問題
1．次の文章を読んで、以下の各問に答えなさい。
電源装置や電池を用いて電球を点灯させ、その明るさについて考察する実験を行いました。なお、ここで扱う電球は、どれも同じ性質をもっており、かかる電圧に対して、そのときに流れる電流は図1のとおりです。また、電球は、かかる電圧と流れる電流の積の値が大きいほど、明るく点灯します。
はじめに、電圧9Vの電源装置を用いて図2のような3つの回路の電球を点灯させました。
問1 図2の電球A〜Eのうちで、最も明るく点灯するものをすべて選び、記号で答えなさい。
問2 図2の電球A、B、Dに流れる電流はそれぞれいくらですか。図1のグラフを読み取り、小数第二位まで答えなさい。
次に、図3のような回路で電球を点灯させました。
問3 図3の回路図のとおりに組み立てるためには、下の図4のように配置された電源装置と電球F、G、Hをどのように配線すればよいですか。図4にある○を、導線を表す実線（―）で結びなさい。なお、導線は必ず5本使い、実線どうしが交差しないようにかきなさい。
図3の回路では、電球G、Hに同じ大きさの電流が流れ、その合計の電流が電球Fから流れてくることがわかっています。
問4 図3の回路で電球Gに流れる電流が0.25 Aであったとき、電源装置の電圧はいくらですか。図1のグラフを読み取り、小数第一位まで答えなさい。
次に、図2にある電球Aを含む回路において、電源装置を同じ「9V」という電圧表記の電池に交換して図5の回路で電球を点灯させました。すると、電球Iは、電源装置を用いたときに比べて暗くなりました。調べてみたところ、電源装置とは異なり、電池は図6のように電池から流れ出す電流が大きくなるほど、電池の両極間の電圧が下がっていくことがわかりました。このことが電球Iが電球Aより暗くなることの原因として考えられます。
図5の回路で、電球Iに流れる電流を求めるためには、図1（右ページに再掲します）の曲線上にあり、かつ図6の直線上にもある、電圧、電流の組み合わせを探すことになります。なお、図1と図6では、縦軸と横軸に表す量が入れかわっているので、気をつけてください。
問5 図5の電球Iに流れる電流はいくらですか。図1のグラフを読み取り、小数第二位まで答えなさい。
さらに、同じ性質の電池をもう1つ用いて、図7のような回路で電球を点灯させました。
問6 図7の電池1つから流れ出す電流は、電球に流れる電流の何倍ですか。整数もしくは既約分数で答えなさい。
問7 図7の回路で、「電池の両極間の電圧」を縦軸に、「電球に流れる電流」を横軸にとったグラフはどうなりますか。次のア〜ウから適当なものを選び、記号で答えなさい。
問8 図7の電球Jに流れる電流はいくらですか。図1のグラフを読み取り、小数第二位まで答えなさい。
海城 2023年度入学試験 理科 大問1から引用 海城 2023年度入学試験 理科 大問1から引用 海城 2023年度入学試験 理科 大問1から引用 海城 2023年度入学試験 理科 大問1から引用 海城 2023年度入学試験 理科 大問1から引用
出典：海城中学校『2023年度入学試験問題 理科』大問1（問題図・表を含む）
解答：問1 A、D、E
問2 電球A 0.75、電球B 0.55、電球D 0.75
問3 図①（Fを直列にし、その先でGとHへ並列に分岐する配線）
問4 5.4
問5 0.70
問6 1/2
問7 ア
問8 0.72
この大問は、図1の曲線を何度も使います。問1では、Aには9V、並列につながれたDとEにもそれぞれ9Vがかかります。同じ電球なので電流も電圧と電流の積も等しく、最も明るいのはA、D、Eです。BとCは直列ですから、9Vを等しく分けて一つにつき4.5V。明るさを決める積はA、D、Eより小さくなります。
問2は、それぞれの電圧から図1で電流を読み取ります。9VのAとDはともに0.75A、4.5VのBは0.55Aです。直列か並列かを判断しただけでは終わりません。各電球にかかる電圧を決めてから、曲線を使います。
問3では、Fの先でGとHへ分かれ、再び電源へつながるように5本の導線を結びます。つまり、Fと「G・Hの並列部分」との直列回路です。問4でGとHに0.25Aずつ流れるなら、分岐前のFには合計0.50Aが流れます。図1から、GとHにかかる電圧は約1.5V、Fは約3.9V。二つの部分の電圧を加えると、電源電圧は5.4Vです。
問5からは電源装置を電池に替えます。電池では、流れ出す電流が増えると両極間の電圧が下がります。図6の関係を式にするとV＝9－2Iです。図1とは縦軸と横軸が逆なので、量を取り違えないようにします。電球と電池の両方の条件を満たす交点は、電流が約0.70A、電圧が約7.6Vです。
問6のように同じ電池を2個並列につなぐと、電球へ流れる電流を2個で等しく分けます。各電池の電流は電球電流の1/2倍です。そこで電球電流をIとすれば、問7の電圧はV＝9－2×（I/2）＝9－Iとなり、選択肢はア。この直線と図1の曲線との交点から、問8の電球Jを流れる電流は0.72A、電圧は約8.28Vと読めます。問6から問8では、電球を流れる電流と、電池1個から流れ出す電流を区別することが要点です。