【小4理科】電気のはたらきを図解で総まとめ—直列・へい列・電流の向きとモーター・けん流計｜武蔵野個別指導塾

かん電池の直列・へい列つなぎを回路図で比べ、モーターの向きやけん流計の読み取りを例題で確かめます。光電池の実験でそろえる条件も、家庭で説明する手がかりにできます。

よくあるのは、夏休みの課題の山から電気の実験プリントを取り出し、「かん電池が2個なら、どちらもモーターが速く回るはず」と書いて手が止まる場面です。図には同じ数のかん電池があるのに、一方は直列つなぎ、もう一方はへい列つなぎです。個数だけを見ていると、なぜ回り方が違うのか説明できません。

この単元では、物の数に加えて、電気の通り道がどうつながっているかを調べます。さらに、かん電池の向きを変えたときの回転の向きと、つなぎ方を変えたときの回る速さを分けて考えます。「速くなった」と「反対に回った」は、別の観察結果です。

家庭でお子さまの説明を聞くときも、すぐに正解の用語を言う必要はありません。「どこからどこへつながっているかな」と、図を指でたどるところから始められます。回路をたどり、変えた条件と結果を結びつけると、初めて見る図でも理由のある答えを書けます。

この単元で身につけること

• 回路がつながっているか確かめます。かん電池とモーターなどが導線でつながり、途中で切れていない電気の通り道になっていることを調べます。
• 直列つなぎとへい列つなぎを区別します。かん電池が紙面で横に並んでいるかではなく、どの極どうしがつながっているかを見ます。
• 電流の向きと大きさを分けて考えます。向きはモーターの回転方向に、大きさは同じモーターの回る速さなどに関係します。
• けん流計で電流を調べます。針がふれる側と、中央からのふれの大きさを、それぞれ別の情報として読み取ります。
• 光電池のはたらきを条件をそろえて比べます。光の当たり方を調べるときは、使う光電池やモーター、導線のつなぎ方を同じにします。

小3で学んだ「豆電球に明かりがつく回路」から進み、小4では電流の向きや大きさを変えると電気のはたらきがどう変わるかを考えます。正しい名前を覚えることと、実験結果を説明することを結びつけるのが目標です。

基本の考え方

回路と電流を、指でたどって確かめる

かん電池には＋極と−極があります。導線でモーターなどにつなぎ、電気の通り道を途中で切れない輪のようにつくると、電流が流れます。この電気の通り道を回路といいます。スイッチを開くと通り道が切れ、電流は流れなくなります。「電池が近くに置いてある」だけでは回路になりません。

電流は、かん電池の外側の回路では＋極から出て、モーターなどを通り、−極へ流れる向きとして考えます。図に矢印を書くときは、導線の上をたどってください。＋極からモーターへ向かう線だけでなく、モーターから−極へ戻る線まで続けます。＋極と−極の両方から電流が出て、モーターのところでぶつかる、という考え方はしません。

モーターは電流が流れるとはたらいて回ります。同じモーターでほかの条件をそろえると、流れる電流が大きいほど速く回ります。一方、モーターに流れる電流の向きを反対にすると、回る向きが反対になります。向きと大きさは、同じ「電流」という言葉に続きますが、調べている内容が違います。

豆電球を使って電流の大きさを比べることもあります。同じ豆電球で、学校の実験で扱う範囲なら、電流が大きいほど明るくなります。ただし、別の種類の豆電球の明るさだけを見て電流を比べることはできません。器具を同じにするという約束が、結果の読み取りを支えています。

直列・へい列は、置き方ではなくつなぎ方

かん電池2個の直列つなぎは、一方の＋極と、もう一方の−極をつないだつなぎ方です。残った＋極と−極を、モーターを含む回路につなぎます。図1の左側では、下側にあるかん電池の間をたどると、違う極どうしがつながっています。

へい列つなぎは、かん電池の＋極どうしと−極どうしを、それぞれつなぐつなぎ方です。図1の右側では、左の分かれ道に＋極が集まり、右の分かれ道に−極が集まっています。2本の枝にかん電池が1個ずつ入り、モーターは枝の外側にあります。どちらか片方のかん電池を出発点にしても、モーターを通る輪をたどれます。

図1の四角はかん電池を、円のMはモーターを表します。実物の形をそのまま描いたものではなく、つながりを読みやすくした模式図です。直列つなぎの線を曲げ、かん電池を縦に並べ直しても、極のつながりが変わらなければ直列のままです。反対に、横に並べたかん電池でも、＋極どうしと−極どうしをつなげばへい列です。

