はじめに
中学校の技術科「エネルギー変換」の授業で、生徒からいちばん質問が飛んでくるのが「電気自動車とガソリン車は何がちがうの?」という素朴な疑問ですよね。
ニュースや街中で見かける機会が増えた電気自動車やハイブリッドカーですが、いざ「エネルギー変換で説明して」と言われると、うまく整理できていない先生も多いのではないでしょうか。
この記事では、ガソリン車・電気自動車・ハイブリッドカーの3つを、これまでの授業で学んだ「化学エネルギー」「熱エネルギー」「運動エネルギー」という言葉を使って比べながら、授業でそのまま使える形に整理していきます。
モータと発電機の関係や回生ブレーキのしくみまで理解できると、生徒に「なぜ電気自動車の方が効率がいいの?」と聞かれても、自信を持って答えられるようになりますよ。
- 変換の段階のちがい：ガソリン車と電気自動車でエネルギーが変わる順番。
- ハイブリッドのしくみ：2つの動力の使い分けと回生ブレーキ。
- 効率と環境：なぜ電気自動車の方が効率がよいとされるのか。
電気自動車とハイブリッドカーの全体像
ガソリン車は燃料の化学エネルギーを熱エネルギーに変え、そこから運動エネルギーを取り出しています。
電気自動車はバッテリーの電気エネルギーを、モータで直接運動エネルギーに変えるため、変換の段階が少なくてすみます。
ハイブリッドカーはこの2つの方式を組み合わせ、状況に応じて動力を使い分けることで、燃費と快適さの両方を追い求めているんです。
- ガソリン車：化学→熱→運動という3段階のエネルギー変換。
- 電気自動車：化学→電気→運動という段階が少ない変換。
- ハイブリッド：エンジンとモータの2つの動力を状況で使い分ける。
ポイント1：電気自動車のエネルギー変換を知る
まずは、ガソリン車と電気自動車で、エネルギーがどんな順番で変わっていくのかを比べてみましょう。
電気自動車はバッテリーの電気エネルギーを、モータで直接運動エネルギーに変えるため、変換の段階が少ないのが特徴です。
この段階の少なさが、あとで説明する効率のちがいにもつながっていきます。
電気自動車のエネルギー変換を知るポイントを紹介します
ガソリン車と電気自動車の変換のちがい
ガソリン車は、燃料が持つ化学エネルギーをエンジンの中で燃やして熱エネルギーに変え、その熱の力でピストンを動かして運動エネルギーに変換しています。
つまり「化学→熱→運動」という3段階を経て、ようやく車が走る力に変わっているわけです。
一方の電気自動車は、バッテリーにためた電気エネルギーを、モータでそのまま運動エネルギーに変えて走ります。
「化学→電気→運動」という流れになり、熱をはさまない分、変換の段階がひとつ少なくなっているのが大きなちがいです。
この違いを授業で図に描いて見せると、生徒にも段階の差が視覚的に伝わりやすくなりますよ。
クイズ形式で「どちらの変換段階が多いでしょうか」と問いかけると、生徒自身の言葉で説明する練習にもなります。
身の回りの車を例に挙げながら考えさせると、抽象的な言葉だけで終わらない授業にできますよ。
モータで回転をうみだすしくみ
電気自動車の心臓部にあたるモータは、電気を流すことで生まれる磁力の力を使って回転をうみだしています。
以前の授業で学んだDCモータやステッピングモータのしくみが、そのまま電気自動車の動力としても活躍しているんです。
アクセルを踏むと、その量に応じてモータに流れる電気の量が調整され、回転の速さが変わっていきます。
ガソリン車のエンジンのように、複雑な部品が何百個も動くしくみとくらべると、モータの構造はとてもシンプルです。
部品数が少ないことは、故障の少なさや静かさにもつながっている、電気自動車ならではの強みなんですよ。
実習で小型モータを回す実験をした経験があれば、あの回転の力がそのまま車輪を回す力に置きかわっているとイメージすると伝わりやすくなります。
模型のミニ四駆やラジコンカーも同じ原理で動いているので、身近な例として紹介すると理解が深まりますよ。
バッテリーが電気をためるしくみ
電気自動車のバッテリーには、充電してくり返し使える二次電池が使われています。
使い切りの一次電池とはちがい、外から電気を送りこむことで、電気を化学エネルギーの形に変えてたくわえておくことができます。
走行中はこの化学エネルギーをふたたび電気エネルギーとして取り出し、モータへと送り出しているのです。
二次電池は充電と放電をくり返せることから、乾電池のような使い切りタイプとは根本的にちがう性質を持っています。
スマートフォンの充電池と同じ仲間の技術ですが、電気自動車ではより大きな容量が必要になるため、たくさんの電池をまとめて使っています。
生徒には「充電池のしくみが、そのまま大きくなったものが電気自動車のバッテリー」と伝えると、既習の内容とつながりやすくなります。
