電力量と電力

学習指導要領： KS3, GCSE, cycle 4, 1re (effet Joule), Sek I, AP2

目的¶

電球が消費する電力と、一定時間に電流が供給するエネルギーを測定し、\(E = P \cdot t\) が成り立つことを確かめます。

実験装置¶

6 V の電圧源、電力計、6 V / 3 W の電球があります。電力計の電流回路（端子「±」と「A」）は電球と直列に、電圧回路（端子「±」と「V」）は電球と並列につながっています。表示の上段は電力、下段はエネルギーまたは計測時間で、W キーと t キーで切り替えます。▶■ キーを押すまで、計測は止まっています。

手順¶

表示の上段から電力 \(P\) を記録します。
▶■ を押し、10〜20 s 後にもう一度押して計測を止めます。エネルギー \(E\)（W キー）と時間 \(t\)（t キー）を記録します。
\(P = E / t\) を計算し、上段の値と比べます。
電圧源を 3 V にし、もう一度電力を記録します。

予想される結果

電球が消費する電力は約 2.75 W で、定格よりわずかに小さくなります。電圧の一部が電圧源の内部で降下するからです。たとえば 10.8 s でカウンタは約 29.7 J に達し、\(E / t\) = 2.75 W で、上段の値と同じです。3 V では電力は約 0.89 W です。電圧は半分になりましたが、電力は4分の1ではなく、3.1分の1になっただけです。フィラメントの温度は下がり、その抵抗も小さくなっています。

問題¶

電球で電流がした仕事は何に変わりますか。
電圧を半分にしたとき、電球の電力が抵抗の場合のように4分の1にならなかったのはなぜですか。
1 W · h は何 J ですか。

解答

高温のフィラメントの内部エネルギーに変わり、電球はそれを熱と光として放出します。2.75 W の大部分は熱と赤外線として出ていき、可視光は数パーセントにすぎません。
抵抗では \(R\) が一定で \(P = U^2 / R\) なので、電圧が半分になると電力は4分の1になります。タングステンのフィラメントの抵抗は、温度とともに大きくなります。3 V ではフィラメントの温度が低く抵抗も小さいので、電流は半分までは下がらず、電力は 2.75 W から 0.89 W へ、3.1分の1にしか下がりません。
1 W · h = 1 W · 3600 s = 3600 J です。この実験装置の電球は、1時間に 2.75 W · 3600 s ≈ 9900 J を消費します。