平行光線と焦点を通る光線を作図しよう

このレッスンの役割

「凸レンズの焦点と光の進み方」セクションの第4段階です。前のレッスンで、光軸と左右の焦点を図へ置けるようになりました。今回はその位置を使い、二種類の代表的な光線を作図します。

今日完成させる力は、「光軸に平行な入射光」と「手前の焦点を通る入射光」を見分け、レンズ通過後の光路を描くことです。

知る・理解する

左から光が来る場合、次の二つを使います。

二つは光路の可逆性でつながっています。光は同じ道筋を逆向きにも進めるため、平行光→焦点を逆にたどれば、焦点→平行光になります。

作図では、光の進む向きを最初に矢印で確認します。「手前」と「反対側」は紙の左・右で暗記せず、入射光が来る側と出る側で決めます。図が左右反転しても同じ規則を使えます。

具体例で使う

光が右から左へ進む図なら、右側が手前、左側が反対側です。光軸に平行な入射光は、レンズを通ったあと左の焦点を通ります。右の焦点を使うと、光の進行方向と規則が合いません。

逆に、右の焦点を通ってレンズへ入る光は、通過後に左向きで光軸と平行になります。作図後は、逆向きにたどってももう一方の規則になるか確認できます。

誤答を直して次の学びへつなげる

「平行」とは紙の横向きではなく、光軸に平行という意味です。光軸が斜めなら代表光線も斜めになります。また、平行光が通るのは入射側でなく反対側の焦点です。

次はレンズの中心を通る代表光線を加え、入射光の形から三つの規則を選び分けます。

自分で確かめよう

クイズと理解チェックは、アプリで挑戦できます。