【小6理科】電気の利用を図解で総まとめ—発電・ちく電・光 音 熱への変化・プログラムで制御｜武蔵野個別指導塾

手回し発電機とコンデンサーの役割を図で整理し、点灯時間を比べる例題やセンサーの条件を読む問題で、電気をつくる・ためる・使う仕組みを確かめましょう。

よくあるのは、放課後の廊下の掲示板の前で、電気の学習ポスターを見たお子さまが「人が来るとつく照明は、人が電気をつくっているのかな」と立ち止まる場面です。照明がつくきっかけと、照明を光らせる電気のもとを、ひと続きの出来事として考えているのです。そこで「電気はどこから来るのか」「いつつけると決めるのか」を別々にたどると、仕組みが見えてきます。

小6の電気の利用では、電気をつくること、ためること、光や音などに変えることを学びます。さらに、明るさや人の動きを調べるセンサーと、命令の順序や条件を決めるプログラムを組み合わせて、必要なときに電気を使う工夫を考えます。道具の名前を覚えるだけでなく、実験の条件や記録を根拠に説明することが目標です。家庭で教えるときにも、「何のための電気か」を最初に確かめると、節電と単なる消灯の違いを話しやすくなります。

この単元で身につけること

• 発電を説明できます。手回し発電機では、ハンドルを回す運動によって電気をつくります。電池がなくても、発電して電気を利用できることを押さえます。
• ちく電と発電を区別できます。コンデンサーは電気をためる器具です。発電機から電気をためた後で、別の器具を動かすことができます。
• 電気の変かんを見つけられます。照明の光、ブザーの音、電熱器の熱、モーターの運動のように、電気を何に変えて利用しているかを説明します。
• 比べる実験の条件をそろえられます。器具だけを変えて比べるなら、最初にためる電気の量や、時間を測る決まりをそろえる必要があります。
• センサーとプログラムの役割を分けられます。センサーが調べた情報を使い、プログラムで定めた条件にしたがって照明などを動かします。

前の学年で学んだ回路や電流、電磁石のはたらきが、この単元の土台です。回路が切れると器具が動かないことを思い出すと、スイッチの役割も説明できます。小6では、その回路をいつつなぎ、何の目的に使うかまで考えを広げます。

基本の考え方

電気をつくることと、ためること

電気をつくることを発電といいます。手回し発電機は、ハンドルを手で回すことによって発電する器具です。実験用のモーターなどを正しくつなぐと、ハンドルを回している間、その器具を動かすことができます。手の運動が、電気を通して別の場所の運動に変わったと考えられます。

手回し発電機を回すのをやめると、発電機だけから電気を受け取っていた器具は、基本的にははたらかなくなります。回転していたモーターが少しの間回り続けることはありますが、それだけで発電機が電気をためていたとはいえません。「電気をつくる道具」と「電気をためる道具」の役割を区別することが必要です。

電気をためることをちく電といいます。この単元で使うコンデンサーは、電気をため、後で取り出して使える器具です。学校の実験では、手回し発電機につないで電気をため、発電機から外した後、豆電球などにつなぎかえて様子を調べます。発電機を回していないのに豆電球がつけば、先ほどためた電気を使っていると考えられます。

ただし、コンデンサーは電気を無限に取り出せる器具ではありません。ためた電気を使っていくと、豆電球はやがてつかなくなります。この結果は、「電気がなくても光った」のではなく、「先にためておいた電気を使った」と説明します。かん電池も電気を取り出せますが、手回し発電機で普通のかん電池に電気をためる実験はしません。名前や見た目が似ている器具でも、同じように扱えるとは限らないためです。

図1のように、電気の道筋を「つくる」「ためる」「使う」に分けると、各器具の役割が整理できます。図の矢印は電気を利用する流れを示しており、導線のつなぎ方を表す回路図ではありません。発電した電気を直接使う場合もあるので、いつもコンデンサーを通すわけではありません。

器具をつなぐ実験は、先生の指示のもとで、組み合わせの合った実験用器具を使います。手回し発電機はむやみに速く回さず、指定の速さや向きを守ります。コンデンサーの＋と−を確かめ、両端を導線だけで直接つながないことも必要です。家庭ではコンセントを使った実験や、電気製品を分解する確かめ方はしません。

電気は光・音・熱・運動に変えて使います

電気そのものは目で見えませんが、器具のはたらきから、電気が使われていることを確かめられます。豆電球や発光ダイオードは電気を光に、ブザーやスピーカーは音に、電熱器は熱に、モーターは運動に変えます。発光ダイオードはLEDとも呼ばれます。LEDを実験で使うときは、電流を流す向きなどに決まりがあるので、実験用器具の説明にしたがいます。

