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凸レンズ・実像・虚像が読むだけでわかる!

このページを読むと

凸レンズについて

凸レンズの用語

虚像と実像の作図

 

を学べるよ!中学の学習にとても役立つよ!

 


また、このページは中1理科の光の学習の3ページ目だよ!

 

①光の直進と反射

②光の屈折

③凸レンズ・実像・虚像の作図←今ここ

 

すべてのページを読むと光の学習が完璧になるよ!

 

ぜひチャレンジしてね☆

 


 

みなさんこんにちは、このサイトを作っている「さわにい」といいます。

中学理科の教育を仕事としていて、ネットでも理科の苦手分野を無くす手伝いができればと考え、このサイトを作っています。よろしくです!

 

どうも。ねこ吉です。

それでは学習スタート!

 


1.凸レンズで出来ること

では凸レンズ(とつレンズ)の勉強を始めていこう!
先生!凸レンズって何ですか?
凸レンズっていうのは、真ん中がふくらんだレンズ(ガラス)のことだよ。
凸レンズ-1
虫眼鏡に使われているのが凸レンズだね。
(普通の眼鏡は違うよ。)

凸レンズを使うと次の3つのことが出来るんだよ。
凸レンズで出来ること。
①近くのものが大きく見える。
(後で学習するけど虚像というよ。)
凸レンズのはたらき①
②遠くのものが逆さまに見える。
凸レンズのはたらき②
③光をレンズの反対側に映すことができる。
(後で学習するけど実像というよ。)
凸レンズのはたらき③
(↑見にくくてごめん。天井の丸い蛍光灯が映ってるんだ。)
へー。凸レンズ(虫眼鏡)っていろいろ出来るんだね。
ほんとだね☆

2.凸レンズの用語

次に凸レンズの勉強に必要な用語の確認をするよ。どれも大切な言葉だから覚えてね。
まず、凸レンズに真横から光を当てると、光が集まる点があるんだ。この光が集まる点を焦点(しょうてん)というよ。
そして、凸レンズから焦点までの距離を焦点距離というんだ。
焦点
大切な用語だからしっかりと覚えてね。

もちろん反対側から光を当てると、逆側の焦点に光が集まるよ。
焦点②
焦点」と「焦点距離」だね。覚えたよ☆
OK。素晴らしい。動画ものせておくね。(5秒くらい)

3.凸レンズに当たった光の進み方

次に「凸レンズに当たった光の進み方の決まり」を説明するよ。
全部で3パターンあるからしっかりと覚えてね。
特に①と②は作図に使う最高に大切なものだよ。

凸レンズに当たった光の進み方①
凸レンズに真横から当たった光は、焦点を通るように進む。
凸レンズ焦点平行光線①凸レンズ焦点平行光線②
上の2つの図を見てごらん。凸レンズに真横から当たった光(難しく言うと「光軸に平行な光」)は焦点を通るように曲がっているね。
真横から来た光は焦点へこれが1つめのパターンだよ。
下にもう2つ例をのせておくね。
凸レンズ平行光線③凸レンズ平行光線④
パターン①「真横から焦点。」解☆

凸レンズに当たった光の進み方②
凸レンズの中心を通る光は直進する。
凸レンズ中心を通る光線凸レンズ中心を通る光線②
パターン2つ目は「凸レンズの中心を通る光」だよ。中心を通る場合は光は曲がらずに直進するんだ。
中心を通る光はまっすぐ。これが2つめのパターンだよ。
下にもう2つ例をのせておくね。
凸レンズ中心を通る光線③凸レンズ中心を通る光線④
パターン②「中心はまっすぐ。」解☆

凸レンズに当たった光の進み方③
焦点を通過して凸レンズに当たった光は、真横に進む。
凸レンズ焦点を通った光線凸レンズ焦点を通った光線②
パターン3つ目は「焦点を通過して凸レンズに当たった光」だよ。この光は真横(光軸に平行)に進むようになるんだ。
焦点を通過した光は真横にこれが3つめのパターンだよ。
ただ、このパターン③は作図には必要ないから、そこまで重要ではないよ。
光の進み方も、「パターン①の反対」だしね。
だけど教科書や参考書には載っているので、覚えておこう!
パターン③「焦点を通過すると真横に。」解☆

これらが「凸レンズに当たった光の進み方の決まり」の3パターンだよ。
最後にもう一度まとめておくね。
①凸レンズに真横から当たった光は、焦点を通るように進む。
凸レンズ焦点平行光線①凸レンズ焦点平行光線②

②凸レンズの中心を通る光は直進する。
凸レンズ中心を通る光線凸レンズ中心を通る光線②

③焦点を通過して凸レンズに当たった光は、真横に進む。
凸レンズ焦点を通った光線凸レンズ焦点を通った光線②
繰り返しになるけど、①、②は作図で使う最重要な線だよ。
必ず覚えてね!
では作図の問題に進もう☆

