中1理科 実像と虚像の大きさやできる位置

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今回は、光の性質で登場する凸レンズ、凸レンズでできる像「実像」「虚像」について学習します。前の回で学習した、凸レンズの作図ができれば、ここもすんなりマスターできると思います。

凸レンズでできる像

光の屈折を利用した道具「凸レンズ」では、2つの像が観察できます。

  • 実像(じつぞう)
  • 虚像(きょぞう)

実像は、実際に凸レンズを通過して集まった光がつくる像で、スクリーンに映すことができる像です。凸レンズで光学屈折しひっくり返って像ができるので、倒立実像ともいったりします。

虚像は、凸レンズ越しに見える、そこにあるかのように見える像です。実際にそこから光が出ているわけではないので、スクリーンに映すことはできません。実際の光源よりも大きく見え、向きも光源と同じ向きに見えるので、正立虚像ともいわれます。

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実像

光源と凸レンズの距離関係で、実像の大きさがどのように変化するのかを考えるとき、基本となるのが焦点距離の2倍の位置です。ここに光源を置いた場合、凸レンズと光源の距離と、凸レンズと実像との距離の大きさが等しくなります。また、できる実像の大きさも光源と同じになります。

焦点距離2倍の位置

焦点距離2倍の位置と実像の大きさ

焦点距離の2倍の位置よりも、光源を外側に置いた場合には、焦点距離の2倍の位置よりも内側に(凸レンズに近い位置)に実像ができます。このときできる実像の大きさは、光源の大きさよりも小さくなります。下の図を参考にしてください。

焦点距離2倍の位置よりも外側

次は、焦点距離の2倍の位置よりも内側に光源を置いた場合です。このとき実像は、焦点距離の2倍の位置よりも外側に実像ができます。できる実像の大きさは、実際の光源の大きさよりも大きくなります。

焦点距離2倍の位置より内側

焦点上に光源を置いた場合はどうなるのでしょうか。焦点上に光源を置いた場合は、凸レンズの中心を通る光も、軸に平行に進み凸レンズで屈折し焦点を通った光も、平行になります。光が集まらないので実像はできなくなります。また、光が進んできた方向と逆方向に延長しても平行な光なので、虚像もできません。

焦点上に光源

虚像

最後に、虚像の大きさについて考えます。焦点距離よりも内側(凸レンズに近い位置)に光源を置いた場合は虚像ができますが、光源をさらに凸レンズに近づけた場合、虚像の大きさはどうなるのでしょうか。下の作図を見れば、光源を凸レンズに近づければ近づけるほど、できる虚像の大きさは小さくなります。遠ざければ、虚像の大きさは大きくなります。

虚像の大きさ

【練習問題】凸レンズの実像と虚像

問題下の図のように、光学台に凸レンズと電球、矢印の形に穴をあけた板を固定し、スクリーンに像がはっきりと映るように、凸レンズとスクリーンの位置を変化させる実験を行った。このとき、凸レンズとスクリーンとの間の距離が30cmのとき、スクリーンにはっきりと矢印の形と同じ大きさの像が映った。次の各問いに答えよ。

凸レンズ

凸レンズ

(1)このときスクリーンに映ったような実際に光が集まってできる像を何というか。

(2)スクリーンに像が映るのは、次の中のどの光の性質があるからか。
ア 全反射  イ 光の直進  ウ 光の屈折  エ 光の拡散

(3)この凸レンズの焦点距離は何cmか。

(4)このときスクリーンに映った像を凸レンズとは反対側のスクリーンの裏側から見るとどのように見えるか。上のア~エの中から選べ。

(5)板を凸レンズに近づけ、板と凸レンズの距離を小さくしたところ、スクリーンに映った像がぼやけたのではっきりと映るように、凸レンズとスクリーンの距離を動かした。このとき凸レンズとスクリーンの間の距離は大きくなるか。小さくなるか。

(6)(5)のときスクリーンに映る像の大きさは、実物の矢印の大きさよりもどうなるか。

(7)さらに、板を凸レンズに近づけていくと、スクリーンにまったく像ができなくなった。板と凸レンズの距離を何cm以上近づけるとスクリーン上に像ができなくなるか。

(8)(7)のときに凸レンズを通して見える、実物よりも大きく見える像を何というか。

(9)(8)でできた像を利用したものには何があるか。次の中から1つ選べ。
ア 光ファイバー  イ カメラ  ウ ルーペ  エ カーブミラー

(10)板と凸レンズとの間の距離を初めの状態に戻し、スクリーンにはっきりとした像ができる位置にスクリーンの位置を戻した後、凸レンズの下半分を黒い板でかくすと、スクリーンに映る像はどうなるか。次の中から一つ選べ。
ア 像が半分欠ける  イ 像が映らなくなる  ウ 暗くなる  エ 変化はない

【解答・解説】凸レンズの実像と虚像

(1)実像
凸レンズを通過した光は屈折し、スクリーン上で集まって像をつくります。このときできた像を実像といいます。実像は実際に光が集まってできる像でスクリーンに映すことができます。

実像とは?・凸レンズで屈折した光が集まってできる像。
・実際に光が集まっているのでスクリーンに映すことができる。
・像の向きは上下左右が逆になっている。

(2)
凸レンズは光の屈折を利用した道具になります。光を屈折させることで実像や虚像をつくりだすことができます。

光の性質の利用・光の反射→鏡
・光の屈折→凸レンズ
・全反射→光ファイバー

(3)15cm
スクリーンに光源である矢印の形と同じ大きさの実像ができているので、凸レンズとスクリーンの距離は焦点距離の2倍の位置にあることがわかります。ということは、焦点距離は、30÷2=15cmが焦点距離になります。

焦点距離の求め方凸レンズの焦点距離

(4)
凸レンズを通過した光は屈折し、上下左右が逆になってスクリーンに映ります。したがってスクリーンに映る像は、上下左右が逆になっているイとなります。しかし、凸レンズ側からスクリーンを見た場合はイを裏側から見たアになるので注意が必要です。

(5)大きくなる
光源である板と凸レンズの距離を小さくした場合、凸レンズとスクリーンの距離は大きくしないと像がぼやけてしまいます。作図を実際に行うと答えがわかります。

実像の大きさの変化実像の大きさ

(6)大きくなる
光源である板を凸レンズに近づけ、凸レンズとスクリーンの間の距離を大きくすると、スクリーンに映る実像の大きさは大きくなります。

(7)15cm
焦点距離が15cmですので、15cmの位置に光源である板を置くと、実像も虚像もできなくなり、15cm以内の距離に置くと虚像しかできなくなります。

(8)虚像
虚像は、光源が焦点距離よりも近くにある場合にできます。凸レンズごしに見える像です。

虚像・凸レンズ越しに見えるそこから光が出ているように見える像。
・スクリーンに映すことができない。
・光源を焦点距離よりも凸レンズの近くに置くとできる。

(9)
ルーペは虫メガネと同じで、凸レンズになっています。物体を拡大して見えるのは虚像を見ているためです。

実像と虚像の利用・実像の利用→カメラ・映写機
・虚像の利用→ルーペ・虫眼鏡

(10)
凸レンズの下半分を光が通らないようにおおっても、上半分から光が通り像ができます。しかし、下半分から行く光が無くなるので全体的に像は暗くなります。

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