１．はじめに
教科書の電流の単元では，直列回路と並列回路について学習し，電流と電圧の関係については，実験をしてオームの法則へ導いている。抵抗については，実験結果をもとに説明しているが，合成抵抗については，２つの抵抗を含む直列回路と並列回路で，測定値から求めているだけで，関係式は扱っていない。また，電力については，電力＝電圧×電流という定量的な関係までは扱っておらず，電流による発熱量については，熱量の単位のジュールの説明とからめて，簡単に発熱量の求め方にふれているだけである。
そこで，もう少し学習内容を深める実験をさせたいと考え，３年生の選択授業で，理科のコースを選択した生徒のグループ(本校では，３年生の選択授業で，好きな教科・得意な教科を選択できるコースを設けている)を対象にして，少し難しいが考えを深めることができる実験を実施した。その時に意識したのは，以下の３点である。
| (1) | 直列回路と並列回路の合成抵抗を計算で求めさせ，直列・並列どちらの回路でも，電流・電圧・抵抗のすべてが計算で求められるようにする。 |
| (2) | 抵抗を３つ含む回路を使って，直列・並列の両方の考え方を使い分けられるようにする。 |
| (3) | 電流による発熱量の大きさを，電熱線のワット数からだけでなく，回路の電流と電圧や電熱線の抵抗値からも計算できるようにする。 |
少し難しい内容になり，理論的な計算も多くあったが，理科が好きな生徒が集まったグループであり，悩みながらも実験を通して理解を深めていったようである。まだまだ工夫する点も多くあるが，その授業展開について報告する。
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２．授業展開
［第１時］ ２年生の学習内容の復習
| ○ | 電流計と電圧計の使い方を復習し，グラフをかいてオームの法則を確認する。 |
［第２時］ ２つの抵抗を含む直列回路と並列回路での電流と電圧の測定
| ○ | 直列回路と並列回路の各部分の電流と電圧を測定し，抵抗を求める。 |
| ○ | 直列回路と並列回路の合成抵抗を確認する。 |
［第３〜４時］ ３つの抵抗を含む回路での電流と電圧の測定
| ○ | 図１，図２の回路で，各部分の電流と電圧を測定し，抵抗を求める。 |
| ○ | 直列回路，並列回路の電流と電圧・抵抗の関係から，図１，図２の回路の各部分の電流・電圧と全体の合成抵抗を求める。 |
図１ ３つの抵抗−１ |
図２ ３つの抵抗−２ |
［第５〜６時］ ２つの抵抗，３つの抵抗を含む回路での発熱量の測定
| ○ | ２つの抵抗を並列及び直列につないだときの，電流と電圧とそれぞれの発熱量を測定する。 |
| ○ | ３つの抵抗を図１〜４のパターンでつなぎ，それぞれの場合の発熱量を測定する。 |
図３ ３つの抵抗（直列） |
図４ ３つの抵抗（並列） |
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３．実験の実際
●準備
| ・ | 抵抗（10 ，20，40のセメント抵抗器〈１個100円〉を使用） |
| ・ | 導線（赤色と黒色を多数準備） |
| ・ | 電流計，電圧計，電源装置，テスター（確認のために準備） |
| ・ | ビーカー，温度計 |
●方法
| (1) |
２つの抵抗を含む直列回路と並列回路で，電流と電圧を調べる。
| ○ | 電流を流し，電流と電圧を測定する。
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| ○ | 直列回路と並列回路で，それぞれ熱くなると抵抗が違ってくることを確認する。 |
２つの抵抗を含む直列回路 |
２つの抵抗を含む並列回路 |
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| (2) |
(1)のそれぞれの回路で，抵抗を水に浸けて発熱量を調べる。
| ○ | 一定量の水が入ったビーカーに抵抗を入れて電流を流し，水の上昇温度を測定する。 |
〈留意点〉
| ・ | 時間経過にともない，水が濁ってくる。 |
| ・ | 抵抗は劣化して折れやすくなるが，値はほとんど変わらない。 |
抵抗を水に浸けた状態 |
水の濁った状態 |
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| (3) |
３つの抵抗を含む直列回路と並列回路で，抵抗を水に浸けて発熱量を調べる。
３つの抵抗を含む直列回路 |
３つの抵抗を含む並列回路 |
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４．成果と課題
理科が好きな生徒が集まった選択授業であるので，通常の授業よりも意欲に取り組んでいる。そのため，高度な内容まで踏み込むことができるだけでなく，生徒間でも討議をし，仮説を実験で確かめようとする動きも生まれている。
今回行った実験の成果としては，
| ・ | セメント抵抗を使うことで，実際に抵抗が発熱していることを体験できた。 |
| ・ | 充分な実験道具が準備でき，自分たちの仮説を実証したり，合成抵抗の理論値を測定して確かめることもできた。 |
| ・ | より複雑な回路の電流・電圧・抵抗の値について，直列・並列の関係から計算することができるようになった。 |
などがある。
課題としては，
| ・ | セメント抵抗を直接水に浸けるので，劣化が心配される。 |
| ・ | さらに発展させた実験をさせて，その結果をレポートにまとめさせるまでの指導ができなかった。 |
などがあげられる。
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５．発展的な課題について
今回の授業展開で，より発展的な課題研究として以下のことを考えていた。時間的な制約と設備の関係から実施できなかったが，機会を見つけて実施したいと思っている。
| (1) |
４つの抵抗を使った時の，最も温度が上がる（下がる）回路の設計
| ・ | いろいろな回路をつくらせ（全部で21通り），電流と電圧の値を計算する。 |
| ・ | 計算結果を確かめるために回路を組み，実際の発熱量を求める。 |
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| (2) |
抵抗値の温度による変化の測定
| ・ | 氷水や沸騰した水に浸けた抵抗に電圧をかけ，電流を測定して抵抗を計算する。 |
| ・ | まわりの温度によって抵抗の値が変化することを確認し，その関係をグラフ化する。 |
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| (3) |
ビーカーの水の上昇温度の時間的変化
| ・ | ビーカーの水に抵抗を入れ，電流を流して一定時間間隔で水の上昇温度を測定する。 |
| ・ | 時間と上昇温度の関係をグラフ化する。 |
| ・ | 水温が高くなるにつれて，時間と上昇温度が比例しなくなることを確認させる。 |
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