中学1年

凸レンズ② 物体の位置と像・虚像|物体をどこに置くと、どんな像ができる?

栞先生

※ この記事は上の授業動画の内容をテキストで整理したものです。

この記事でわかること

  • 物体を「焦点距離の2倍」の所に置くと、同じ大きさの実像ができること。それを使って焦点距離を求める方法
  • 「焦点」と「焦点距離の2倍」の2つの目印で、できる像(小さい実像・同じ大きさの実像・大きい実像・像はできない・虚像)が決まること。カメラのピント合わせのしくみ
  • 虚像の作図のしかた(レンズを出た光を逆向きにのばす)と、虚像がスクリーンに映らないわけ

凸レンズの前に物体を置くと

凸レンズの前に物体を置くと、置く場所によって、映る像が大きくなったり小さくなったりします。場所によっては、スクリーンに何も映らないこともあります。

この記事では、物体をどこに置くと、どんな像ができるのかを順に整理していきます。読み終わるころには、カメラのピント合わせのしくみや、虫めがねで物が大きく見えるわけも、自分で説明できるようになります。

この記事には、ページのいちばん上にある動画の中で出している問い(問1〜問3)と、その答えと解き方も載せています。自分で解いてみたい人は、ページのいちばん下のプリントも使ってください。動画の問いが同じ番号で載っていて、書きこむ場所もあります。

まずはおさらい:凸レンズの言葉と、作図で使う2本の光

はじめに、この記事で使う言葉と光の進み方を、使う分だけ確かめておきます。前の記事を読んでいなくても、ここを読めば大丈夫です。

凸レンズの言葉

  • 光軸:レンズの中心を通り、レンズの面に垂直な線
  • 焦点:光軸に平行な光が集まる点。レンズの両側に1つずつ、レンズから同じ距離の所にある
  • 焦点距離:レンズの中心から焦点までの距離

行き先が決まっている光は3本
物体の先端から出る光のうち、レンズを通ったあとどう進むかが決まっている光は、次の3本です。

  1. 光軸に平行に進む光 → レンズを通ったあと、反対側の焦点を通る
  2. レンズの中心を通る光 → 曲がらずにまっすぐ進む
  3. 手前の焦点を通ってレンズに入る光 → レンズを通ったあと、光軸に平行に進む

この記事の作図では、かきやすい 1 と 2 の2本 を使います。また、作図では、光はレンズの中心の縦の線のところで1回だけ曲げる、という約束です。

光軸 凸レンズ F F 物体 実像

上の図では、左の焦点より遠い所に上向きの矢印(物体)を置いています。物体の先端から出た2本の光(光軸に平行な光と、レンズの中心を通る光)が、レンズの右側で交わっています。

この2本の光が交わった点が、像の先端になります。 ここには光が実際に集まっているので、スクリーンを置くと像が映ります。このような像を実像といいます。

実像の向きは、物体とスクリーンを同じ向きから見ると、物体と上下も左右も逆になります。

同じ大きさの実像ができるのは「焦点距離の2倍」の所

では、物体と同じ大きさの実像ができるのは、物体をどこに置いたときでしょうか。

方眼の図で考えます。焦点距離が3マスのレンズです。焦点はレンズの左右3マスの所にあり、左右6マスの所に「焦点距離の2倍」の印があります。レンズの左6マス、つまり焦点距離の2倍の所に、高さ2マスの物体を置きました。

F 2倍 F 2倍 物体 実像

物体の先端から2本の光をかくと、レンズの右6マス、光軸から下へ2マスの所で交わります。像は右6マスにでき、大きさは2マス。物体と同じ大きさで、向きは逆です。

「このレンズだから、たまたまそうなったのでは?」と思うかもしれません。でも、これはどの凸レンズでも同じです。

物体を「焦点距離の2倍」の所に置くと、反対側の「焦点距離の2倍」の所に、物体と同じ大きさの実像(向きは逆)ができる。

問1:同じ大きさの像から焦点距離を求める

この決まりを使って、問1を考えてみましょう。

問1
レンズ → 物体:24 cm
レンズ → スクリーン:24 cm
同じ大きさの実像がはっきり映った
焦点距離は何 cm?