身近な充電池の重さと、電気自動車のバッテリーの重さを比べてみるのも、実感をともなう良い導入になりますよ。
ポイント2：ハイブリッドカーのしくみを知る
エネルギー変換のちがいが分かったところで、2つの動力を組み合わせるハイブリッドカーのしくみを見ていきましょう。
ハイブリッドカーは、ガソリンエンジンと電気モータを状況に応じて使い分けることで、燃費を良くするしくみを持っています。
とくに、ブレーキ時のエネルギーを再利用する回生ブレーキが、大きな工夫のひとつです。
ハイブリッドカーのしくみを知るポイントを紹介します
ガソリンエンジンとモータの使い分け
ハイブリッドカーは、ガソリンエンジンと電気モータの両方を積んでいる自動車のことで、走る状況に応じて2つの動力を使い分けています。
発進や低速で走るときはモータの方が得意で、静かでなめらかに動き出すことができます。
これはモータが、動き出した瞬間から大きな力を出せるという性質を持っているためです。
反対に、高速道路のように一定の速さで長く走り続けるときはエンジンの方が得意で、効率よく力を出し続けることができます。
この使い分けをコンピュータが自動で判断し、切りかえてくれているのがハイブリッドカーの賢いところです。
生徒には「街中はモータが得意、高速道路はエンジンが得意」と場面で覚えてもらうと、イメージがつかみやすくなります。
信号待ちからの発進が静かな車を見かけたら、モータで動き出している証拠だと伝えてあげてくださいね。
回生ブレーキで運動エネルギーを取り戻す
ハイブリッドカーには、ブレーキをかけるときにモータを発電機として使う「回生ブレーキ」という工夫があります。
ふつうの車のブレーキは、運動エネルギーを摩擦の熱に変えて空気中に逃がしてしまいますが、回生ブレーキでは車輪の運動エネルギーを電気エネルギーに変えて、バッテリーに充電しています。
ブレーキをかけるたびに、失われるはずだったエネルギーの一部を取り戻せるため、燃費の向上に大きく貢献しているんです。
信号の多い街中を走る場面ほど、ブレーキをかける回数が増えるため、回生ブレーキの効果を実感しやすくなります。
実習で使ったモータに手で軸を回してみると、豆電球が光ることを確認できた経験があれば、それが回生ブレーキと同じ原理だと伝えるとつながりやすいです。
「ブレーキ=むだ」ではなく「ブレーキ=充電のチャンス」という発想の転換が、この技術のおもしろさなんですよ。
モータと発電機は表裏一体
実は、モータと発電機はとてもよく似たしくみを持っていて、使い方を逆にしただけの関係になっています。
電気を流せば回転するのがモータですが、逆に外から力を加えて軸を回してあげると、電気が生まれる発電機として働くのです。
回生ブレーキは、まさにこの性質を利用していて、車輪の回転する力でモータの軸を回し、発電機として電気を作り出しています。
1つの部品が、場面によってモータにも発電機にもなるというのは、エネルギー変換の考え方を象徴するような面白いポイントです。
この関係を知っておくと、はんだづけの実習で扱ったモータの構造も、より深く理解できるようになりますよ。
授業で手回し発電機を使ったことがあれば、あれもモータと発電機が表裏一体であることを体験できる教材のひとつです。
「回すと光る、電気を流すと回る」という2つの体験を結びつけて説明すると、理解がぐっと深まりますよ。
ポイント3：効率と環境、これからの技術
最後に、エネルギー変換の効率のちがいと、環境とのつながり、これからの技術について見ていきましょう。
モータは熱としての損失が少ないため、エネルギー変換の効率で電気自動車が有利とされています。
ただし、電気をどう作ったかまで考える視点も、あわせて伝えておきたいところです。
効率と環境、これからの技術のポイントを紹介します
エネルギー変換効率のちがい
ガソリンエンジンは、燃やした熱の多くが排気ガスや冷却水を通して外へにげてしまい、実際に運動エネルギーへと変わる割合はそれほど高くありません。
いっぽうでモータは、電気から運動エネルギーへ変わるときの熱としての損失が少なく、多くの電気エネルギーをそのまま運動エネルギーに変えることができます。
この損失の少なさが、電気自動車のエネルギー変換効率が高いとされる大きな理由です。
もちろん発電所で電気をつくる段階にも損失はあるため、社会全体で見たときの効率も合わせて考える必要があります。
この考え方は、これまで学んだ効率の求め方ともつながっています。
「効率がよい=エネルギーのむだが少ない」という考え方は、これまでの授業で扱ってきた省エネ設計の話ともつながっています。
身の回りの家電と同じように、車も変換の段階が少ないほど効率がよくなることを、あらためて実感できる題材です。
環境とのつながりと充電のしくみ
電気自動車は走行中の排出ガスが少なく、環境にやさしい乗り物として紹介されることが多くあります。
