私たちの身の回りには光があふれており、モノを見ることができるのは光のおかげです。
光には、いくつかの面白い性質があり、その性質を利用したのが虫めがねやカメラなどに使われる「凸レンズ」です。
ここでは、光の基本的な性質と、凸レンズが作り出す像の秘密について、わかりやすく解説します。
光には、大きく分けて「直進」「反射」「屈折」という3つの重要な性質があります。
光は、空気や水中など、同じ物質の中をまっすぐに進む性質があります。
これを光の直進といいます。
身近な例: 木漏れ日、懐中電灯の光がまっすぐ進むこと、影ができることなど。
光が鏡や水面などの物体の表面に当たってはね返る現象を、光の反射といいます。
反射の法則: 光が反射するときには、必ず成り立つルールがあります。
入射角と反射角は等しい。
入射角: 入射する光と、鏡の面に垂直な線との間の角度。
反射角: 反射する光と、鏡の面に垂直な線との間の角度。
光が、空気中から水中へ、またガラス中から空気中へ進むときのように、異なる物質に進む境界面で折れ曲がる現象を、光の屈折といいます。
なぜ曲がるの？: 空気中と水中では、光の進む速さが異なるためです。
速さが変わることで、進行方向が曲がります。
身近な例:
水を入れたコップにさしたストローが、水面で折れ曲がって見える。
プールの底が、実際よりも浅く見える。
凸レンズは、中央が厚く、ふちが薄くなっているレンズで、光を集める性質があります。
このレンズを通して物体を見ると、実物とは違った大きさや向きの「像」が見えます。
像には実像と虚像の2種類があります。
焦点（しょうてん）: 凸レンズの軸に平行な光が、レンズを通った後に1点に集まる点。
レンズの両側に1つずつあります。
焦点距離（しょうてんきょり）: レンズの中心から焦点までの距離。
スクリーン（壁や紙など）に実際に映し出すことができる像です。
できる条件: 物体を焦点距離の2倍より遠く、または焦点距離の2倍の位置、または焦点距離の2倍と焦点の間に置いたとき。
像の特徴:
上下左右が逆さまになる倒立の像です。
物体をレンズに近づけるほど、像はレンズから遠ざかり、大きくなります。
物体を焦点距離の2倍の位置に置くと、物体と同じ大きさの実像ができます。
利用例: カメラ、プロジェクター、理科の実験でスクリーンに映る像など。
| 物体の位置 | できる像の種類 | 像の向き | 像の大きさ |
|---|---|---|---|
| 焦点距離の2倍より遠い | 実像 | 倒立 | 物体より小さい |
| 焦点距離の2倍の位置 | 実像 | 倒立 | 物体と同じ大きさ |
| 焦点と焦点距離の2倍の間 | 実像 | 倒立 | 物体より大きい |
スクリーンには映すことができず、レンズを通してのぞいたときだけ見える像です。
できる条件: 物体を焦点よりも内側（レンズ側）に置いたとき。
像の特徴:
物体と同じ向きの正立の像です。
物体よりも大きく見えます。
利用例: 虫めがね（ルーペ）で物体を拡大して見るとき。
このように、光には基本的なルールがあり、凸レンズはそのルールを利用して、私たちの生活に役立つ様々な道具に応用されています。
光の性質を理解すると、身の回りの現象がもっと面白く見えてきますよ。