階段の照明

学習指導要領： KS3, Sek I, cycle 4

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目的

階段や長い廊下の照明のように、1つの電球を2か所から点けたり消したりできる回路のしくみを理解します。

実験装置

4.5 V の電圧源、2つの切り替えスイッチ、4.5 V / 1 W の電球があります。電圧源の+極は1つ目のスイッチの共通端子に、2つ目のスイッチの共通端子は電球につながれています。スイッチの端子「1」と「2」は、2本の黄色の導線で交差するようにつながれています。1つ目の「1」は2つ目の「2」に、1つ目の「2」は2つ目の「1」につながっています。2つ目のスイッチは上下逆さまに置かれています。2つの刃はどちらも刃受け「1」に入っていて、電球は消えています。

手順

1. 取っ手をドラッグするかパラメータカードで位置を選んで、1つ目のスイッチの刃をもう一方の刃受けに切り替えます。
2. 2つ目のスイッチの刃を切り替えます。
3. もう一度1つ目の刃を、続けて2つ目の刃を切り替えます。切り替えるたびに、電球が点灯しているかどうかを記録します。
4. 刃のそれぞれの位置について、導線に沿って電流の道すじをたどります。

予想される結果

電球は、2つの刃が入っている刃受けの番号が違うときに点灯し、番号が同じときに消えます。どちらの刃を切り替えても、そのたびに電球の状態が変わります。

1つ目	2つ目	電球
1	1	消灯
2	1	点灯
2	2	消灯
1	2	点灯

問題

1. 端子が2つしかないふつうのスイッチが、このような回路に使えないのはなぜですか。
2. 2つの刃が同じ番号の刃受けに入っていると、電球が消えるのはなぜですか。
3. 一方のスイッチで黄色の導線を入れ替えると、どうなりますか。

解答

1. ふつうのスイッチは、1本の導線をつなぐか切るかしかできません。2つを直列にすると両方が閉じたときだけ電球が点き、2つを並列にするとどちらかが閉じていれば電球が点くので、位置によっては、一方のスイッチでもう一方が決めた状態を変えられません。切り替えスイッチは電流を一方の黄色の導線からもう一方へ移すので、どちらのスイッチでも電球を点けることも消すこともできます。
2. 黄色の導線は交差しているので、一方のスイッチの刃受け「1」は、もう一方のスイッチの刃受け「2」につながっています。2つの刃がどちらも「1」にあると、電流は1つ目の刃から黄色の導線を通って2つ目のスイッチの刃受け「2」に行きますが、そこには刃がないので回路は開いています。2つの刃がどちらも「2」にあるときも、もう一方の導線で同じことが起こります。
3. そうすると、導線は同じ番号の刃受けどうし、「1」と「1」、「2」と「2」をつなぎます。表は逆になり、電球は番号が同じときに点灯し、違うときに消えますが、刃を切り替えるたびに点いたり消えたりすることは変わりません。