道具によっては、いくつかの変化が同時に起こります。豆電球は光るだけでなく、熱も出します。扇風機ではモーターが回って羽根を動かし、風を起こしますが、音も出ます。何に変わったかを問う問題では、問題文が「主な目的」を聞いているのか、「起こった変化すべて」を聞いているのかを読み分けましょう。音がしたからといって、扇風機の主な目的が音を出すことになるわけではありません。

電気の有効利用とは、目的をかなえるために、電気をむだなく使うことです。部屋を明るくしたいときには、必要な明るさを得られることが前提になります。少ない電気で光る器具を選ぶ工夫と、人がいないときには消す工夫は、どちらも有効利用につながります。一方、必要なときまで照明を消して見えにくくしてしまう方法では、照明を使う目的を満たせません。

LEDと豆電球について、同じ量の電気をためて点灯時間を比べる実験があります。このときLEDのほうが長くついていたら、その実験条件では、LEDはより長い間光として利用できたと読み取ります。ただし、点灯時間だけで明るさまで同じだったとは判断できません。同じ明るさを保つのに必要な電気を比べたいなら、明るさの条件も確かめる必要があります。

センサーの情報をプログラムで使います

センサーは、明るさや温度、人の動きなどを調べるための装置です。明るさを調べるセンサーなら、周りが明るいか暗いかを判断するための情報を得られます。センサーは情報を得る役割をもち、照明を動かす電気をつくる役割とは分けて考えます。

プログラムは、機器をどのような順序や条件で動かすかを命令として表したものです。例えば「暗いときにつけ、明るいときには消す」という決まりをつくれます。さらに、人の動きを調べるセンサーを組み合わせれば、「暗く、しかも人を検知したときだけつける」という決まりにもできます。どんなときに消すかまで決めると、動作をはっきり説明できます。

周りの様子は変わるので、一度調べて終わりにするのではなく、情報を読み取る動作をくり返すことも必要です。「調べる」「条件に合うか判断する」「つける、または消す」という流れを何度も行うことで、人が来たり周りが明るくなったりした変化に対応できます。実際の照明にはすぐには消えないものもありますが、問題を解くときは、示されたプログラムの決まりにしたがって考えます。

例題で解き方を確かめる

例題1　発電機を外した後に光る理由

学校で、手回し発電機をコンデンサーにつないでハンドルを回しました。その後、発電機を外し、コンデンサーに実験用の豆電球をつなぐと、しばらく光りました。このとき電気をつくった器具と、電気をためた器具をそれぞれ答え、豆電球が光った理由を説明しましょう。

1. 操作を時間の順に並べます。「ハンドルを回す」「発電機を外す」「豆電球につなぐ」の順です。光った時点で何がつながっていたかを区別するためです。
2. 器具の役割を当てはめます。電気をつくったのは手回し発電機、ためたのはコンデンサーです。どちらも電気に関わりますが、していることは異なります。
3. 光った時点の電気のもとを考えます。発電機は外してあるので、その瞬間に発電しているのではありません。コンデンサーにためておいた電気を使っています。

答え：つくった器具は手回し発電機、ためた器具はコンデンサーで、ためておいた電気を光に変えたため豆電球が光りました。

「コンデンサーが電気をつくった」と書くと、操作の前半が説明できません。記述するときは、「発電機でつくった」「コンデンサーにためた」「豆電球で使った」のように、器具と動作を組にすると整理できます。

例題2　点灯時間の記録を比べる

先生が、同じ量の電気をコンデンサーにためた状態から、それぞれの器具をつなぎ、光り始めてからつかなくなるまでの時間を調べました。この問題では、次の記録が得られたものとして考えます。ためた電気を比べる条件や、つかなくなったと判断する決まりは、あらかじめそろえてあります。

LEDの点灯時間は豆電球の何倍ですか。また、何秒長くつきましたか。図2は、この記録を同じ目盛りで表した棒グラフです。横の長さが点灯時間を表しています。

1. 何をもとにして比べるかを決めます。「豆電球の何倍」なので、もとにする時間は40 秒です。比較の向きを逆にしないため、先にこの時間を確かめます。
2. 倍を求めます。120 ÷ 40 ＝ 3 なので、LEDの点灯時間は3 倍です。図2でもLEDの棒は豆電球の棒の3 倍の長さになっています。
3. 長かった時間を求めます。120 − 40 ＝ 80 なので、80 秒長くついています。「何倍」と「何秒長いか」では、計算の意味が異なります。
4. 結果からいえる範囲を確かめます。この記録ではLEDのほうが長く点灯しました。ただし、ほかの器具でも必ず3 倍になる、明るさも同じだった、とまではいえません。

