焦点の外側にある物体の実像を作図しよう

このレッスンの役割

前の実験で得た「物体位置によって像の位置と大きさが変わる」という結果を、代表光線で説明します。ここでは物体が焦点より外側にある場合に絞り、実像ができる三つの範囲を整理します。

知る・理解する

物体の先端から出る光のうち、次の二本を作図すれば像の先端を決められます。

1. 光軸に平行な光：レンズを通った後、反対側の焦点を通る。
2. レンズの中心を通る光：そのまま直進する。

二本の光が実際に交わる点が像の先端です。そこから光軸へ垂直に線を引くと、像全体の向きと大きさが分かります。光が実際に集まってできる像を実像といい、スクリーンに映せます。

物体の位置を焦点距離 f の2倍である2Fと比べると、次のようになります。

この表は丸暗記するものではありません。作図で二本の交点を動かせば、どの結果も再現できます。

具体例で使う

焦点距離が10 cmなら2Fは20 cmです。物体距離が30 cmなら物体は2Fより外側にあるので、像は反対側の10 cmと20 cmの間にでき、小さな倒立実像になります。

物体距離を15 cmに変えると、物体はFと2Fの間です。平行光線は反対側のFを通り、中心を通る光線との交点は2Fより外へ移ります。交点が光軸から遠くなるため、像は大きくなります。

誤答を直して次の学びへつなげる

「実像は焦点にできる」と決めつけないでください。焦点を通るのは代表光線の一本であり、像は複数の光線が交わる場所にできます。

「物体と同じ向きに描く」という誤りもよくあります。物体の先端から出た光が光軸の反対側で交わるため、像の先端は下側に来ます。したがって実像は倒立です。次のレッスンでは、物体を焦点上、さらに焦点内へ移したときに何が変わるかを調べます。

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。