ただし、車に積まれた電気そのものがどうやって作られたかによっても、環境への影響は変わってくる点に注意が必要です。
火力発電で作られた電気を使うのか、太陽光や水力といった再生可能エネルギーで作られた電気を使うのかで、全体としての環境負荷は変わります。
充電の方法にも、時間をかけてじっくり充電する普通充電と、短時間で充電できる急速充電があり、送られてきた電気エネルギーはバッテリーの中で化学エネルギーに変えられてたくわえられます。
「走っているときだけ」ではなく「電気を作るところから」考える視点を持たせると、より深い環境学習につなげることができます。
発電のしくみの授業とあわせて扱うと、単元同士のつながりも意識させやすくなりますよ。
これからのバッテリー技術
電気自動車の技術は今も進化を続けていて、なかでもバッテリーの性能を高める研究がさかんに行われています。
一度の充電で走れる距離をのばすことや、充電にかかる時間を短くすることが、大きな開発の目標になっています。
最近では、液体の代わりに固体の物質を使う全固体電池という新しい技術も研究されており、より安全で長持ちするバッテリーとして注目を集めています。
技術の進化によって、いずれ充電時間の悩みが今よりずっと小さくなる日が来るかもしれません。
教員としても、こうした最新の動きを授業のトピックとして紹介できると、生徒の興味がさらに広がりますよ。
生徒には「今学んでいるモータや電池のしくみが、これからの技術開発の土台になっている」と伝えると、単元への興味が広がります。
将来の乗り物がどう変わっていくのか、自由に予想させてみるのもよい振り返り活動になりますよ。
電気自動車を説明するときの確認リスト
電気自動車とハイブリッドカーの授業をする前に、次の点を確かめておくと、質問にもスムーズに答えられます。
変換の順番と、効率・環境の視点をあわせて確認しておくと安心です。
とくに回生ブレーキの説明は、モータと発電機の関係とセットで押さえておきましょう。
- ガソリン車と電気自動車のエネルギー変換の順番を説明できるか。
- ハイブリッドカーの2つの動力の使い分けを言えるか。
- 回生ブレーキで何が何に変わるかを説明できるか。
- モータと発電機の関係を言葉にできるか。
- 電気自動車の効率が良いとされる理由を説明できるか。
よくある質問
電気自動車とハイブリッドカーのちがいは何ですか
結論から言うと、電気自動車はバッテリーとモータだけで走る車、ハイブリッドカーはガソリンエンジンとモータの両方を積んだ車という違いがあります。
電気自動車は電気エネルギーだけを使ってモータで運動エネルギーに変えるのに対し、ハイブリッドカーは走る状況に応じてエンジンとモータを使い分けています。
そのため、電気自動車は充電が必要な場面が中心になり、ハイブリッドカーは給油をしながらモータの助けも借りて燃費を良くしている、というイメージで覚えると分かりやすいですよ。
なぜガソリン車よりエネルギー変換の効率が良いのですか
結論として、電気自動車の方が変換の段階が少なく、熱として逃げてしまうエネルギーの損失が小さいためです。
ガソリン車は燃料を燃やして熱エネルギーに変え、そこから運動エネルギーを取り出すため、どうしても多くの熱が排気やエンジンの冷却で外へ逃げてしまいます。
電気自動車はバッテリーの電気エネルギーをモータで直接運動エネルギーに変えるため、この熱としての損失が少なく、効率よくエネルギーを使うことができるのです。
この考え方は、ガソリン車のエンジンと電気自動車のモータを比べる授業でも、そのまま使える説明です。
回生ブレーキはどんなときにはたらいていますか
結論から言うと、回生ブレーキはアクセルを離したときや、ブレーキペダルを踏んで速度を落とすときにはたらいています。
このとき車輪の回転する力でモータの軸を回し、発電機としてはたらかせることで、運動エネルギーを電気エネルギーに変えてバッテリーに充電しています。
信号待ちの多い街中や、下り坂を走るときなど、ブレーキを使う場面が多いほど回生ブレーキの効果を実感しやすく、燃費の向上につながっているんですよ。
実習で使ったモータの実験を思い出しながら説明すると、生徒にもイメージが伝わりやすくなりますよ。
おわりに
電気自動車とハイブリッドカーは、これまでの授業で学んだ「エネルギー変換」の考え方が、そのまま身近な乗り物の中で生きている良い教材です。
変換の段階の少なさ、モータと発電機の表裏一体の関係、回生ブレーキの工夫を押さえておけば、生徒からの質問にも自信を持って答えられるはずです。
ぜひ次の授業で、通学路や街中で見かけた車を題材に、エネルギー変換の順番を一緒に考えてみてくださいね。
ご視聴ありがとうございました。
この記事の内容を動画でも解説しています。
ぜひご覧ください。
中学技術2年【電気自動車とハイブリッド】ガソリン車とのエネルギー変換のちがいをわかりやすく解説