4.凸レンズによってできる像

最後に「凸レンズによってできる像」の説明だよ。
テストでも最もよく出るところだね。
実験の様子も動画にしたよ。
少し見にくいけど、3つだけ動画で理解してね!
①ろうそくに火をつけると、レンズの逆側に上下左右逆向きの像ができる。
②ろうそくがレンズから遠いときは小さい像ができる。
③ろうそくをレンズに近づけると大きい像ができる。
(動画は40秒くらいだよ。)

 


実験の様子が何となくわかったかな?
まあ、何となく。笑
何となくでいいよ。笑
さて、この実験がテストに出るときには、作図の問題がとても多いんだ。
今移っていた、逆さまの像を作図するんだね。
ここでは作図の仕方をしっかりと覚えよう。
苦手な人もいるかもしれないけど難しくないよ!

①物体が焦点距離の2倍より遠いときの作図

焦点距離の2倍より遠い
まずは「焦点距離の2倍(緑の点)」より遠い位置にあるときに物体があるときの作図だよ。
物体はここではで説明するけど、テストではろうそくや、アルファベットなど様々な形の物体が出題されるよ。

物体の形はどんな形でも、作図の仕方は同じだから心配しないでね。


では作図の仕方を説明するね。
作図は下の①~③をするだけで完成だよ。

真横から来た光は焦点へ」の線を引く。

凸レンズ焦点平行光線①

②「中心を通る光はまっすぐ。」の線を引く。

凸レンズ中心を通る光線

③「①」と「②」の線が交わったところに逆さまの像を書く。

この①~③をするだけで作図はOKなんだ。
うーん。やってみないと分からない…。
そうだね。ではさっそくやってみよう!

焦点距離の2倍より遠いときの作図
焦点距離の2倍より遠い

まずは①真横から来た光は焦点へ」の線を引く。

だね。この線は物体の先から引こう
 焦点距離の2倍より遠い①
こうなるね。
え、これだけ?
そう。簡単でしょ。

では次に②にいくね。
②「中心を通る光はまっすぐ。」の線を引く。
だね。この線も物体の先から引いてね!
②「中心を通る光はまっすぐ。」の線を引く。
こうなるね。しっかりとレンズの中心を通るようにね。

最後に③だよ。
③「」と「」の線が交わったところに逆さまの像を書く。
焦点距離の2倍より遠い③
」と「」の線が交わったところに逆さまの像を書こう。
これで像の作図は完成だよ。
作図はこのワンパターンだから、このやり方だけ覚えてね!
」と「」の線を引いて「像を書く」だけか!できそうな気がしてきた!

②物体が焦点距離の2倍の位置にあるときの作図

焦点距離の2倍
次に「焦点距離の2倍(緑の点)」の位置に物体があるときの作図だよ。
さっきより凸レンズに近づいたね。
うん。だけど作図のやり方はいつも同じだよ。

作図は下の①~③をするだけで完成だよね。

真横から来た光は焦点へ」の線を引く。

凸レンズ焦点平行光線①

②「中心を通る光はまっすぐ。」の線を引く。

凸レンズ中心を通る光線

③「①」と「②」の線が交わったところに逆さまの像を書く。

それでは進もう。

焦点距離の2倍の位置にあるときの作図
焦点距離の2倍

まずは①真横から来た光は焦点へ」の線を引く。

だね。この線は物体の先から引くんだよね
 焦点距離の2倍①
こうなるね。

では次に②にいくね。
②「中心を通る光はまっすぐ。」の線を引く。
だね。この線も物体の先から引こうね!
焦点距離の2倍②
こうなるね。しっかりとレンズの中心を通るようにね。

最後に③だよ。
③「」と「」の線が交わったところに逆さまの像を書く。
焦点距離の2倍③
」と「」の線が交わったところに逆さまの像を書こう。
これで像の作図は完成だよ。
作図は全く同じだね。

ここでポイント。
実物を凸レンズに近づけたら、さっきより大きい像になったね。
始め→  焦点距離の2倍より遠い③
今回→  焦点距離の2倍③
また、焦点距離の2倍の位置に物体があるときは、像も全く同じ大きさになるんだよ。
いきなりは難しいど、覚えておくとテストが楽だよ!
それではさらに物体をレンズに近づけよう。

③物体が焦点と焦点距離の2倍の位置の間にあるときの作図

焦点と2倍の間
次に「焦点距離の2倍焦点の間」の位置に物体があるときの作図だよ。
さらに凸レンズに近づいたね。
だけど作図のやり方は同じだね。

 


焦点と焦点距離の2倍の間にあるときの作図
焦点と2倍の間

まずは①真横から来た光は焦点へ」の線を引く。

だね。この線は物体の先から引くんだよね
 焦点と2倍の間①
こうなるね。

では次に②にいくね。
②「中心を通る光はまっすぐ。」の線を引く。
だね。この線も物体の先から引こうね!
焦点と2倍の間②
こうなるね。しっかりとレンズの中心を通るようにね。