問1 答え 12 cm
同じ大きさ → 物体は「焦点距離の2倍」の所
24 cm = 焦点距離の2倍
焦点距離 = 24 ÷ 2 = 12 cm

「物体と同じ大きさの実像」ができるのは、物体を焦点距離の2倍の所に置いたときです。像も、反対側の焦点距離の2倍の所にできます。

この問いでは、レンズから物体までも、レンズからスクリーンまでも24 cmです。つまり、この24 cmが焦点距離の2倍です。焦点距離はその半分なので、24 ÷ 2 = 12 cm になります。

物体 スクリーン 実像 24 cm 0 24 cm F F 12 cm 12 cm

図のように、焦点は、レンズと物体のちょうど真ん中、12 cmの所にあります。

24 cmと答えた人へ:「同じ大きさなら2倍の位置」というところまでは、ちゃんとつかめています。最後に2でわるのを忘れてしまったんですね。「同じ大きさ」と出てきたら「2倍の位置」と思い出して、半分にする。ここまでをセットで覚えておきましょう。

物体を焦点に近づけると、像はどう変わる?

では、物体を2倍の所から動かすと、像はどう変わるでしょうか。

先に予想してみてください。物体を焦点のほうへ近づけていくと、像はレンズから遠くにできるでしょうか、近くにできるでしょうか。大きくなるでしょうか、小さくなるでしょうか。

作図で確かめる

焦点距離3マスのレンズで、高さ3マスの物体を1つ用意します(前の節の高さ2マスの物体とは別の物体です)。この1つの物体を、レンズの左12マス、6マス、4マスと、焦点に近づけていきます。それぞれ2本の光をかいて像を見つけたのが、次の3つの図です(上から、左12マス・6マス・4マス。3つの図とも、物体は同じ高さ3マスの物体です)。

F 2倍 F 2倍 物体:左12マス F 2倍 F 2倍 物体:左6マス F 2倍 F 2倍 物体:左4マス 像:右4マス 大きさ:1マス 像:右6マス 大きさ:3マス 像:右12マス 大きさ:9マス

結果をまとめると、こうなります。

物体の位置(レンズの左)像のできる所(レンズの右)像の大きさ
12マス4マス1マス(物体の3分の1)
6マス6マス3マス(物体と同じ)
4マス12マス9マス(物体の3倍)

物体を焦点に近づけるほど、像はレンズから遠くにでき、大きくなりました。

どうしてそうなるの?

3つの図の、光軸に平行な光を見比べてみましょう。物体の高さが同じなので、どの図でも、この光はレンズの上へ3マスの所で曲がり、右の焦点を通って、「右へ3マス進むと下へ3マス」という同じ道すじを進みます。

変わっているのは、中心を通る光のほうです。

  • 左12マスのとき:「右へ4マス進むと下へ1マス」
  • 左6マスのとき:「右へ2マス進むと下へ1マス」
  • 左4マスのとき:「右へ4マス進むと下へ3マス」

物体が焦点に近づくほど、中心を通る光は立った向きになって、平行な光の向きに近づいていきます。2本の向きが近いほど、2本が交わるのはずっと先になります。だから、像は遠くにでき、大きくなるのです。

2つの目印で整理する

これを、「焦点」と「焦点距離の2倍」の2つの目印で整理すると、次の表になります。この記事でいちばん覚えることが多いのがこの表です。でも、目印2つで区切って、遠い順に並べてみると、意外とすっきり見えてきます。

物体の位置できる像像のできる所(反対側)
2倍より遠い小さい実像焦点と2倍のあいだ
ちょうど2倍同じ大きさの実像2倍の所
焦点と2倍のあいだ大きい実像2倍より遠い

焦点の外側では、物体を焦点に近づけるほど、実像はレンズから遠く・大きくなる。

焦点の上と、焦点より内側に置くと

では、もっと近づけるとどうなるでしょう。

焦点の上に物体を置くと、像はできません。「え、なんで?」と思いますよね。その理由は、このあとの問2の(6)で考えます。物体の先端から2本の光をかいてみるのが手がかりです。

さらに近づけて、焦点より内側に置くと、スクリーンをどこに動かしても像は映りません。ところが、物体と反対側からレンズをのぞいてみると、物体より大きく、物体と同じ向きの像が見えます。この像を虚像といいます。虚像の作図は、この記事のあとのほうで説明します。

