光軸・レンズの中心・焦点を図で見分けよう

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3段階です。前の実験では、遠くから来た光が集まる位置までを測りました。今回は作図に必要な位置と言葉を整理します。

今日の到達点は、光軸、レンズの中心、左右二つの焦点、焦点距離を図から正しく指し示し、それぞれの意味を説明することです。

知る・理解する

レンズの中心を通り、レンズ面に垂直な直線を光軸といいます。焦点は光軸上にあり、凸レンズの両側に一つずつあります。光軸に平行な光が左から入れば右の焦点へ集まり、右から入れば左の焦点へ集まります。

焦点距離はレンズの中心から焦点までで、同じ凸レンズなら左右で等しいと扱います。焦点はレンズの表面ではなく、レンズから離れた光軸上の点です。

凸レンズで光が集まるのは、レンズの上側と下側を通る光が、それぞれ曲面で屈折するためです。実際の光は入る面と出る面の二回で曲がりますが、中学校の作図ではレンズの中央でまとめて向きを変えたように描きます。

具体例で使う

焦点距離が15 cmの凸レンズなら、レンズ中心から左15 cmと右15 cmの光軸上に焦点を置きます。左から平行光を入れる問題では右の焦点、右から入れる問題では左の焦点を使います。

焦点と像は別物です。焦点はレンズ固有の基準点で、平行光の進み方を表します。像の位置は物体の位置によって変わり、次のセクションで扱います。

誤答を直して次の学びへつなげる

「焦点は光が必ず集まる像の位置」は誤りです。焦点へ集まるのは光軸に平行な入射光です。近くの物体から広がって来る光がつくる像は、焦点とは別の位置になることがあります。

次は、平行光と焦点を通る光の可逆な関係を使って、二種類の代表光線を作図します。

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。