答え：LEDの点灯時間は豆電球の3 倍で、80 秒長くつきました。

グラフを見たときも、最初に横軸の項目と単位を読みます。この棒の長さは明るさや、最初にためた電気の量を表すものではありません。数値を正しく計算できても、何を測った値かがずれると、実験の結論は変わってしまいます。

例題3　比べるためにそろえる条件

豆電球とLEDの点灯時間の違いを調べます。計画Aは、同じ量の電気をためた状態から器具だけを変えて比べます。計画Bは、豆電球には少ない量、LEDには多い量の電気をためた状態から比べます。どちらの計画が適切ですか。時間を測るときにそろえる決まりも答えましょう。

1. 調べたいことを短く書きます。「つなぐ器具による点灯時間の違い」です。調べたい条件がはっきりすると、変えてよい条件も決まります。
2. 変える条件を探します。ここでは、つなぐ器具を豆電球とLEDで変えます。最初にためた電気の量まで変えると、時間の違いの原因を分けられません。
3. 時間を測る始めと終わりをそろえます。どちらも、つないで光り始めたときから、つかなくなったと判断したときまでとします。終わりの判断がばらばらだと、器具の違い以外が記録に入り込むためです。

答え：計画Aが適切で、時間を測り始める時点と、つかなくなったと判断する決まりをそろえます。

実際の実験では、同じコンデンサーを使い、前に残った電気の扱いを含め、先生が決めた同じ手順で電気をためます。ハンドルを回した回数だけが同じでも、回す速さや最初の状態が違えば、ためた電気の量がそろったとは限りません。記録には「回数を同じにした」だけでなく、どのような手順で条件をそろえたかを書くと、比較の意味が明確になります。

例題4　照明がつく条件を読む

ある模型の照明は、「周りが暗い」ことと「人を検知した」ことの両方が成り立つときだけつきます。それ以外のときは消えます。状態アは暗くて人を検知、状態イは明るくて人を検知、状態ウは暗くて人を検知しない状態です。照明がつくのはどれですか。

1. 条件を別々に書きます。「暗い」と「人を検知した」です。両方が必要なため、片方だけを見て答えないようにします。
2. 各状態を条件と照らし合わせます。アは両方に当てはまります。イは暗さの条件に合わず、ウは人を検知する条件に合いません。
3. 条件に合わないときの命令を確かめます。この問題では「消す」と決まっています。前に照明がついていたとしても、次の判断で条件に合わなければ消します。

答え：照明がつくのは状態アだけです。

暗い場所でも人がいない間は消すので、つけ続ける時間を減らせます。ただし、この仕組みがどの場所にも適するとは限りません。照明が必要な場面を考え、その目的に合う条件を設定することが、有効利用の出発点になります。

つまずきやすいところと直し方

発電とちく電を同じはたらきにする

誤った書き方 → 「コンデンサーは、ハンドルを回さなくても電気をつくり続けます。」

どこが違うか → コンデンサーがしているのは、先にためた電気を取り出して使えるようにすることです。ためる操作をせずに、いつまでも電気を取り出せるわけではありません。豆電球がついた場面だけを見ると、発電しているように感じますが、その前の操作を含めて考える必要があります。

正しい書き方 → 「コンデンサーには電気をためることができ、ためた電気を後で使えます。」

直すときは、実験の記録を前半と後半に分けます。前半で電気がどこから来たか、後半でどこにたまっていた電気を使ったかを、器具名を入れて説明しましょう。「電気をためた後」という言葉が加わるだけで、時間の順序も正しく伝わります。

長く光ったことから、すべてを決めつける

誤った書き方 → 「LEDは必ず豆電球の3 倍の時間つくので、どんなときも明るさが同じです。」

どこが違うか → 例題2の3 倍は、その問題に示された記録から求めた値です。器具や条件が変われば点灯時間も変わります。また、測ったのは時間であって、明るさではありません。長くついたという観察から、測っていないことまで結論に足しています。

正しい書き方 → 「この実験では、同じ量の電気をためた状態から比べると、LEDは豆電球の3 倍の時間つきました。」

直すときは、文の頭に「この実験では」を置き、何をそろえ、何を測ったかを続けます。明るさについて聞かれたら、「この時間の記録だけでは判断できません」と答えます。わからない範囲を切り分けることも、観察を正確に読む力です。

センサーが調べることと、命令の条件を混ぜる

誤った書き方 → 「人を検知したので、明るいときでも必ず照明がつきます。」

どこが違うか → センサーが人を検知しても、プログラムに暗さの条件が含まれていれば、その条件も必要です。センサーの情報と、情報を使って決める動作を、同じこととして扱ってしまっています。

正しい書き方 → 「このプログラムでは、暗く、しかも人を検知したときだけ照明がつきます。」

図3のように、情報を読み取り、条件に合うかで道を分け、その後また情報を読み取る流れにすると、判断の抜けが見つけやすくなります。図では、条件をひし形に、動作を四角にして区別しています。「はい」は両方の条件が成り立つ場合で、「いいえ」は少なくとも片方が成り立たない場合です。