まとめると、次のとおりです。

  • 焦点の上:像はできない
  • 焦点より内側:スクリーンには映らない。物体と反対側からレンズをのぞくと、物体より大きく、同じ向きの像(虚像)が見える

カメラとプロジェクター

ここまでの決まりは、身の回りの道具にも使われています。

物体(遠くの山) レンズ カメラ 像を受け止める面 前後に動かせる

カメラは、凸レンズで物体の実像をつくり、レンズのうしろにある「像を受け止める面」に写す道具です。写す物はふつう焦点距離の2倍より遠くにあるので、写るのは小さい実像です。

実像ができる所と、像を受け止める面がずれていると、写真はぼやけてしまいます。そこで、レンズを前後に動かして、実像ができる所を受け止める面にそろえます。これがピント合わせです。

プロジェクターはその逆で、小さな絵の大きい実像を、遠くのスクリーンに映す道具です。

問2:物体の位置とできる像

では、ここまでの決まりを使ってみましょう。

302520 15105 0 単位:cm 焦点 焦点距離の2倍 焦点 焦点距離の2倍 ABC DE

問2 焦点距離 10 cm の凸レンズ
物体の位置(レンズから):A 30 cm B 20 cm C 15 cm D 10 cm E 5 cm
(1) スクリーンに像が映らないもの(すべて)
(2) 同じ大きさの実像
(3) いちばん大きい実像
(4) 虚像が見えるもの
(5) 山 → 近くの花。レンズを受け止める面から遠ざける?近づける?
(6) 実像も虚像もできないもの
 理由:先端から出た光がレンズを通ったあとどう進むかから、実像ができない理由
 (虚像ができないことの説明は書かなくてよい)

問2 答え
目印:焦点 10 cm、2倍 20 cm

  • A 30 cm(2倍より遠い)→ 小さい実像(反対側の焦点と2倍のあいだ)
  • B 20 cm(ちょうど2倍)→ 同じ大きさの実像(反対側の2倍の所)
  • C 15 cm(焦点と2倍のあいだ)→ 大きい実像(反対側の2倍より遠い所)
  • D 10 cm(焦点の上)→ 像はできない
  • E 5 cm(焦点より内側)→ 虚像

(1) D、E (2) B (3) C (4) E
(5) 遠ざける(レンズを前に出す)
(6) D:先端から出た光が、レンズのあと平行に進み、交わらない
 (虚像も:このあと学ぶ「逆にのばす」でも交わらない)

解き方:まず目印を2つ書き出す

焦点距離が10 cmなので、目印は 焦点 10 cm と 焦点距離の2倍 20 cm です。A〜Eを、この目印と比べます。

  • A(30 cm):2倍より遠いので、小さい実像。像ができるのは、反対側の焦点と2倍のあいだ、つまりレンズの右10 cmと20 cmのあいだです。
  • B(20 cm):ちょうど2倍なので、同じ大きさの実像が、レンズの右20 cmにできます。
  • C(15 cm):焦点と2倍のあいだなので、大きい実像が、レンズの右20 cmより遠くにできます。
  • D(10 cm):ちょうど焦点の上なので、像はできません。
  • E(5 cm):焦点より内側なので、虚像が見えます。
302520 15105 0 単位:cm 焦点 焦点距離の2倍 焦点 焦点距離の2倍 ABC DE 小さい 実像 同じ大きさの実像 大きい 実像 像はできない 虚像

A、B、Cと焦点に近づけるほど、像は遠く・大きくなります。ですから、スクリーンを遠ざけないとぼやけてしまいます。

これで、(1)はDとE、(2)はB、(3)はC、(4)はEとわかります。

(3)をまちがえた人へ

  • Dを選んだ人:「近づけるほど大きくなる」という決まりを、しっかり使おうとしたんですね。その考え方はいいんです。ただ、それが成り立つのは焦点の外側まで。焦点の上では像ができません。
  • Eを選んだ人:たしかにEの虚像も物体より大きいので、そこに目が行くのは自然です。ただ、(3)が聞いているのは「実像」です。

(5) カメラのピント合わせ

(5)は、カメラで遠くの山にピントを合わせて写したあと、同じカメラで近くの花を写すとき、はっきり写すには、レンズを「像を受け止める面」から遠ざけるか、近づけるかを聞いています。

花も、焦点距離の2倍より遠くにあります。つまり、花も山も焦点の外側にあるので、「焦点の外側では、焦点に近づけるほど、実像はレンズから遠くにできる」という決まりがそのまま使えます。近くの花のほうが、遠くの山より焦点に近い所にあります。焦点に近いほど、実像はレンズから遠くにできます。

像を受け止める面は動かせないので、レンズのほうを面から遠ざけて(つまり前に出して)、実像ができる所を面にそろえます。答えは「遠ざける」です。

(6) 焦点の上に置くと、なぜ像ができないの?

