーを消費して熱に変える装置です。

どのくらい電気エネルギーを消費しているかを電力として表現します。

電力=1秒間に消費する電気エネルギー

電力の単位はワット〔W〕といい、電化製品や蛍光灯なんかにも何Wと書いてあります。

家にある冷蔵庫や照明器具などの裏に書いてあるので探してみてくださいね。

電子レンジはわかりやすいね

電力の大きさは

$電力〔W〕=電圧〔V〕×電流〔A〕$

という式で表すことが出来ます。

例えば蛍光灯に100Vの電圧をかけて、0.6Aの電流が流れたとすると、その蛍光灯が1秒間に消費する電力は

$100V×0.6A=60W$ということになります。

かけ算するだけで簡単☆

電力についてわかったので、熱との関係を実験で調べてみましょう!

電熱線の抵抗・電圧・熱量の関係は?

熱量を測るためには、水を使うのが便利です。

水は熱をためやすく、逃がしにくい性質があります(比熱が大きい)。

カップラーメンのお湯を沸かすの意外と時間かかるもんね

金属は少しの熱で温度が上がりますが、水はなかなか温度が上がらないので、熱の温度上昇を測るのに最適なんです!

今回使う実験装置は、こんな感じ

水の中に電熱線を入れて電圧をかけて温度を上げていきましょう。

この実験装置にされいてる工夫がされています。

POINTくみ置きの水を使っている

コップが発泡スチロールでできている

それぞれの理由は、

くみ置きの水を使う理由くみ置きの水とは水道水を入れて置いて一晩置いた水のこと。
一晩置く理由は、室温と水温を等しくするためです。
水道水は室温よりも冷たいので、電熱線に関係なくほかっておけば温度が上がってしまうので、それを防ぐためにくみ置きの水を使っています。
発泡スチロールのコップを使う理由この実験では、電熱線によって水の温度上昇を測りたいので、それ以外の変化をなくしたいです。
温かくなった水の熱はどうしても外に逃げてしまうので、金属製ではなく熱が逃げにくい断熱素材のコップを使います。

電熱線に電圧をかけながら温度変化を測って、電力と熱の関係を解き明かしていきましょう。

今回の実験では、「電熱線」に「電圧」をかけて熱を発生させています。

なので、「電熱線の抵抗の大きさ」を変化させて実験を行いましょう。

使う3本の電熱線にはそれぞれ抵抗があって、青の6V-18W(2Ω)、赤の6V-9W(4Ω)、黄色の6V-6W(6Ω)のものを使っています。

6V-18Wで2Ωってどういう意味?

電熱線は基本的に抵抗と同じ考えてOK。

青の電熱線は2Ωの抵抗だから6Vの電圧をかけると6V÷2Ω=3Aの電流が流れますよってこと。

電力は6V×3A=18Wってことだね。

POINT抵抗が小さいほど同じ電圧をかけた時の電力が大きい

結果

3種類の抵抗をそれぞれ5分間水の中に入れて、その間の温度変化を調べました。

1分毎の温度計の温度を表にすると

何か気づくことがあるかな?

電力〔W〕が大きいほど温度変化が大きい!

そうだね!電力が大きい(抵抗が小さい)電熱線の方が温度の上がり方が激しいね。

3つの抵抗を比べるとこんな風になっています。

電力の大きさと温度上昇が比例してる!

この実験では、どうしてもコップから熱が逃げてしまうから完璧なグラフではないんだけど、電力と温度上昇は比例するんだ。

つまり同じ電圧でも抵抗が小さいものを使うと温度上昇が大きいんだね。

時間と温度の関係はどうかな?

時間と温度上昇も比例しているね。

そう、電力は

式にすると

時間〔s〕×電力〔W〕=熱量〔J〕

となります!

長い時間加熱を続けるほど温度上昇が大きいっていうのは感覚的には当たり前ですね。

熱量と似た電力量というものもあります。次の内容ですが、詳しくはコチラ↓

時間×電力=電力量!電力量の計算をマスターしよう!
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POINT時間が長いほど&電力が大きいほど、比例して熱量が大きくなる

電圧と電力の関係は?

今回の学習のまとめで少し難しい問題に挑戦してみましょう!

タイトル6Ωの抵抗に変える電圧を2倍にしたら温度上昇は何倍になる?

2倍にしたなら今までの流れだと2倍になりそうだけど、、、

直感的には2倍になりそうですが、実は違います!

細かく考えてみましょう。

熱量〔J〕は時間と電力に比例していましたね。

問題に時間は関係ないので、電力だけについて考えればOKですね。

電力〔W〕=電圧〔V〕×電流〔A〕でしたね。

電圧を2倍にしたので、電力も2倍になりそうですが、電流はどうでしょうか?

電圧を2倍にしたら電流も2倍になるんでした!

だから電圧(2倍)×電流(2倍)で電力は4倍になるんです!

感覚で考えるんじゃなくて式を立てることが大切なんだ!

オームの法則をマスターしよう!【中2理科】
抵抗に流れる電流とかかる電圧の関係電線に乗っているカラスをみたことがありますよね。あのカラスは電線の電気で感電カラスにならないんでしょうか?カラスが両足で電線に止まっている時、カラスの右足と左足と電線で1つの回路が...
今日のまとめ電気がもついろいろなはたらきをする能力を電気エネルギーという
電圧〔V〕×電流〔A〕=電力〔W〕
時間〔s〕×電力〔W〕=熱量〔J〕
中2 中2物理 物理
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プロフィール
ゆうしろ

私立中・高一貫校の現役理科教員です。
専門は生物学で、中学・高校理科の教員免許を持っています。
子供のころ勉強に使っていた学習サイトを自分でも作りたくでトライし始めました!
理科の授業を「何度でもふりかえる」ことが出来るように、知識+思考力がつくサイトにしていくのでよろしくお願いします!

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