センター2016物理追試第2問A問2「すべり抵抗器を含む回路」

2tA2-1

2tA2-2

物理が苦手な文子
「すべり抵抗器」って何?

物理が得意な秀樹
簡単に言うと、「AP:BPの抵抗の比が自由に変えられる抵抗」だね。抵抗APと抵抗BPが直列になっていると考えて、2つの抵抗の和は一定なんだ。ちなみに回路を描き変えるとこんな感じかな。

2tA2-3

物理が苦手な文子
なるほどね。じゃあ次の質問は、検流計に流れる電流が0ってどういうこと?

物理が得意な秀樹
どういうことって、そういうことだよ。検流計には電流が流れないのよ。

物理が苦手な文子
っていうことは、回路を見る限り検流計と電池は直列でつながっているから、電池にも電流が流れていないっていうこと?

2tA2-4

物理が得意な秀樹
その通りだよ。電池にも、さらには内部抵抗にも電流は流れていないんだね。

物理が苦手な文子
だって、電池がつながっているのよ。途中どこかが断線しているっていうわけでもなく、回路の途中に絶縁体やコンデンサーがあるわけでもないのに、電池から電流が流れないの?

物理が得意な秀樹
流れないんだね。

物理が苦手な文子
えーっ、納得できないわ。

物理が得意な秀樹
気持ちはよく分かるけど、だってそうなんだもん。電池は起電力によって電圧を生じさせるけど、電流が流れるかどうかは回路がどうなっているかによるんだよ。この問題のように電流が流れないときもあるし、電流が逆向きに流れるときもあるよ。

物理が苦手な文子
そう言われれば、キルヒホッフの法則を使う問題で電池の向きと電流の向きが逆になったことがあったような気がする。でも逆流するって言うことは、電池は壊れるじゃない!

物理が得意な秀樹
普通の乾電池だったら壊れるね。でも、充電できる電池だったら、電流が逆流しているというのは、充電しているっていうことなんだよ。

物理が苦手な文子
たしかに、「電池」とは書いてあるけど、「普通の乾電池」とは書いていないわね。電池があるのに電流が流れないっていうのは、まだよくイメージができないけど、電流の逆流が充電だというのはよく分かるわ。だとすると電流が0っていうのもあり得そうな気がしてきた。

物理が得意な秀樹
じゃあ、この回路に流れている電流を図に書き入れてみようか。

物理が苦手な文子
電流計を流れる電流はI_0で、回路の下半分には電流が流れないから、すべり抵抗器を流れる電流もI_0ね。

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物理が得意な秀樹
そういうことだね。それじゃあ、最初の空欄E_0I_0の関係はどうなるかな。

物理が苦手な文子
電池には電流が流れていないから、E_0I_0って関係がなさそうだけど・・・

物理が得意な秀樹
選択肢を見ると、何らかの関係はありそうだね。上にある直流電源の電圧も分からないし、すべり抵抗器の右側、PB間の抵抗も分からないから、できそうなことは限られているね。

物理が苦手な文子
できそうなのは、下の回路でキルヒホッフの第2法則の式を立てることかな?

物理が得意な秀樹
いいね。やってみよう!せっかくだから、前問、問1でやった電位の考え方でやってみない?ルールを確認すると、
(1)つながっている金属は等電位
(2)電流が抵抗を流れるとRIだけ電位が下がる
(3)電池は負極から正極へ電位をVだけ上げる
ということだったね。

物理が苦手な文子
等電位のところを色分けすると、こんな感じかな。

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物理が得意な秀樹
(1)の条件を考えるとそうなるね。(2)の条件を考えると、ちょっと変わらない?

物理が苦手な文子
そうか、電池の内部抵抗には電流が流れていないから、電位は下がらないのね。ということは、内部抵抗の左右も等電位ね。

2tA2-7

物理が得意な秀樹
そうなんだよ。図を見ると明らかなように、電池のE_0の両端の色と、すべり抵抗器のR_0の両端の色が同じでしょ。

物理が苦手な文子
ほんとだ。両端の色が同じということは、電位差が同じということね。式で表すと

    $$E_0=R_0I_0\cdots\textcircled{\scriptsize 1}$$

物理が得意な秀樹
そういうことだね。選択肢は⑤~⑧に絞られたね。

物理が苦手な文子
問題文の続きを読むと、結局は電池の起電力E_1、内部抵抗r_1、検流計を流れる電流0、電流計を流れる電流I_0よね。AP間の抵抗をR_1とすると、こんな図で良いかな?

2tA2-8

物理が得意な秀樹
そうだね。検流計を流れる電流が0なので、各値は変わるけど電位の図は変わらないね。

物理が苦手な文子
まず大小関係で分かっているのは、AP間の抵抗ね。Pを右に移動させたんだから、抵抗値は大きくなっているのよね。なので、

    $$R_1>R_0\cdots\textcircled{\scriptsize 2}$$

物理が苦手な文子
あとは、最初の空欄と同様に電池の起電力E_1の両端の電位差と、AP間の電位差R_1I_0が等しいから、

    $$E_1=R_1I_0\cdots\textcircled{\scriptsize 3}$$

物理が苦手な文子
①と③を②に代入すると、

    $$\frac{E_1}{I_0}>\frac{E_0}{I_0}$$

    $$\therefore E_1>E_0$$

物理が得意な秀樹
答えは⑦か⑧に絞られたね。

物理が苦手な文子
あとは①と③からI_0を消去すればいいのかな。①÷③をやっちゃうと、

    $$\frac{E_0}{E_1}=\frac{R_0}{R_1}$$

    $$\therefore R_1=\frac{E_1}{E_0}R_0$$

物理が得意な秀樹
正解だ!答えは⑦だね。

コメント

  1. […] 2016年度追試第2問A問2「すべり抵抗器を含む回路」 […]

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