未知の凸レンズで焦点と代表光線を判断しよう

このレッスンの役割

「凸レンズの焦点と光の進み方」セクションの最終レッスンです。ここまでに、焦点距離の測定、光軸・焦点の意味、三つの代表光線を学びました。今回は未知のレンズや一部が欠けた図で、どの知識を使うか選びます。

今日の到達点は、平行な入射光と出射光の交点から焦点を見つけ、光路の可逆性を使って欠けた線を補うことです。

知る・理解する

焦点位置が書かれていない実験図でも、光軸に平行な複数の光がレンズ通過後に交わる点を探せば、反対側の焦点を決められます。レンズ中心からその点までが焦点距離です。同じ距離を反対側へ取れば、もう一つの焦点も置けます。

問題を解く順序は次の通りです。

1. 光の矢印から入射側と出射側を決める。
2. 光軸とレンズ中心を確認する。
3. 入射光が平行・手前焦点通過・中心通過のどれかを見る。
4. 対応する規則で欠けた線を補う。
5. 逆向きにたどっても同じ光路になるか確かめる。

具体例で使う

二つの凸レンズA・Bへ同じ平行光を当て、Aは中心から10 cm、Bは20 cm先で集まったとします。Aの焦点距離は10 cm、Bは20 cmです。Aの方が光の向きを大きく変えています。

出射光が光軸に平行で、入射光側だけ欠けているなら、光路の可逆性から、入射光は手前の焦点を通るように描きます。結果だけでなく「平行に出るから手前焦点を通る」を理由にします。

誤答を直して次の学びへつなげる

平行光の交点をすぐ「像」と呼ぶのは早すぎます。ここで決めているのは焦点です。像は物体の各点から出た複数の光が交わる位置で、物体距離によって変わります。

次の「実像・虚像と物体の位置」では、今回の代表光線を二本以上組み合わせ、物体の位置を変えたときの像の向き・大きさ・位置を判断します。

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。