同じ種類で使用状態もそろえたかん電池と、同じモーターを使って比べます。かん電池1個のときに比べ、2個の直列つなぎではモーターに流れる電流が大きくなり、速く回ります。2個のへい列つなぎでは、モーターに流れる電流の大きさと回る速さは、1個のときとほとんど変わりません。「2個にすると必ず速くなる」とは言えないのです。

へい列つなぎは、同じ使い方なら、かん電池1個より長く使えるという特徴もあります。ただし、使える時間や回る速さがいつも正確に何倍になる、とは決めません。かん電池や器具の状態が関係するためです。小4ではまず、「直列では速くなる」「へい列では速さがほとんど変わらない」という比較を、条件と一緒に押さえます。

光電池と、比べる条件

光電池は、光が当たると電気をつくり出す器具です。かん電池のような形をしていなくても、モーターなどにつないで電流を流せます。光が当たっていないときには、十分な電気をつくれず、モーターが回らないことがあります。

同じ光電池とモーターで、光が当たる面積や向きなどをそろえると、当たる光が強いほど電流が大きくなり、モーターが速く回ることが確かめられます。また、同じ光のもとで光電池の面を一部おおうと、当たる光が減り、回る速さが遅くなったり、止まったりします。弱い光でも必ず回り続ける、と決めつけないようにします。

光の強さを比べる実験で、途中から別の大きさの光電池に替えると、何が回り方を変えたのかわからなくなります。光電池を傾ける実験でも、つなぐ端子を反対にしてはいけません。調べたい条件を1つ選び、それ以外をそろえてこそ、結果から理由を説明できます。

例題で解き方を確かめる

例題1　回路をたどってつなぎ方を見分ける

同じ種類で使用状態をそろえたかん電池を使い、図1の左と右の回路をつくりました。モーターは同じものです。それぞれのつなぎ方の名前と、かん電池1個の回路に比べたモーターの回る速さを答えましょう。

1. 左の回路のかん電池の間をたどります。片方の−極がもう片方の＋極につながっているので、直列つなぎと判断できます。紙の上の並び方よりも、極のつながりを先に調べるためです。
2. 右の回路の枝をたどります。＋極どうしが同じ側に、−極どうしが反対側につながっているので、へい列つなぎです。線が分かれている場所を見落とさないようにします。
3. かん電池1個の回路を基準に、モーターに流れる電流の大きさを比べます。直列では大きくなり、へい列ではほとんど変わらないので、その違いを回る速さに結びつけます。

答え：左は直列つなぎで速くなり、右はへい列つなぎで速さがほとんど変わりません。

「左のほうが速い」だけでは、何を基準に比べたかが抜けています。設問に「1個の回路に比べて」とあるときは、答えにもその比較を反映させます。また、直列で「2倍の速さ」と書く必要はありません。観察していない倍率を付け足さず、わかる範囲を正確に答える練習です。

例題2　かん電池を逆向きにするとどうなるか

図2のAでは、軸の先からモーターを見たとき、時計回りに回っていました。モーターの置き方や導線をつなぐ端子は変えず、かん電池1個の向きだけを反対にしてBにしました。Bの電流の向きと回転方向を答えましょう。

図2の矢印は、モーターを通る電流の向きを表しています。図の右向きの矢印が、どのモーターでも時計回りを意味するわけではありません。この例題では、Aで実際に観察した時計回りを出発点にします。

1. AとBで変えた条件を探します。かん電池の＋極と−極の位置だけが入れ替わっているので、個数やモーターの違いを考える必要はありません。
2. ＋極からモーターを通って−極へ、外側の回路をたどります。AとBではモーターに入る側が反対になるため、流れる電流の向きも反対です。
3. 同じ側から見た回転方向を比べます。電流が反対向きになるとモーターの回転方向も反対になるので、Aの時計回りを反時計回りに直します。

答え：Bでは電流がAと反対向きに流れ、モーターは反時計回りに回ります。

観察する側をそろえることにも理由があります。同じ回転でも、軸の先から見る場合と反対側から見る場合では、見かけの時計回り・反時計回りが逆になるからです。実験記録には「軸の先から見た向き」と書いておくと、後で図と比べやすくなります。

例題3　けん流計のふれを読み取る

同じけん流計を同じ設定で使い、モーターを含む回路の電流を調べました。Aでは針が中央から右へ2目盛り、Bでは左へ2目盛り、Cでは右へ4目盛りふれました。AとBの電流の関係と、AとCのどちらが大きい電流かを答えましょう。端子へのつなぎ方は、比べる間、同じにしてあります。

