高1 ／ 物理基礎 ／ pb-10
電気（オームの法則・抵抗率・消費電力・交流）
この単元でできるようになること
- 電流 I ＝ Q/t（電気量 C・電子の流れと逆向き）、電圧、抵抗の関係 V ＝ RI を使える
- 抵抗率 R ＝ ρL/S（長さに比例・断面積に反比例）を計算できる
- 直列・並列の合成抵抗と、回路の各部分の電流・電圧を求められる
- 電力 P ＝ VI ＝ RI² ＝ V²/R、電力量 W ＝ Pt（J・Wh・kWh）、ジュール熱を計算できる
- 交流（周波数 50／60 Hz・実効値・変圧器）と、直流との違いを説明できる
- 電気の利用（送電・モーター・発電機）の原理の名前を言える
入試での位置づけ
物理基礎の電気は中学の復習に抵抗率・電力の 3 つの式・交流が加わった形です。共通テストでは「同じ電圧で抵抗を並列にしたときの電力」「電熱線の長さ・太さを変えたときの抵抗」「電力量と料金」が定番で、式を 1 つ選び間違えると連鎖して落とすので、P ＝ VI ＝ RI² ＝ V²/R の使い分けを確実にします。
1. 電流・電圧・抵抗 ── オームの法則
まずここだけ
- 電流 I ＝ Q/t（A：1 秒間に流れる電気量 C）。電子（負）の流れと逆向き。1 A ＝ 1 C/s
- 電子 1 個の電気量 e ＝ 1.6 × 10⁻¹⁹ C（電気素量）
- オームの法則 V ＝ RI（V：電圧 V、R：抵抗 Ω、I：電流 A）
2.0 A が 30 秒流れる：Q ＝ 60 C。電子の数 ＝ 60 ÷ 1.6 × 10⁻¹⁹ ＝ 3.75 × 10²⁰ 個 12 V で 3.0 A → R ＝ 4.0 Ω
2. 抵抗率 ── 長さと太さ
ここまでできれば十分
R ＝ ρ L/S（ρ：抵抗率 Ω·m、L：長さ m、S：断面積 m²）
- 長さ 2 倍 → 抵抗 2 倍
- 断面積 2 倍（太い）→ 抵抗 1/2
- 直径 2 倍 → 断面積 4 倍 → 抵抗 1/4
- 抵抗率は物質と温度で決まる（金属は温度が上がると抵抗率が増える）
ρ ＝ 1.0 × 10⁻⁶ Ω·m、L ＝ 2.0 m、S ＝ 1.0 × 10⁻⁶ m²：R ＝ 2.0 Ω 同じ材質で長さを 3 倍、断面積を半分：抵抗は 6 倍
3. 直列と並列 ── 合成抵抗
まずここだけ
| 直列 | 並列 | |
|---|---|---|
| 電流 | どこも同じ | 枝分かれ（合計が全体） |
| 電圧 | 分かれる（合計が全体） | どこも同じ |
| 合成抵抗 | R ＝ R₁ ＋ R₂（大きくなる） | 1/R ＝ 1/R₁ ＋ 1/R₂（小さくなる：R ＝ R₁R₂/(R₁ ＋ R₂)） |
10 Ω と 30 Ω：直列 40 Ω、並列 7.5 Ω 同じ抵抗 R を n 個並列：R/n
解く手順：①合成抵抗 → ②全体の電流 I ＝ V/R → ③直列なら各抵抗の電圧 RI、並列なら各抵抗の電流 V/R
4. 電力・電力量・ジュール熱
まずここだけ
| 量 | 式 | 単位 |
|---|---|---|
| 電力（1 秒あたりのエネルギー） | P ＝ VI ＝ RI² ＝ V²/R | W（＝ J/s） |
| 電力量（使ったエネルギー） | W ＝ Pt | J、Wh、kWh（1 kWh ＝ 3.6 × 10⁶ J） |
| ジュール熱（抵抗で発生する熱） | Q ＝ RI²t ＝ VIt | J |
使い分け：
- 電圧が一定（並列・家庭の 100 V）→ P ＝ V²/R：抵抗が小さいほど電力大
- 電流が一定（直列）→ P ＝ RI²：抵抗が大きいほど電力大
100 V・500 W のヒーター：I ＝ 5.0 A、R ＝ 20 Ω。1 時間で 500 Wh ＝ 0.5 kWh ＝ 1.8 × 10⁶ J 2 つの同じ電球を 100 V に、直列と並列でつなぐ：並列のほうが各電球は明るい（各電球に 100 V）。全体の電力は並列が直列の 4 倍
5. 交流 ── 向きと大きさが周期的に変わる
ここまでできれば十分
| 直流（DC） | 交流（AC） | |
|---|---|---|
| 向き | 一定 | 周期的に入れかわる |
| 例 | 電池 | 家庭のコンセント |
| 周波数 | ── | 東日本 50 Hz、西日本 60 Hz |
- 実効値：交流の電圧・電流を「同じ電力を出す直流」に換算した値。家庭の 100 V は実効値（最大値は約 141 V ＝ 100 × √2）
- 変圧器：電磁誘導でコイルの巻数比で電圧を変える。V₁ : V₂ ＝ N₁ : N₂。交流だけに使える
- 送電：高電圧にすると同じ電力でも電流が小さく、送電線のジュール熱（RI²）が減る → 発電所から高圧で送り、変圧器で下げる
一次コイル 1000 回・二次コイル 50 回に 6000 V：二次側は 300 V
6. 電気の利用（名前を覚える）
- 電磁誘導：コイルを貫く磁場が変化すると電圧が生じる（発電機の原理）
- モーター：磁場の中の電流が力を受ける（電気 → 運動）
- 発電機：コイルを回して電磁誘導（運動 → 電気）
- 半導体・ダイオード（一方向にだけ電流を流す）・LED
7. よくある間違い
- 電流の向きと電子の向きを同じにする（逆）
- 直径 2 倍で抵抗 1/2 とする（断面積 4 倍 → 1/4）
- 並列の合成抵抗を単純に足す
- P ＝ V²/R と P ＝ RI² を場面と逆に使う（電圧一定なら V²/R）
- kWh と J の換算（1 kWh ＝ 1000 W × 3600 s ＝ 3.6 × 10⁶ J）
- 変圧器を直流で使えると思う（交流のみ）
8. 自己チェック
- I ＝ Q/t、V ＝ RI を書けるか
- R ＝ ρL/S で長さ・断面積・直径の関係を言えるか
- 直列は足す、並列は逆数の和、と言えるか
- P ＝ VI ＝ RI² ＝ V²/R を使い分けられるか
- 1 kWh ＝ 3.6 × 10⁶ J と言えるか
- 変圧器は巻数比・交流のみ、送電は高圧で損失減、と言えるか
9. 小テストへ
→ 小テスト（pb-10）
関連する単元
参考資料
- 文部科学省『高等学校学習指導要領（平成30年告示）解説 理科編 理数編』── 「物理基礎」(2) イ 電気
受験のしらべ ／ https://juken-shirabe.com/daigaku/science/pb-10/ ／ 更新 2026-09-12