考え方のポイントは、各電熱線の「抵抗値」と、回路による「電圧・電流のルール」です。
■1. まず、それぞれの抵抗値を求めます
実験1の結果から、電圧が6.0Vのときの値を読み取ります。
・電熱線A:電圧6.0V ÷ 電流1.5A = 抵抗4.0Ω
・電熱線B:グラフ(図2)を見ると、5分後の上昇温度がAの1/3になっています。同じ電圧なら、電流もAの1/3しか流れていないということなので、
電流は 1.5A / 3 = 0.5A。
よって、抵抗は 電圧6.0V ÷ 電流0.5A = 12.0Ω
まとめると、抵抗は【A:4.0Ω、B:12.0Ω】です。
■2. 「最大」がウになる理由
電力(W)は、(電圧^2) / 抵抗 という式で計算できます。
図4の並列回路では、電熱線AにもBにも、電源と同じ「6.0V」の電圧がそのままかかります。
・ウ(図4のA):(6.0^2) / 4.0 = 9.0W
・エ(図4のB):(6.0^2) / 12.0 = 3.0W
図3の直列回路は、6.0Vを2つで分け合うため、1つあたりの電圧は必ず6.0Vより小さくなります。
したがって、最も大きな電圧(6.0V)がかかり、かつ抵抗が小さい「ウ」が最大となります。
■3. 「最小」がアになる理由
直列回路(図3)では、電熱線AとBに流れる「電流」が等しくなります。
電流が同じ場合、電力(W)は、(電流^2) * 抵抗 という式で表せます。
つまり、抵抗が小さいほど電力も小さくなります。
・ア(図3のA):抵抗4.0Ω(小さい)
・イ(図3のB):抵抗12.0Ω(大きい)
図4の並列回路は、どちらも電源から直接6.0Vをもらっているため、直列回路よりも電力が大きくなります。
よって、電圧を分け合って弱くなっている直列回路の中で、さらに抵抗が小さい「ア」が最小となります。
以上の理由から、最大:ウ、最小:アとなります。