1. まず針がふれた側を比べます。Aは右、Bは左なので、このつなぎ方では電流の向きが反対だと読めます。左右は電流の向きを比べる手がかりです。
2. 次に中央からの目盛り数を比べます。AもBも2目盛りなので、電流の大きさは同じです。左にふれたから小さい、と読むことはしません。
3. AとCでは同じ右側へのふれを比べます。Cの4目盛りのほうがAの2目盛りより大きくふれているので、Cの電流が大きいと判断します。

答え：AとBは電流の向きが反対で大きさは同じ、AとCではCの電流のほうが大きいです。

この問題の目盛り数は、電流を比べるための観察値です。4目盛りが2目盛りの2倍でも、「モーターの回る速さが2倍」とは言えません。また、けん流計の設定や端子を途中で替えた結果は、目盛りの数だけを並べて比べられません。同じ道具でも、同じ測り方になっているかを確かめます。

例題4　光電池の実験を計画する

光電池に当たる光の強さと、モーターの回る速さの関係を調べます。計画アは、同じ光電池と同じモーターを使い、光が当たる面積と面の向きをそろえて、強い光と弱い光を比べます。計画イは、強い光では大きな光電池、弱い光では小さな光電池を使います。適切な計画を選び、その理由と予想を書きましょう。

1. 調べたい条件を言葉にします。今回は光の強さなので、光電池の大きさによる違いを同時に調べないようにします。
2. 計画で変わる条件を数えます。アは光の強さだけ、イは光の強さと光電池の大きさが変わっています。イでは結果の原因を分けられません。
3. アで観察する結果を予想します。同じ条件なら強い光で電流が大きくなり、モーターが速く回ると考えられます。弱い光では止まる可能性も含めて観察します。

答え：計画アです。光の強さだけを変えて比べられ、強い光のほうがモーターは速く回ると予想できます。

予想と結果は別々に記録します。予想どおりでなければ、光が十分に当たっているか、導線が外れていないかを確認します。結果を予想に合わせて書き替えるのではなく、実際に見えた回り方を残すことが、実験をやり直す手がかりになります。

つまずきやすいところと直し方

誤り1　個数や見た目だけで決める

誤った書き方：「かん電池が2個あるので、1個のときより必ず速く回ります。」

どこが違うか：個数は同じでも、直列とへい列ではモーターに流れる電流の大きさが違います。また、横に並んでいるから直列、上下に並んでいるからへい列、という見分け方もできません。図1の線の形を変えても、極どうしのつながりが同じなら、つなぎ方の名前は変わらないためです。

正しい書き方：「同じ条件で比べると、2個の直列つなぎでは1個より速く回り、2個のへい列つなぎでは1個とほとんど同じ速さで回ります。」

直すときは、かん電池の＋極に印を付け、つながる先をたどります。お子さまが名前を言えない場合も、違う極どうしか、同じ極どうしかを説明できれば、判断の土台はできています。用語を繰り返す前に、図の読み取りを確かめます。

誤り2　針の左右と、ふれの大きさを混ぜる

誤った書き方：「けん流計の針が左へふれたので、右へふれたときより電流が小さいです。」

どこが違うか：中央からどちら側へふれるかは、電流の向きに関係します。電流の大きさは、同じ設定なら中央からどれだけふれたかで比べます。左右を正負の点数のように考えると、左側の大きなふれを「小さい」と読んでしまいます。

正しい書き方：「針がふれる側から電流の向きを比べ、中央からのふれの大きさから電流の大きさを比べます。」

図3のように、けん流計はモーターと同じ通り道に入れて、そこを流れる電流を調べます。図の針は、ふれ方を示した一例です。右へふれること自体を特定の回転方向と結びつけず、器具の端子の表示と説明を確認して使います。けん流計の種類により、端子や切り替えのしかたは異なります。

けん流計だけを、かん電池の両極に直接つなぎません。器具を傷めるおそれがあります。保護者と器具の説明書を確認し、学校で学んだつなぎ方と設定に従い、つなぎ替える前にはスイッチを開きます。目盛りを読むことと同じくらい、正しく回路に入れることが必要です。

誤り3　光電池を温める実験にしてしまう

誤った書き方：「光電池を温めるほど、モーターが速く回ります。」

どこが違うか：ここで調べるのは光の当たり方と電気のはたらきです。日なたでは明るさと温かさが一緒に変わることがありますが、温かさだけが原因だとは言えません。光電池を熱い器具に近づける必要はなく、加熱する実験に変えてはいけません。

正しい書き方：「同じ光電池とモーターを使い、面積や向きなどの条件をそろえると、当たる光が強いほうがモーターは速く回ります。」

記録には「日なた」「日かげ」だけでなく、光電池の向き、光をさえぎる物の有無も残します。光電池の一部に手のかげが重なった結果を、光の強さだけの違いとして扱わないためです。回らないときにも、すぐに器具の故障と決めず、光と回路の両方を調べます。

