電流と電圧をモデル化して表すにはどうしたらいい？（モデル化）

サイエンストレーナーの桑子研です。このサイトで科学を一緒に楽しみましょう。

電流と電圧について学んだ後に、モデル化の作業を行ってもらいました。本格的なモデル化なので、１コマとってモデルについての説明や、色々なモデルがあるのでどれが正しいとは言いにくいことを伝えてモデル化に挑戦しました。

ということをはじめに伝えました。

課題は、それぞれの回路における電流・電圧について，モデルを使って説明できるようにすることです。モデル化するまに学習したことをまとめておくと、
・回路には何か（電流）が流れていそうである。
・電流が豆電球に流れると，光を放つ。
→　身の回りの電気製品は，電気がくると，はたらきをする。光る、熱が出る、モーターが動くなどをして電気エネルギーを別のエネルギーに変えている。

・電球を光らせた後も、電流の大きさははその前後で変わらない。
・電流を流そうとするたらきを、「電圧」という。

新情報　電圧の大きさとは？
ある２点における，電気がもつ　エネルギー　の差を示す量
電池の両端の電圧は、　電気が　得るエネルギーの量　を示す
豆電球の両端の電圧は、電気が　失うエネルギーの量　を示す
→　失った電気のエネルギーが、光エネルギーになる

挑戦１　電流・電圧を何かで例えて、わかりやすく表してみよう（モデル化）。

生徒の解答例としていろいろなものが出てきました。この生徒は、お金（エネルギー）を電池の部分でもらって、関所まで届けるというモデルでした。関所が豆電球のイメージで、電流が電気マンが運んでいる様子だそうです。この場合電流が関所を通過しても減らないので、良いモデルかもしれません。

これは人モデルで、心臓の血圧が電圧、赤血球が電流だそうで、酸素がエネルギーだそうです。ちょっと生物によせすぎた部分もあり、酸素がエネルギーということは肺の部分で何をしているのか？など気になりますが、モデルとしての力強さを感じますね。

こちらは教科書などによく乗っている水路モデルです。このモデルも万能とは言えないのですが、電圧と電流の関係を示すときにはやはり俊逸なモデルかなと思います。生徒が考えついたものなのかは、ちょっとここではわからなかったです。

これは同線の中に電気マンがたくさんいて、それらが電池でVというエネルギーを受け取って、それを電球に送り届けるというモデルです。電気マンがたくさんいるというのが電子をイメージしているようで面白いモデルですね。

これは電流が会社員で電車に会社員が乗り込むのだそうです。電圧は助客の数によるそうで、豆電球に行くと、人が電車から降りていくそうです。すると、エネルギーが消費されるというイメージなのでしょうが、電流が減ってしまいますね。どうしましょう。

挑戦２　電池１個・抵抗２個　直列接続・並列接続に挑戦！

次に自分で作ったモデルを使って、直列接続と並列接続についてモデルで説明をさせてみました。するとモデルを改善しなければいけない点が出てきました。ここからが難しいところです。

直列モデル

この生徒は困っています。滑り台にたくさんのボールがあります。電圧がボールだとすると、滑り台にあるボールと豆電球に置かれたボールの数の和が一致しておらず、直接接続の説明にはなっていませんでした。

こちらは宅配会社だそうで、電池の部分でエネルギーという荷物を受け取って運んでいるというモデルです。左側でまだ荷物を持っていますが、実際はこれはないとのこと。また信号がスイッチを示しているそうです。なかなかにうまく説明できているような気がします。ただ会社に荷物がどれくらいあるのでしょうか？会社の荷物の個数と、抵抗の荷物の個数が合っているのか問題がありますね。

走れメロスが題材のようです。メロスが山賊にお土産を運んでいるそうです。街にお土産は何個あるのでしょうか？気になるところです。

直列回路のモデルでは、一人の宅配インが2つのエネルギーを運んで、それぞれに一つずつ渡すため、豆電球にエネルギーがそれぞれ分けられるということを言っていました。なるほど、だから暗くなったりするんですね。

並列モデル

二人の宅配インとモデルを改良をしていました。宅配イン２人がそれぞれ一つずつエネルギーを運んでいって、途中で別れてそれぞれ届けるというそうです。矛盾点として、電池では荷物が２つ、それぞれの電球では荷物が１つで、電圧のモデルである荷物がうまく揃っていません。

こちらも２人で持ってくことになりましたが、やはり電圧問題が残ってしまいました。先ほどの滑り台からボールを取るモデルの生徒も困っていました。電圧が難しいようです。電流はうまく説明できていそう？

と、こんなふうに頭を悩ませながらモデル化をしていく姿がみられました。ここに抵抗が加わってくると、どうなるのでしょうかね。また面白みが出てきましたね。抵抗も含めたモデル化についてはこちらをご覧ください。

電流・電圧・抵抗のモデル化について

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