図3で「つける」道だけを残すと、どの条件で消すのかが示されません。プログラムを読むときは、つく場面だけでなく、明るくなった後や人を検知しなくなった後もたどりましょう。実際の人感センサーには検知できる範囲などの特徴がありますが、この図では問題に示した「人を検知したか」という情報を使って判断します。

練習問題

練習1

手回し発電機でコンデンサーに電気をためました。発電機を外してから実験用のブザーにつなぐと、音が鳴りました。電気をためていた器具の名前と、ブザーで電気が主に何に変わったかを答えましょう。「つくる」「ためる」「使う」のどの場面を聞かれているかも確かめます。

練習2

同じ量の電気をコンデンサーにため、器具を変えて点灯時間を測りました。この問題の記録では、豆電球が30 秒、LEDが90 秒つきました。LEDは豆電球の何倍の時間つき、何秒長くつきましたか。この記録だけで、両方の明るさが同じだったといえるかも答えましょう。

練習3

点灯時間を比べる実験で、豆電球には電気が少し残っているコンデンサーを使い、LEDには電気が残っていないコンデンサーを使いました。その後は同じ回数だけ発電機のハンドルを回しています。「回数が同じだから、最初にためた電気の量は同じ」といってよいですか。そろえるべき条件を挙げて答えましょう。

練習4

「暗く、しかも人を検知したときだけつけ、それ以外は消す」というプログラムです。状態Aは明るく人を検知しない、Bは明るく人を検知、Cは暗く人を検知しない、Dは暗く人を検知する状態です。それぞれで照明がつくか消えるかを答えましょう。また、Dの後にCへ変わり、次の判断をしたときの動作も答えます。

答えと解説

練習1の答え：器具はコンデンサーで、ブザーでは電気が主に音に変わりました。発電機が外れた後に音が鳴ったのは、コンデンサーにためた電気を使ったためです。音が鳴ったことから、コンデンサーが発電したと説明しないようにします。

練習2の答え：3 倍の時間つき、60 秒長くつきました。90 ÷ 30 ＝ 3、90 − 30 ＝ 60 と計算します。明るさが同じだったかは、この記録だけでは判断できません。時間を比較する計算の答えと、明るさについていえることを分けて書きましょう。

練習3の答え：同じ量とはいえません。電気をためる前のコンデンサーの状態や、発電機を回す速さなどもそろえる必要があります。始めに残っている電気が違うため、回した回数だけではそろえたことになりません。学校では、器具の組み合わせと先生の決めた手順を守って比べます。

練習4の答え：A・B・Cでは消え、Dではつきます。Dの後にCへ変わった場合は、次の判断で消します。暗いという条件は成り立っていても、人を検知する条件が成り立たなくなるためです。以前ついていたことよりも、その時点の情報と命令を使って判断します。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

電気をつくって利用する学習は、人の生活と環境の関わりを考える土台になります。電気を使う目的を確かめ、必要なはたらきを保ちながら使う量を減らす考え方は、家庭の道具やまちの設備を見るときにも役立ちます。また、変える条件を決めて比べる方法は、電気以外の実験にも共通しています。

家庭では、保護者が付き添い、次のどちらかを5 分ほどで確かめてみましょう。1 つ目は、家にある電気製品を外から見て、「主に光・音・熱・運動のどれに変えているか」を話す方法です。動かしたり分解したりする必要はありません。照明と扇風機のように目的の違う道具を選び、意図しない音や熱が出る場合も、主な目的とは分けて説明します。

2 つ目は、紙に「明るい・暗い」と「人を検知する・しない」の組み合わせを書き、例題4の照明がつくかを親子で判断する方法です。保護者が状態を読み、お子さまが「両方の条件がそろっているから」と理由を添えて答えます。実物のセンサーを用意しなくても、条件を読み取る練習ができます。

個別指導で説明が止まった場合は、まず「回路がつながると器具がはたらく」というところへ戻って確かめます。そのうえで、電気のもと、器具の変化、動作を決める条件を別々に尋ねると、どこで考えが混ざったかを見つけやすくなります。

まとめ

掲示板の照明を見て「人が来たからついた」といえたら、次は電気のもとと、つける判断を分けて説明してみましょう。発電機、コンデンサー、照明、センサーは、電気の利用の中でそれぞれ異なる役割を担っています。実験の答えを書くときも、器具名だけで終わらず、何をそろえて何が起きたかまでつなげると、説明の根拠がはっきりします。

電気の有効利用を決めるのは、消した時間の長さだけでなく、必要なはたらきを保てたかどうかです。