答えはDです。Dに上向きの矢印の物体を立てて、その先端から2本の光を追ってみましょう。

302520 15105 0 単位:cm 焦点 焦点距離の2倍 焦点 焦点距離の2倍 D 2本は平行 交わらない
  • 光軸に平行な光は、レンズのあと、反対側の焦点を通ります。
  • 中心を通る光は、まっすぐ進みます。

物体の先端が焦点の真上にあるので、方眼でかくと、2本はどちらも「右へ10 cm進むと、物体の高さの分だけ下がる」同じ向きになります。つまり、レンズを出た光は平行に進むのです。平行な線は、どこまで行っても交わりません。だから実像はできません。

では、虚像はどうでしょう。このあとすぐ、虚像は「レンズを出た光を逆向きにのばして、交わった所に見える」と学びます。平行な線は、逆にのばしても交わりません。だから、Dでは虚像もできないのです。虚像の見つけ方を読んだら、ここに戻って確かめてみてください。

理由を「物体が焦点の上にあるから」とだけ書いた人へ:書いていること自体は合っています。ただ、それだとDの場所を言い直しただけになってしまいます。「光が平行に進んで交わらない」まで書けたら完璧です。

虚像の見つけ方(作図)

最後に、焦点より内側に物体を置いたときの虚像を、作図で見つけてみましょう。

焦点距離6マスのレンズの左2マスに、高さ2マスの物体があります。焦点より内側ですね。物体の先端から2本の光(光軸に平行な光と、中心を通る光)をかくと、レンズを出た2本は、右へ行くほど離れていきます。どこでも交わらないので、スクリーンを置いても像は映りません。

では、右側からレンズをのぞいた目には、何が見えるのでしょう。

目は、届いた光が途中で曲がってきたことを知りません。光はまっすぐ進んできた、と感じます。ですから目には、この2本の光が、レンズの左側にある1点から出てきたように見えます。そこに見えるのが虚像です。

その点を見つけるには、レンズを出た2本の光を、物体のある左側へ逆向きにのばします。実際に光が通る線ではないので、点線でかきます。

F F 物体 虚像

この図では、2本の点線は、レンズの左3マス、光軸から上へ3マスの所で交わります。ここが、光が出てきたように見える1点、つまり虚像の先端です。虚像は、物体と同じ側に、物体より大きく、物体と同じ上向きにできています。

虚像の作図の手順

  1. 物体の先端から2本の光をかく(光軸に平行な光・中心を通る光)
  2. レンズを出た2本を、物体のある側へ逆向きにのばす(点線でかく)
  3. 2本の点線が交わった所が、虚像の先端

問3:虚像を作図してみよう

この見つけ方を、自分で使ってみましょう。

F F 物体

問3 焦点距離 4 マス、物体はレンズの左 3 マス・高さ 1 マス
(1) 2本の光をかき、虚像を作図
(2) 虚像の位置・大きさ・向き
(3) 虚像がスクリーンに映らない理由
(4) 虚像を利用した、物を大きく見る道具

問3 答え
(1) 平行な光:レンズの上へ 1 マスから「右へ 4 マスで下へ 1 マス」
 中心を通る光:「左へ 3 マスで上へ 1 マス」の向き
 逆にのばすと → 左 12 マス・上へ 4 マスで交わる
(2) レンズの左 12 マス(物体と同じ側)、高さ 4 マス(物体の4倍)、上向き(物体と同じ向き)
(3) 光が虚像の所に実際には集まっていない(そこから来たように見えるだけ)から
(4) 虫めがね(ルーペ)
 顕微鏡・双眼鏡・望遠鏡・老眼鏡も正解(のぞいて虚像を見る)
 カメラ・プロジェクターは×(実像を映す)

