凸レンズの入試基礎:表から焦点距離を読む・焦点を作図で求める・レンズを隠したときの像
※ 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
- 実験の結果の表から焦点距離を求め、像の大きさやスクリーンの動きを判断する方法
- 焦点がかいていない図から、3本の光の決まりを逆に使って、焦点を作図で見つける方法
- レンズの端を通る光の進み方と、レンズの一部を隠したときに像がどうなるか
この回で解く問題
この記事は、凸レンズの「入試の基礎」の回の解説です。
入試では、教科書で見た図がそのまま出るとは限りません。よく出るのは、次のような問題です。
- 実験の結果の表を読む問題
- 焦点がかいていない図から、焦点を見つける問題
- レンズの一部を隠したら像がどうなるかを答える問題
この記事では、こうした問題を3つ(問1〜問3)解きます。
凸レンズの3本の光や、焦点・実像・虚像という言葉を「あれ、どうだったっけ」と思った人は、先に基礎の回「凸レンズ①」「凸レンズ②」を見ておくと、ずっと分かりやすくなります。
問題に入る前に、今日使う決まりを2つだけふり返っておきます。
ふり返り①:凸レンズを通る3本の光
まず言葉の確認です。
- 光軸:レンズの中心を通り、レンズの面に垂直な線。
- 焦点:光軸に平行に入った光が集まる点。レンズの両側の、レンズから同じ距離の所に1つずつある。
凸レンズを通る光のうち、進み方が決まっている3本の光があります。
| 入る光 | レンズを出たあと |
|---|---|
| 光軸に平行に入る光 | 反対側の焦点を通る |
| レンズの中心を通る光 | 曲がらず、まっすぐ進む |
| 手前の焦点を通る光 | 光軸に平行に出る |
こうして並べると、1本目と3本目は、行きと帰りが入れかわった関係になっています。
本当は、光はレンズに入るときと出るときの2回曲がります。でも作図では、レンズの中心の縦の線で1回だけ曲げてかくという約束にしています。
そして、物体の先端から出た光がレンズを通って交わる点が、像の先端になります。
この図では、レンズの左3マスに高さ1マスの物体(上向きの矢印)があり、焦点(F)はレンズの左右2マスの所にあります。物体の先端から出た3本の光は、次のように進みます。
- 赤:光軸に平行に進んでレンズの上1マスで曲がり、右の焦点を通る
- 青:レンズの中心をまっすぐ通る
- 緑:左の焦点を通ってレンズの下2マスに届き、そこから光軸に平行に進む
3本はレンズの右6マス・光軸から下へ2マスの1点で交わります。ここが像の先端です。
この3本の光は、問2で「逆向きに」使います。
ふり返り②:目印は「焦点」と「焦点距離の2倍」
物体を置く位置によって、できる像が変わります。判断するときの目印は「焦点」と「焦点距離の2倍」の2つです。
| 物体の位置 | できる像 | 像のできる所(実像は、レンズの反対側) |
|---|---|---|
| 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 | ちょうど2倍 |
| 焦点と2倍のあいだ | 大きい実像 | 2倍より遠い |
| 焦点の上 | できない | ― |
| 焦点より内側 | 虚像(大きい・同じ向き) | スクリーンに映らない |
- 物体を焦点の上に置くと、レンズを出た光が平行になるので、像はできません。
- 焦点より内側に置くと、スクリーンには映りません。でも、物体と反対側からレンズをのぞくと、物体より大きく、物体と同じ向きの像が見えます。これが虚像です。
実像は光が実際に集まってできる像、虚像は光が集まっていない像です。
この表は、問1でそのまま使います。
問1:実験の結果の表を読む
問1 凸レンズで、物体からレンズまでの距離を変え、はっきりした像が映るときのスクリーンの位置を調べた。
| 物体からレンズまで(cm) | 60 | 48 | 36 | 24 | 18 |
|---|---|---|---|---|---|
| レンズからスクリーンまで(cm) | 15 | 16 | 18 | 24 | 36 |
(1) 焦点距離は何 cm?
(2) 物体と同じ大きさの像ができるのは、物体からレンズまでが何 cm のとき?
(3) 物体からレンズまでを 8 cm にすると、どんな像ができる? 像の種類(実像か虚像か)と、物体と比べた大きさ・向きは?
(4) 物体を 18 cm から 60 cm まで遠ざけると、像の大きさとスクリーンの位置はどうなる?
