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技術士の過去問 平成29年度(2017年) 基礎科目「解析に関するもの」 問16

問題

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長さがL、抵抗がrの導線を複数本接続して、下図に示すような3種類の回路( a )、( b )、( c )を作製した。( a )、( b )、( c )の各回路におけるAB間の合成抵抗の大きさをそれぞれRa,Rb,Rcとするとき、Ra,Rb,Rcの大小関係として、最も適切なものはどれか。ただし、導線の接合点で付加的な抵抗は存在しないものとする。
問題文の画像
   1 .
Ra < Rb < Rc
   2 .
Ra < Rc < Rb
   3 .
Rc < Ra < Rb
   4 .
Rc < Rb < Ra
   5 .
Rb < Ra < Rc
( 技術士 第一次試験 平成29年度(2017年) 基礎科目「解析に関するもの」 問16 )
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この過去問の解説 (3件)

15
各スパンの並列合成抵抗を求め、それらの直列時の抵抗を求めることで導きます。
直列合成抵抗は R = R1 + R2 + ... 、並列合成抵抗は 1/R = 1/R1 + 1/R2 + ... で表されます。
本問題では形状に惑わされがちですが、AとBが左右に来るように横に引き伸ばして考えると分かりやすいです。

ちなみに本問題の並列合成抵抗は、
2つの並列抵抗では、1/R = 1/r + 1/r → R = r/2
3つの並列抵抗では、1/R = 1/r + 1/r + 1/r → R = r/3
4つの並列抵抗では、1/R = 1/r + 1/r + 1/r + 1/r → R = r/4
となります。

(a)
ブリッジ部分は電流が流れないので無視します。
AからAB間:2つに分岐しているため、2つの並列合成抵抗:R = r/2
AB間からB:同様に2つなので R = r/2
よって合成抵抗 Ra = r/2 + r/2 = r

(b)
Aから1/4AB間:2抵抗(r/2)
1/4AB間から1/2AB間:4抵抗(r/4)
1/2AB間から3/4AB間:4抵抗(r/4)
3/4AB間からB:2抵抗(r/2)
合成抵抗 Rb = r/2 + r/4 + r/4 + r/2 = 1.5r

(c)
Aから1/3AB間:2抵抗(r/2)
1/3AB間から2/3AB間:3抵抗(r/3)
2/3AB間からB:2抵抗(r/2)
合成抵抗 Rc = r/2 + r/3 + r/2 = 1.333...r

よって、Ra < Rc < Rb となります。

付箋メモを残すことが出来ます。
2

電気回路と抵抗に関する基礎問題となります。技術士試験ではよく問われます。この形式では、まずそれぞれの合成抵抗を求めて、その後それを小さい順に並べていきます。ここの部分でも間違えないようにしましょう。

直列合成抵抗はそれぞれの抵抗の和で表され、並列合成抵抗は、それぞれの抵抗の逆数の和が並列合成抵抗全体の逆数となる、という法則をしっかり覚えておきましょう。

長さLの導線の抵抗をrとおいて考えると、

(a) では、真ん中にはホイートストンブリッジの法則により電流は流れません。

よって、2つの抵抗からなる並列合成抵抗が2つ直列で並んでいるのと同じなので、Ra=r/2+r/2=rとなります。

(b)では、4つの抵抗からなる並列合成抵抗が2つ、2つの抵抗からなる並列合成抵抗が2つ、全部で4つの抵抗が直列で並んでいるのと同じなので、

Rb=r/4+r/4+r/2+r/2=r/2+r=3r/2=1.5rとなります。

(c)では、3つの抵抗からなる並列合成抵抗が1つ、2つの抵抗からなる並列合成抵抗が2つ、全部で3つの抵抗が直列で並んでいるのと同じなので、

Rc=r/3+r/2+r/2=4r/3=1.333・・・rとなります。

以上より、Ra<Rc<Rbとなり、正解選択肢は2.となります。

1

各区間(導線)の並列合成抵抗を求め、

それらを直列合成抵抗として求めることで導きます。

なお、

直列合成抵抗は R = R1 + R2 + ...

並列合成抵抗は 1/R = 1/R1 + 1/R2 + ...

で表されます。

本問の並列合成抵抗は、

すべて同じ抵抗の導線を接続しているため、

2つの並列抵抗では、1/R = 1/r + 1/r → R = r/2

3つの並列抵抗では、1/R = 1/r + 1/r + 1/r → R = r/3

4つの並列抵抗では、1/R = 1/r + 1/r + 1/r + 1/r → R = r/4

となります。

(a)回路

ブリッジ部分には電流が流れないので無視します。

AからAB間:

2つに分岐しているため、2つの並列合成抵抗:R = r/2

AB間からB:

同様に2つなので R = r/2

よって、合成抵抗は、Ra = r/2 + r/2 = r

(b)回路

AからBまで4つの区間があります。

Aから1/4AB間:2抵抗(r/2)

1/4AB間から1/2AB間:4抵抗(r/4)

1/2AB間から3/4AB間:4抵抗(r/4)

3/4AB間からB:2抵抗(r/2)

よって、合成抵抗は、 Rb = r/2 + r/4 + r/4 + r/2 = 1.5r

(c)回路

AからBまで3つの区間があります。

Aから1/3AB間:2抵抗(r/2)

1/3AB間から2/3AB間:3抵抗(r/3)

2/3AB間からB:2抵抗(r/2)

よって、合成抵抗は、 Rc = r/2 + r/3 + r/2 = 1.333...r

以上のことから、Ra < Rc < Rb となります。

よって、2が正解となります。

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