実像虚像
光実際に集まる集まっていない
スクリーン映る映らない

(1) 作図の進め方

まず、物体の先端から2本の光をかきます。

  • 光軸に平行な光:レンズの上へ1マスの点で曲がって、右の焦点を通ります。レンズから右の焦点までは「右へ4マス進むと下へ1マス」の向きです。
  • 中心を通る光:物体の先端からレンズの中心まで「右へ3マス進むと下へ1マス」の向きで、そのまままっすぐ進みます。

レンズの右側で、2本はだんだん離れていきます。そこで、2本を左へ逆向きに、点線でのばしていきます。

  • 平行な光の点線は、レンズの上へ1マスの点から、左へ4マス進むごとに上へ1マス上がります。左へ12マスでは、さらに3マス上がって、上へ4マスになります。
  • 中心を通る光の点線は、左へ3マスで上へ1マスなので、左へ12マスでは上へ4マスです。

2本の点線は、レンズの左12マス、上へ4マスの所で交わりました。ここが虚像の先端です。根もとは、その真下の光軸の上になります。

F F 物体 虚像

(2) 虚像の位置・大きさ・向き

作図から、位置はレンズの左12マス(物体と同じ側)、大きさは4マス(物体の4倍)、向きは上向き(物体と同じ向き)です。

虚像の先端を、焦点の所(レンズの左4マスの点)だと答えた人へ:ここまでずっと焦点を目印にしてきたので、そう考えたくなるのは自然です。ただ、虚像の位置は焦点で決まるのではなく、2本の点線が交わる所で決まります。

(3) 虚像がスクリーンに映らないわけ

実像は、光が実際に集まってできる像でした。一方、虚像の所には、光は実際には集まっていません。光がそこから来たように見えるだけです。だから、スクリーンを置いても映らないのです。

(4) 虚像を利用した道具

答えは虫めがねです。ルーペも正解です。虫めがねで小さな字を見るとき、実は字を焦点より内側に置いて、大きく同じ向きの虚像を見ているのです。

顕微鏡・双眼鏡・望遠鏡・老眼鏡と答えた人も正解です。どれも、目の側のレンズをのぞいて虚像を見ているからです。カメラやプロジェクターは、実像を面やスクリーンに映す道具なので、ここには当てはまりません。

まとめ

  • 同じ大きさの実像ができたら、物体は焦点距離の2倍の所にある。だから焦点距離は、その距離の半分。
  • できる像は、「焦点」と「焦点距離の2倍」の2つの目印で決まる。
  • 2倍より遠い:小さい実像
  • ちょうど2倍:同じ大きさの実像
  • 焦点と2倍のあいだ:大きい実像
  • 焦点の上:像はできない
  • 焦点より内側:虚像
  • 焦点の外側では、焦点に近づけるほど、実像は遠く・大きくなる。カメラのピント合わせも、これで説明できる。
  • 虚像は、レンズを出た光を逆向きにのばして作図する。スクリーンには映らない(虫めがね)。

物体の位置を言われたら、目印を2つ書き出して、どんな像ができるかを言えるかどうか確かめてみてください。あやしいところがあれば、その見出しに戻って読み直して大丈夫です。

よくある質問

Q. 実像と虚像は、どうやって見分ければいいですか?
A. 光が実際にそこへ集まっているかどうかで見分けます。実像は光が実際に集まってできるので、スクリーンに映ります。虚像は、光がそこから来たように見えるだけなので、スクリーンには映りません。物体の位置で言えば、焦点より外側に置くと実像、焦点より内側に置くと虚像です。

Q. 物体を焦点の上に置くと、どうして像ができないのですか?
A. 物体の先端から2本の光(光軸に平行な光と、中心を通る光)をかくと、レンズを出たあと2本が平行に進むからです。平行な線はどこまで行っても交わらないので、実像はできません。逆向きにのばしても交わらないので、虚像もできません。

Q. 虫めがねで物が大きく見えるのはなぜですか?
A. 虫めがねで小さな字を見るとき、字は凸レンズの焦点より内側にあります。焦点より内側に物体を置いて、反対側からレンズをのぞくと、物体より大きく、同じ向きの虚像が見えます。私たちは、この虚像を見ているのです。

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