問1 答え
(1) 12 cm ← 24 と 24 の列=焦点距離の 2 倍
(2) 24 cm
(3) 虚像・物体より大きい・同じ向き(3 つセット)
(4) 像は小さくなり、スクリーンはレンズに近づける
目印を表に書きこむ:焦点 12 cm/2 倍 24 cm
物体が遠くなると、スクリーンは近くなる(反対向きに変わる)
(1) 焦点距離は「等しい列」の半分
表で最初にさがすのは、上の行と下の行の数が等しい列です。この表では、24 cm と 24 cm の列がそれです。
ふり返り②の表のとおり、物体を焦点距離の2倍の所に置くと、反対側の2倍の所に同じ大きさの実像ができます。つまり、この24 cm が焦点距離の2倍です。
焦点距離は、24 ÷ 2 = 12 cm です。
24 cm と答えた人へ
24と24の列に目をつけたところまでは合っています。抜けていたのは、2でわることだけです。「2つの距離が同じ」と気づいたら、「ここは2倍の位置」と思い出して、半分にしましょう。
(2) 同じ大きさの像は、その列そのもの
(1)で見つけた列が、物体と同じ大きさの像ができる所です。答えは 24 cm です。
(3) 焦点より内側なら虚像
8 cm は、焦点の12 cm より内側です。焦点より内側では、レンズを出た光が広がっていき、交わりません。だからスクリーンには映らず、レンズをのぞくと虚像が見えます。
答えは「虚像で、物体より大きく、物体と同じ向き」です。
「虚像」とだけ書いた人へ
像の種類は合っています。ただ、問いで聞かれている大きさと向きが抜けています。入試では、種類・大きさ・向きの3つをまとめて聞かれることが多いので、セットで言えるようにしておきましょう。
(4) 目印を表に書きこんでから考える
まず、2つの目印を表に書きこみます。焦点は12 cm、2倍は24 cm です。
この図では、表の24の列を丸で囲んで「=2倍」と書き、上の行の数がどの範囲に入るかを書きこんでいます。
- 18 cm:焦点と2倍のあいだ → 大きい実像。スクリーンは36 cm で、2倍より遠い所。
- 24 cm:ちょうど2倍 → 同じ大きさの実像。スクリーンも24 cm。
- 36・48・60 cm:2倍より遠い → 小さい実像。スクリーンは18・16・15 cm で、どれも焦点と2倍のあいだ。
物体を18 cm から60 cm まで遠ざけると、像は「大きい→同じ→小さい」と小さくなっていきます。スクリーンは36 cm から15 cm へと、レンズに近づけます。
「物体を遠ざけたら、スクリーンも遠ざける」と答えた人へ
2つが同じ向きに動くと考えたのですね。そう感じるのは自然です。でも、表の上の行と下の行を見比べてみてください。上の数が大きくなると、下の数は小さくなっています。反対向きに変わるのです。
また、スクリーンはレンズに近づいていきますが、焦点の12 cm より近くにはなりません。
問2:焦点がかいていない図から焦点を見つける
問1では、表から焦点距離を求めました。今度は図から求めます。
方眼の図に、物体と凸レンズ、スクリーンに映った実像がかいてあります。物体はレンズの左6マスにある高さ2マスの上向きの矢印です。実像はレンズの右12マスにある長さ4マスの下向きの矢印です。焦点はかいてありません。
問2 焦点がかいていない図から焦点を求める
(1) レンズの右側の焦点の位置を作図で求めよ
(2) レンズの左側の焦点の位置を作図で求めよ
(3) 焦点距離は何マス?
