中1物理【凸レンズの作図】

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1.凸レンズとは

■凸レンズ

真ん中がふくらんでいるレンズ。虫眼鏡やルーペに使われている。

虫眼鏡やルーペで使われるような、真ん中がふくらんでいるレンズを

凸レンズ(とつレンズ)

といいます。

材質はガラスやプラスチックのものが多いです。

断面のようすは下の図みたいな感じ。

ガラスやプラスチックでできているので、光が凸レンズに入ると(入射すると)屈折します。

レンズ内部を通った光は再び外に出るときに屈折します。

つまりレンズに入るときと出るときの2回、屈折が起きています。(↓の図)

ですが、毎回これを作図しては面倒です。

作図の際はこれを1回の屈折とみなしてしまいます。

2.焦点

■焦点

軸に平行な光が凸レンズに入射したとき、光が集まる点。

■焦点距離

凸レンズの中心から焦点までの距離。

※厚いレンズほど焦点距離は短く、うすいレンズほど焦点距離は長い。

凸レンズの中心を通る真横の直線を「軸(じく)」と言います。

この軸に平行な光を凸レンズに入射させると・・・(下図)

必ずある1点を通るように屈折します。

この点を焦点(しょうてん)と言います。(↓の図)

凸レンズの左右に1個ずつ、合計2個あります。

凸レンズの中心から焦点までの距離を焦点距離と言います。

凸レンズは虫眼鏡で使われています。

小さい頃、虫眼鏡を使って黒い紙をこがしたことはありますか?

黒い紙をこがしたときっていうのは、太陽光が屈折した光が紙に集まっています。

つまり黒い紙は焦点のところにあって、太陽光が集中しているんです。

それでこげてしまう。だから「焦げる点」と書いて焦点です。

POINT!!

焦点・・・軸に平行な光が入射したときに通る点※「光が集まる点」ではなく「軸に平行な光が集まる点」!

ということを必ず覚えておきましょう。

3.凸レンズの作図(実像)

■実像

実際に光が集まってできる像のこと。

凸レンズの場合、物体と上下左右逆にできる。

凸レンズのそばにろうそくを置いたとして、どのような実像ができるかを作図しましょう。

ろうそくの炎からは360度、あらゆる方向に光が発せられています。

このうち、凸レンズに入射した光は↓の図のように屈折します。

図のように、光が1点で集まります。

このように

焦点の外側に置かれた物体から出た光は、凸レンズを通って1点に集まる

のです。

ろうそくから出た光のうち、何本かピックアップしましょう。(↓の図)

作図のときにはこの光が集まる場所を探すのが目的です。

ふつう作図では以下の3本の光の進み方だけを考えます。

その3本をつかって「光が集まる場所」を探します。

この3本の進み方をまとめます。

①軸に平行な光…奥の焦点を通る。

②レンズの中心を通る光…そのまま直進。


③手前の焦点を通る光…軸に平行に進む。

この3つの光の進み方を覚えておきましょう。

実際に実像の作図を行う

先ほどの①~③の直線を作図すると以下のようになります。

光が1点で集まります。

この場所にスクリーンを置けば、炎の像が映し出されます。

このように光が集まってできる像を実像と言います。

実像はもとの物体と上下左右が逆さまになっています。

ちなみに作図は3本使わなくても2本だけで可能です。

実際のテストのときは2本で作図して時間を短縮しましょう。

ただし残り1本も出題されないわけではありませんので、忘れることが無いように。

POINT!!

凸レンズは光を集める性質がある。

→ 作図に使う3本線のうち2本を使って、光が集まる場所を探す。

→ 光が集まる場所に実像ができる。

4.凸レンズの作図(虚像)

■虚像

実際にそこには何もないが、まるでそこにあるかのように見える像。

焦点に物体を置いたときの作図

焦点上に物体がおいたときの作図をやってみましょう。

①軸に平行な光…奥の焦点を通る。

②レンズの中心を通る光…そのまま直進。

この2本の光で作図ができますね。

そして作図してみると…

この2本の光は平行になってしまいます。

ということは光が集まらないので、実像はできません

焦点より内側に物体を置いたときの作図(虚像)

焦点よりも凸レンズに近いところにろうそくを置いたとしましょう。

①軸に平行な光…奥の焦点を通る。

②レンズの中心を通る光…そのまま直進。

この2本の光で作図を行います。

今度も光が集まりません。

つまり実像はできません。

ここで少し考え方を変えます。

この光を人間が目でとらえたとしたら・・・

人間の目は、光が直進してきたものだととらえます。

だから、これらの光もまっすぐ来たかのように思ってしまいます。

これらの光は左側に延長したところから来たように見えます。(↓の図)

このとき、点線の交点の部分にろうそくの炎があるように見えます。

ろうそくがまるで拡大されたかのように見えてしまいます。(↓の図)

このように「まるでそこにあるかのように見える像(実際には何も存在しない)」を虚像と言います。

上の作図でできるような虚像は、ろうそく(物体)より大きく、向きはもとのろうそく(物体)と同じです。

■実像と虚像まとめ

①実像とは

光が実際に集まってできる。

凸レンズ1枚の場合、向きは元の物体と上下左右が反対向き。

②虚像とは

まるで物体がそこにあるかのように見える像。

光が集まっているわけではない。

凸レンズ1枚の場合、元の物体より大きく、向きは元の物体と同じ向き。

※より実像の詳しい説明については→【凸レンズの実像の位置】←を参考に。

POINT!!

人間の目は光が直進してきたように感じる。

→ 目が受け取った光を逆向きに延長すると、虚像の位置がわかる

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