さわってわかる理科・数学

凸レンズがつくる像 シミュレーター

物体(オレンジの矢印)を左右にドラッグすると、凸レンズを通る光の道すじと、できる像の位置・向き・大きさが変わります。

図の左側をドラッグ(タップ)すると物体が動きます。1目盛り=1 cm として表示しています。

物体の位置
表示する光

物体の位置像の位置像の種類向き大きさ
2Fより遠い反対側のFと2Fの間実像倒立(上下左右が逆)物体より小さい
2F反対側の2F実像倒立物体と同じ
Fと2Fの間反対側の2Fより遠く実像倒立物体より大きい
F(焦点)像はできない
Fより内側物体と同じ側虚像正立(物体と同じ向き)物体より大きい

凸レンズと焦点

凸レンズは、中央が周りより厚いレンズです。レンズの中心を通り、レンズの面に垂直な線を光軸といいます。光軸に平行な光を当てると、光はレンズで屈折して1点に集まります。この点を焦点(F)、レンズの中心から焦点までの距離を焦点距離といいます。焦点はレンズの両側に1つずつあり、レンズからの距離はどちらも同じです。

※ 実際の光はレンズに入るときと出るときの2回屈折しますが、作図ではレンズの中心線で1回だけ曲がるものとして描きます。

作図に使う3本の光

物体の先から出る光のうち、進み方が決まっている次の3本を使うと、像の位置を作図で求められます。

  1. 光軸に平行な光 → レンズで屈折して、反対側の焦点を通る
  2. レンズの中心を通る光 → そのまま直進する
  3. 手前の焦点を通る光 → レンズで屈折して、光軸に平行に進む

このうち2本をかけば、その交わる点が像の先の位置になります。3本目は確かめに使えます。

実像と虚像

実像(物体が焦点より外側にあるとき)

レンズを通った光が実際に1点に集まってできる像です。その位置にスクリーンを置くと像が映ります。像の向きは物体と上下左右が逆(倒立)になります。

虚像(物体が焦点より内側にあるとき)

レンズを通った光は広がって進み、1点には集まりません。そのためスクリーンには映りません。しかし、レンズの反対側からのぞくと、光が物体と同じ側の1点から出てきたように見えます。これが虚像で、物体と同じ向き(正立)で、物体より大きく見えます。虫めがねで物を大きく見るのはこのしくみです。

物体が焦点の上にあるとき

レンズを通った光はすべて平行に進み、交わりません。そのため、実像も虚像もできません。

物体の位置と像の関係

上の表のとおり、物体を遠くからレンズに近づけていくと、焦点に近づくまでは、実像はレンズから遠ざかり、大きくなっていきます。

よくある間違い

確認問題

問1 物体を焦点距離の2倍の位置に置くと、どんな像ができる?

反対側の、焦点距離の2倍の位置に、物体と同じ大きさで上下左右が逆の実像ができます。「2F」ボタンで確かめましょう。

問2 スクリーンに映った実像を、物体より大きくするには、物体をどこに置けばよい?

焦点(F)と、焦点距離の2倍の位置(2F)の間に置きます。このときスクリーンは、反対側の2Fより遠くに置きます。

問3 虫めがねで大きく見えているのは、実像と虚像のどちら?

虚像です。物体が焦点より内側にあるときにでき、物体と同じ向きで大きく見えます。

問4 物体をレンズにだんだん近づけると(焦点より外側の範囲で)、実像の位置と大きさはどう変わる?

実像はレンズから遠ざかり、大きくなります。物体をドラッグしてレンズに近づけ、確かめてみましょう。

高校で学ぶレンズの式(参考)

レンズから物体までの距離を a、レンズから像までの距離を b、焦点距離を f とすると、次の関係が成り立ちます。

1/a + 1/b = 1/f  像の倍率 = b / a

このシミュレーターの像の位置と大きさは、この式から計算しています。たとえば a = 2f なら b = 2f となり、倍率は 1(同じ大きさ)です。