問2 答え
(1) 右 4 マス ← 「平行に入る光 → 反対側の焦点を通る」を使う
(2) 左 4 マス ← 「手前の焦点を通る光 → 平行に出る」を使う
(3) 4 マス
左右がそろう=作図が合っている
確かめ:物体 6 マスは、焦点 4 と 2 倍 8 のあいだ → 大きい実像 ○
「焦点がないのに、どうやって?」と思うかもしれません。でも、3本の光の決まりを逆に使えば見つけられます。物体の先端と像の先端は、もう図にあります。これを手がかりにします。
(1) 右側の焦点:「平行に入る光 → 反対側の焦点を通る」を使う
- 物体の先端から、光軸に平行にレンズまで線を引きます。レンズに届く所は、光軸から上へ2マスです。
- この光はレンズで曲がって、像の先端に届くはずです。像の先端は、レンズの右12マス・下へ4マスです。
- レンズの上2マスの点と像の先端を結びます。
- この線が光軸を横切るのは、レンズの右4マスの所です。ここが右側の焦点です。
(2) 左側の焦点:「手前の焦点を通る光 → 平行に出る」を使う
今度は像の側から考えます。
- 像の先端に、光軸と平行に届く光を考えます。この光は、レンズの「下へ4マス」の点から出ています(像の先端が下へ4マスなので)。
- この光は、レンズに入る前に左の焦点を通ってきた光のはずです。
- 物体の先端と、レンズの下4マスの点を結びます。
- この線が光軸と交わるのは、レンズの左4マスの所です。ここが左側の焦点です。
(3) 左右がそろえば正解
焦点は、レンズの両側の、同じ距離の所にあるのでした。左右どちらも4マスでそろったので、焦点距離は4マスです。
もし左右がそろわなかったら、どこかの線がずれています。そろうかどうかが、そのまま答え合わせになります。
ふり返り②の目印でも確かめる
焦点は4マス、2倍は8マスです。物体は6マスなので、焦点と2倍のあいだにあります。だから、大きい実像になるはずです。図の像は4マスで、物体の2マスより大きくなっています。ちゃんと合っています。
問3の前に:3本以外の光はどこへ行く?
ここまで、作図にはいつも3本の光を使ってきました。でも、物体の先端から出ている光は、本当に3本だけでしょうか。
実は、物体からは光が四方八方へ出ています。だから、レンズのいろいろな所に光が当たっています。では、3本以外の光は、レンズを通ったあとどこへ行くのでしょう。ここでは、物体が焦点より外側にあって、スクリーンに実像が映っているときで考えます。
手がかりは、スクリーンに映ったはっきりした像です。像では、物体の先端がくっきり1点に映っています。もし3本以外の光がばらばらの所へ行っていたら、先端はぼやけて広がって見えるはずです。
図で確かめてみます。
この図は、問2とは別の図です。焦点はレンズの左右3マスにあります。レンズの左6マスに高さ2マスの物体があり、3本の光はレンズの右6マス・下へ2マスで交わっています。
ここに、物体の先端から、3本とは別の高さ(レンズの上1マスと下1マス)を通る光を2本足しました(黄色の線)。どちらの光も、レンズを通ったあと、3本が交わったのと同じ点(像の先端)に集まっています。
まとめると、次のようになります。
物体が焦点より外側にあるとき、物体の1点から出た光は、レンズのどこを通っても、像の1点に集まり、実像ができる。
3本の光は、行き先が分かりやすいから作図に選んでいるだけです。
ただし、物体が焦点より内側にあるときは別です。問1(3)で見たとおり、レンズを出た光は広がっていき、交わりません。この決まりは、実像ができるときの話です。
問3:レンズの端を通る光と、レンズを隠したときの像
問2と同じ図を使います。問2で求めた焦点(レンズの左右4マス)もかいてあります。物体の先端からレンズの上の端(光軸から上へ5マス)までの線が引いてあります。
問3(問2 の図を使う)
(1) 物体の先端から出て、レンズの上の端(光軸から上へ 5 マス)を通る光は、レンズを出たあとどう進む? 作図せよ
(2) レンズの上半分を黒い紙で隠した。スクリーンの像は?