練習問題

練習1

同じ条件のかん電池2個があります。Pは一方の＋極と他方の−極をつなぎ、残った極をモーターの回路につなぎました。Qは＋極どうし、−極どうしをつなぎ、その両側をモーターにつなぎました。PとQの名前と、同じモーターが速く回るほうを答えましょう。

練習2

かん電池1個につないだモーターが、軸の先から見て反時計回りに回っています。モーターと観察する位置は動かさず、かん電池の向きだけを反対にしました。電流と回転の向きがどうなるかを書きましょう。

練習3

同じけん流計を同じ設定と端子のつなぎ方で使いました。Pでは中央から左へ3目盛り、Qでは右へ1目盛りふれました。電流の向きは同じですか。また、電流が大きいのはどちらですか。回転の速さが何倍かまで判断できるかも答えましょう。

練習4

同じ光電池と同じモーターを使い、光の強さと面の向きを変えず、光電池の面を何もおおわない場合と、一部を紙でおおった場合を比べます。変えている条件は何ですか。また、紙でおおった場合の回り方を予想しましょう。

答えと解説

練習1の答え：Pは直列つなぎ、Qはへい列つなぎで、速く回るのはPです。違う極どうしを続けてつなぐPでは、Qよりモーターに流れる電流が大きくなります。見た目の配置ではなく、設問に書かれた極のつながりを根拠にします。

練習2の答え：電流はもとと反対向きになり、モーターは時計回りになります。同じ側から見ているので、回転の向きの変化をそのまま比べられます。「速くなる」では、問われている向きへの答えになりません。

練習3の答え：向きは反対で、電流が大きいのはPです。回る速さが何倍かは判断できません。左への3目盛りは、中央からのふれとして右への1目盛りより大きい値です。ただし、この目盛りの比をそのまま回転の速さの比に置き換えることはできません。

練習4の答え：変えている条件は光が当たる面積で、紙で一部をおおうと、モーターは遅くなったり止まったりすると予想できます。光源からの光そのものを弱くした実験ではありません。光の強さと光が当たる面積を分けて書くことが、条件を正確に説明する練習になります。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

電流の向きや大きさを条件と結びつける考え方は、小5の電磁石の学習につながります。電流の向きを変えたときの極の変化や、電流の大きさと電磁石の強さの関係を考える土台になります。光電池で光から電気が得られることは、小6で電気をつくったり利用したりする学習にもつながります。

家庭では、保護者が付き添ってできる5分程度の確かめ方を2つ用意できます。1つ目は、紙にかん電池とモーターの図を描く方法です。保護者がかん電池の＋極と−極を書き、お子さまが外側の回路に電流の矢印を書きます。次に極を入れ替え、矢印を直します。実物をつながなくても、向きと通り道を確認できます。

2つ目は、学校で使い方を習った学習用の光電池とモーターがある場合の観察です。保護者が接続を確認し、安定した明るい場所で、光電池の面をそのままにしたときと紙で一部おおったときを短く比べます。紙を戻して回り方も戻るかを確かめると、たまたま日がかげった影響との区別にも役立ちます。器具がなければ、練習4の条件を紙に整理する方法で十分です。

観察中は、モーターの軸や回転する部分に指や髪を近づけません。太陽を直接見たり、虫めがねで光を集めたりする必要もありません。かん電池を使う実験では両極を導線だけでつなぐショートを避け、指定された学習用器具を使います。へい列つなぎも含め、異なる種類や新旧のかん電池を混ぜず、接続は保護者と説明書で確かめます。家庭用コンセントは実験に使いません。

個別指導で理由が説明できないときは、直列とへい列の暗記に戻る前に、小3の回路を指で一周たどれるかまで戻って確かめます。そのうえで「変えた条件」「観察したこと」「そこから言えること」を分け、記述のどこに根拠を足せばよいかを一緒に整理します。

まとめ

電気の問題で理由が書けないときは、難しい言葉を増やす前に、図のどの線をたどったのか、何をそろえて比べたのかを言葉にしてみます。保護者が「どこを見てそう考えたのかな」と聞くと、お子さま自身も、まだ確かめていないところに気づけます。

回り方の予想が外れても、結果を正しく残せば次に調べる条件が見えてきます。答えを直すだけで終わらず、根拠となった極や通り道を図に残しておくと、後から自分で説明し直せます。回路の理解は、電池の個数を数えた答えではなく、極から極までたどった理由に表れます。