最後に③だよ。
③「」と「」の線が交わったところに逆さまの像を書く。
焦点と2倍の間③
」と「」の線が交わったところに逆さまの像を書こう。
これで像の作図は完成だよ。
作図は全く同じだね。

ここでポイント。
できた像の大きさはさらに大きくなったね。
始め→  焦点距離の2倍より遠い③
次→   焦点距離の2倍③
今回→  焦点と2倍の間③

ではさらに実物を凸レンズに近づけていこう。

④物体が焦点上にあるときの作図

物体が焦点上
次に「焦点」の位置に物体があるときの作図だよ。
さらに凸レンズに近づいたね。
だけど作図のやり方は同じだね。

焦点上に物体があるときの作図
物体が焦点上

まずは①真横から来た光は焦点へ」の線を引く。

だね。この線は必ず物体の先から引く。
 物体が焦点上①
こうなるね。

では次に②にいくね。
②「中心を通る光はまっすぐ。」の線を引く。
だね。この線も物体の先から。
物体が焦点上②
こうなるね。しっかりとレンズの中心を通るようにね。

あれ?先生。光が交わらないよ。
そう。実は「物体が焦点上にあるときは光が交わらない。」つまり「像ができない
ということになるんだ。
物体が焦点上③
ポイントとしてしっかりと覚えておこうね!

⑤物体が焦点より近くにあるときの作図

物体が焦点より内側
いよいよ最後。さらに近づけて、「焦点の内側」へ近づけるよ。
像ができないのにまだ近づけるの?
だけど作図のやり方は同じだね。

焦点上に物体があるときの作図
物体が焦点上

まずは①真横から来た光は焦点へ」の線を引く。

だね。この線は物体の先から。
 物体が焦点より内側①
こうだね。

では次に②にいくね。
②「中心を通る光はまっすぐ。」の線を引く。
だね。この線も物体の先から。
物体が焦点より内側②
こうなるね。しっかりとレンズの中心を通るようにね。

先生!また光が交わらないよ。
そうだね。だから「像ができない」となりそうだね。
ところが!ここでポイントがあるんだ。
線を逆側に伸ばしてごらん。
(逆側に伸ばすときは点線)
物体が焦点より内側③
うお!逆側で交わった!
そう。「焦点より内側」の時は「逆に伸ばす」という裏技(?)みたいな方法で像ができるんだ。
この像は上下左右が反対向きでない、「虚像(きょぞう)」というんだよ。
これはレンズの逆向きからのぞいて見るんだよ。
物体が焦点より内側④
ほんとに裏技みたい。
でしょ。だけど「虫眼鏡で物を大きく見るときはこの方法」だから、実はみんな知ってるんだけどね。
でも、虫眼鏡でかくだいして見える像を「虚像」というなんて知らなかったよね。
ここでしっかりと覚えようね!

動画でも虚像の見え方をのせておくね。
「虚像」は虫眼鏡をのぞいて見える像なんだね。

⑥まとめ

さあ、最後にまとめるよ。

たくさん話すけど、これを全部覚えられたら完璧だよ☆


①焦点距離の2倍より遠い
焦点距離の2倍より遠い③
②焦点距離の2倍
焦点距離の2倍③
③焦点と焦点距離の2倍の間
焦点と2倍の間③
④焦点上
物体が焦点上③
⑤焦点より近い
物体が焦点より内側③

①~③は実像ができて、
④は像ができない。
⑤は虚像ができるね。
「実像は上下左右逆向き」
「虚像は向きはそのまま(逆でない)」だね。

また、①からレンズに物体を②、③と近づけると、
・できる実像はだんだん大きくなる
・できる実像の位置は遠くなる
焦点距離の2倍より遠い③
焦点距離の2倍③
焦点と2倍の間③
だね。

②の焦点距離の2倍の位置の時、実物と像の大きさは同じになるね。
焦点距離の2倍③

このあたりの知識を覚えられたら完璧だよ。
ややこしいから、ちょっと時間があるときに何回も読みにきてね。

おまけ。
「凸レンズを紙で半分かくすと像はどうなるか」
という問題が難問として出ることがあるよ。
答えは「明るさは暗くなるが、像は欠けずに見える」
となるよ。
このサイトは理科が苦手な人向けだから詳しい解説は省略するけど、
みんな間違う問題だから、覚えておくと得するかも☆

さあ、これで凸レンズの勉強はおしまい。
そして光の勉強もおしまいだよ。
ここまで読んだ君は本当にすごいね!
自分で自分をほめてね!
お疲れ様ー☆

難しい単元だから空いた時間に何回も読みに来るんだよ!
読むたびに理解が深まって、早く読めるようになるよ。
慣れれば3分くらいで読めちゃうよ☆
それではまたね。みんなの理科の成績が上がりますように☆

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