ア 上半分が欠ける イ 下半分が欠ける ウ 欠けずに暗くなる エ 映らなくなる
問3 答え
(1) レンズの上の端 → 像の先端(右 12 マス・下へ 4 マス)へ向かう直線
手順:① 2 本で像の先端を求める ② 端と像の先端を結ぶ
× 右の焦点を通す(レンズを出たあと反対側の焦点を通るのは、光軸に平行に入った光だけ)
(2) ウ 欠けずに暗くなる
残った下半分を通る光も、像の各点に集まる
レンズのどの場所も、像の全体をつくっている
2つとも、さっきの決まりで答えられます。問2の物体はレンズの左6マスにあり、焦点の4マスより外側です。スクリーンにも実像が映っています。だから、「物体の1点から出た光は、レンズのどこを通っても、像の1点に集まる」が使えます。
(1) 端を通る光は、像の先端へ向かう
レンズの端を通る光は、3本の光の決まりのどれにも当てはまりません。そこで、先に像の先端を確かめます。
- 物体の先端から光軸に平行に進む光は、レンズの上2マスで曲がり、右の焦点(右4マス)を通ります。
- 中心を通る光は、「右へ3マス進むと下へ1マス」の傾きで、まっすぐ進みます。
- この2本が交わるのは、右12マス・下へ4マス。スクリーンの像の先端と同じ点です。
- 物体の先端から出た光は、レンズのどこを通っても、この点に集まります。だから、レンズの上の端と像の先端を直線で結べば完成です。この線は「右へ12マス進むと下へ9マス」の傾きになります。
図の太い緑の線が答えの線です。うすい色の破線は、次に説明するまちがいの線です。
いちばん多いまちがい:端を通った光を、右の焦点に通してしまう
レンズを出たあと反対側の焦点を通るのは、光軸に平行に入った光だけです。端に来た光は、物体の先端から斜めに上がってきた光なので、平行ではありません。
実際、正しい線が光軸を横切るのは、焦点よりレンズから遠い所です。右の焦点に通した線をスクリーンまでのばすと、光軸から下へ10マスの所に行ってしまいます(図の「×」の所)。像の先端(下へ4マス)からはずれてしまうのです。
端から光軸に平行に出してしまうのも、同じまちがいです。どちらも像の先端を通らなくなります。
(2) 隠しても、像は欠けずに暗くなる
物体の先端からは、光がレンズ全体に当たっています。
- 上半分を隠すと、上半分を通る光(図の灰色の光)はなくなります。
- でも、下半分を通る光(図の赤い光)は残っていて、やはり像の先端に集まります。
- 先端だけでなく、物体のどの点から出た光でも同じです。
だから、像は欠けずに全体ができます。ただ、集まる光の量が減るので暗くなります。答えはウです。
この問題は、今回の中でいちばん直感と合わない所かもしれません。
アやイを選んだ人へ
「レンズの上半分が像の上半分をつくっている」と考えたのですね。そう見えてしまうのは無理もありません。でも本当は、レンズのどの場所も、像の全体をつくっています。エを選んだ人へ
中心を通る光や平行な光が隠れたから、像がつくれないと考えたのだと思います。3本の光を大事にしてきた証拠です。でも、3本は作図しやすいから選んでいるだけで、ほかの光も同じ点に集まります。
まとめ
- 表が出たら:2つの距離が等しい列をさがす。そこが焦点距離の2倍なので、半分にすれば焦点距離。そのあとは、焦点と2倍の目印を表に書きこんで、像を判断する。
- 焦点がかいていない図では:3本の光の決まりを逆に使って焦点を見つける。左右の焦点がそろえば正解。
- 物体が焦点より外側にあって実像ができるとき:物体の1点から出た光は、レンズのどこを通っても像の1点に集まる。だから、端を通る光は像の先端へ向かい、レンズを一部隠しても像は欠けずに暗くなる。
この3つを、自分の言葉で言えるか確かめてみてください。ページの下から行けるプリントと練習問題のページで、もう一度使ってみましょう。自分のペースで大丈夫です。
このシリーズは「基礎」「入試基礎」「入試応用」の3段になっていて、この回は「入試基礎」です。もっと難しい問題に挑戦したい人向けの「入試応用」の回も、順番に公開していきます。
よくある質問
Q. 焦点を作図で求めたら、左と右で距離がちがってしまいました。
A. 焦点はレンズの両側の、同じ距離の所にあります。左右がそろわないときは、どこかの線がずれています。右側は「光軸に平行に入る光が、レンズの所で曲がって像の先端へ行く線」になっているか、確かめましょう。左側は、まず像の先端から光軸と平行にレンズまで線をもどします。その線がレンズに届く点(問2では、レンズの「下へ4マス」の点)と、物体の先端を結んだ線になっているか、もう一度確かめましょう。
Q. 物体をレンズから遠ざけたら、スクリーンも遠ざければいいのではないですか?
A. 反対です。問1の表のとおり、物体が遠くなると、スクリーンはレンズに近づけます。像も小さくなっていきます。ただし、スクリーンが焦点よりレンズに近くなることはありません。
Q. レンズの上半分を隠したのに、どうして像の上半分(または下半分)は欠けないのですか?
A. 物体のどの点から出た光も、レンズ全体に当たっていて、レンズのどこを通っても像の同じ1点に集まるからです。上半分を隠しても、下半分を通った光が像のすべての点に集まります。そのため像は欠けません。ただ、集まる光の量が減るので暗くなります。
解答・解説つきの演習プリント(別ページ)


