電流と抵抗（小学生）

質問

小学5年生の父親です。
子供に「電流と抵抗」を教えていたら、（電圧が同じとき）「並列につないだ2個の豆電球の明るさは、直列につないだ2個の豆電球の明るさの倍である」のはなぜか？と問われました。
小学校の参考書では、（実験をしてみたことにして）上記のことを前提として「オームの法則」（I=V/R）をオームという値を使わずに説明しているのですが、子供の求めているのは、どうもその前提についての説明のようです。
水の流れ、道路を走る車の流れなどのたとえばなしをしても、「どうして電流は水の流れにたとえられるのか」と問われて、私はうまく答えられませんでした。
きっと電子が抵抗に遭うと、ぶつかりあって熱を出すとかなんとかいう説明を求めているのだと思いますが、小学校の参考書やwebには子供に分かるような説明はのっていません。
どなたか、理科の先生や理科系の学生さんなどで子供に分かる説明を教えていただけないでしょうか。

回答No.3

noname#227653 · ベストアンサー

こういう問題では「豆電球１個」の回路を基準にして考えましょう。
もちろんどの回路も電池は同じ数でなくてはなりません。この場合は電池は１個ということにしましょう。
それと、これはよく間違えてしまうことですが、「電池が１個なら電池から出る電流はいつも同じ量」と決めつけてしまってはいけません。回路によって電池から出てくる電流の量は変わる、ということを押さえておかなければなりません。たくさんの電流が流れるようにできている回路なら電池からはたくさんの電流が出てくるし、電流が流れにくい回路なら電池から出てくる電流は少なくなるのです。
もうひとつ、「豆電球の中は電気が通りにくい」ということを頭に入れておきましょう。通りにくいところを無理に電気が流れると光や熱が出るのです。
また、電流というのは電子の移動ですよね。これを、自動車あるいは丸い粒のようなものが回路の中を動いているのだ、とイメージすると感覚的に掴みやすくなると思います。

まず、豆電球１個だけの回路の豆電球の明るさを（１）としましょう。

次に、豆電球２個を直列につないだときのことを考えます。豆電球２個が直列になっているということは、電気が流れにくい部分の長さが２倍になっているということです。電流を自動車に例えるなら、豆電球は道路が狭くなって渋滞が起こっているところです。道幅の狭い道路の長さが２倍になっているので、渋滞も２倍になり、通れる車、つまり電流は半分になってしまいます。つまり電流が（0.5）になるわけですね。

次に、豆電球２個を並列につないだ回路について考えます。これを基準となる回路と比べると、道が２本あることがわかりますね。つまり、道幅が狭くなって渋滞が起こるのは同じなのですが、この道が２本、あるいは２車線あるわけです。とすると、基準になる回路に比べて車、つまり電流は２倍通ることができるようになりますね。ただしこれは２つの道をあわせての話です。あわせて２倍、つまり（２）の電流が流れるわけですね。ですから、電池から出てくる電流は（２）で、これが二本の道に分かれると（１）ずつということになります。つまり、基本の回路と同じ明るさということになりますね。

というわけで、２個直列の場合は（0.5）、２個並列の場合は（１）ですから、直列の場合は並列の場合の半分になるのです。

以上ですがいかがでしょうか。わかりにくい部分がありましたら補足をつけて下さいね。

お礼

ていねいなご回答ありがとうございます。
いくつかいただいた回答を自分で何度も読み返して、まず自分を納得させてから息子に教えます。
とりあえず御礼まで。

回答No.2

ORUKA1951

小学校では基本的には電圧は教えません。
電球は抵抗を持ちますから、電流の流れをせき止める働き--resistance--として働きます。

二個が直列につながれていれば、電流の通りが悪くなります。
　一個に比べて半分しか流れない。※指導に注意が必要です。

二個が並列につながれていれば、通り道が倍になるので流れやすくなります。
　一個に比べて倍流れる。ひとつひとつを独立して考えるとこちらは理解しやすいでしょう。

と指導します。新しい指導要領では電圧は登場しますがそれほど深入りはしません。

電圧を使って説明すると、
　直列の場合、電球には電気を流そうとする圧力がかかりますが、その圧力が直列だと一個にかかる圧力は半分になります。そのために流れる電流が半分に減る。電圧が減りかつ流れる電流も減ってしまうため、二つを足しても元の明るさ（１個）の明るさの半分にしかなりません。
　この説明は、実はオームの法則なのですが、読まれたら分かるようにとても難しいです。

　そのため、ここでは単純に電池に接続している電球全体をひとつとして考えさせます。そうすると、「電気の流れ難さ」だけで説明できます。電圧は一定なので考える必要がありません。

　お父さんの大事なことは、色々「手を変え、品を変えて」説明しない事です。それをすると混乱して、ますます分からなくなります。---経験があるでしょ!!!。

　電気と言う抽象的で見えないものを指導するのは、大変難しいです。そのために水流モデルを使用するのですが、その場合は・・
　ダムに水車をつなぎます。水車をたくさんつければその数(かず)分、力を取り出せます。しかしひとつの取り出し口に直列に水車をどんどん付け加えていくと・・・最後には水はチョロチョロしか流れなくなるはずです。それでは水車から力を取り出せない。

お礼

ていねいなご回答ありがとうございます。
いくつかいただいた回答を自分で何度も読み返して、まず自分を納得させてから息子に教えます。
とりあえず御礼まで。

回答No.1

noname#215107

電源電圧をEとし、直列につないだ２つの同じ規格の電球にかかる電圧をそれぞれE１、E２とした場合、E１＝E２＝E／２となります。

２つ並列につないだ場合、それぞれにかかる電圧はどちらも電源電圧そのままのEとなり、上記に比べて２倍の電圧がかかることになります。

ただし、これは、電源の内部抵抗がゼロであると仮定した場合のみに成り立ちます。現実の世界では２倍にはなりません。
すべての電源や電池には必ず内部抵抗があるため、２個の電球の１個当たりの明るさは２倍にはならず、更に並列につなぐ電球が多くなるほど暗くなります。

水の流れに例えると２段滝をイメージするといいでしょう。１０mの高さから５mずつ２段に分けて２つの滝が落ちているのが直列で、２つの滝がどちらも１０mの高さから落ちている場合が並列と考えるといいでしょう。

ただし、電気回路すべてを水の流れで説明しようすると破たんしますので注意が必要です。

お礼

ていねいなご回答ありがとうございます。
いくつかいただいた回答を自分で何度も読み返して、まず自分を納得させてから息子に教えます。
とりあえず御礼まで。