- 凸レンズの歴史
- 凸レンズでできる「実像」と「虚像」
- 実像の大きさと光源の距離の関係
なんでいっつもメガネかけてるの？
いいだろ！目が悪いんだ！
そんなに便利なの？
メガネは700年以上前から使われる人類の叡智なんだぞ！！
すごいんだ？
うん！今回はメガネに使われる「凸レンズ」の凄さを語るよ！
仕方ない。聞いてやるか。
それじゃあ授業スタート！
レンズは何に使われる？
レンズは身の回りのいろいろなものに使われています
レンズが使われているものの例を挙げると次のようなものが挙げられます。
- メガネ
- 望遠鏡
- 顕微鏡
- カメラ
- プロジェクター
などなど
たくさん使われているね！
レンズには便利な性質があるからね！
メガネを例に実際にレンズがどのように使われているのかを見ていきましょう。
メガネに使われるレンズは2種類あって「近視用」と「遠視用」です。
どちらも目に入ってきた光を水晶体(レンズ)によって網膜にピントを合わせてみることができない状態です。
＼目が見える仕組みについてはコチラで解説しています♪／
レンズは光の屈折を利用して光を上げることで、ピント合わせて私たちが見えるようにしてくれます！
レンズは2種類あるんだね
そうだね！今回は中心が膨らんでいる凸レンズについて解説します！
凸レンズの活用例
レンズは何百年前から人類の生活に生かされていました。
有名な例だと1608年にオランダの眼鏡師リッペレイ(H. Lipperhey)が、水晶でできた凸レンズの対物レンズと、凹レンズの接眼レンズを組み合わせた屈折式の望遠鏡を作りました！
400年も前から望遠鏡があったんだ！
ガリレオは望遠鏡を使って星々の観察をしました！
その後、人類は月に凸凹した山と谷があることや木星の衛星である位を観察して、その動きから光の速さを計算しました！
望遠鏡によって地動説が証明された！
望遠鏡を使った天体の観測によってその動きから地動説が分かりました。
地動説がわかったのは、望遠鏡によって遠くの星星の動きがわかったことが、最大の要因です！
世界で1番大きいレンズはシカゴ大学にあるヤーキス天文台のレンズで、大きさは口径102cmにもなります！
実物の凸レンズを使って実験してみましょう！
凸レンズの実験
実験器具はこのようになっています
- 光源・・ ろうそくなどの光るもの
- 凸レンズ・・光を屈折させる
- スクリーン・・屈折した光を集める
＼光源についてはコチラで解説しています♪／
凸レンズに平行な光を入れると、1カ所に光が集まります。
光が集まる場所を「焦点」という
凸レンズの曲がり、具合によって焦点の距離はそれぞれ違います。
凸レンズから焦点までの距離を「焦点距離」といいます
焦点距離はレンズによって違う！
この実験では焦点距離が10センチの凸レンズを使って実験をしています
さっきの図のように配置してスクリーンを動かすと、ピントの合う位置に上下左右逆さまになった物体が浮かび上がります。
この浮かび上がった物体のことを「実像」という
実像？
実際に見える像だから「実像」だよ！
焦点距離の２倍の時
焦点距離の2倍に光源を置いて実像の大きさを観察します
同じくらいの実像ができたね！
焦点距離の2倍に光源を置いたときに、できる実像が同じ大きさってのがものすごく大切なポイントです！
光源を置く位置を変えて実験をしてみます
焦点距離の1.5倍の時
同じように、実験をすると焦点距離の1.5倍に置くとできる実像の大きさは大きくなりました！
また、スクリーンの位置はさっきよりも凸レンズから離れた30cmのところでちょうどピントが合いました。
距離と実像の大きさがポイントになりそうだね♪
焦点距離の３倍の時
焦点距離の3倍において実験してみましょう
さっきより小さい像ができたね！
結果はこのようになりました
何か関係がありそうだね！
うん！関係性を考えてみよう！
① 焦点距離の2倍に置くと同じ大きさの像ができる
② 光源を凸レンズから離すとできる実像は小さくなる
③ 光源を凸レンズから離すとスクリーンの位置は近づく
複雑だな〜
わかる〜これは覚えるんじゃなくて作図で理解しましょう！
作図できるんだ
うん！この実験結果と作図結果を見れば暗記しなくても大丈夫！
焦点距離の2倍に置いたときの実験結果と作図を一緒に書くとこう！
右側の実像が元のろうそくと同じ大きさなのがポイント
スクリーンにできる実増の大きさが、もともとのろうそくと同じ大きさになるのが作図からわかりますね。
同じように、焦点距離の3倍に置いたときの実験と作図を見てみましょう。
これも作図通りだね！
作図ができるようになれば、実験結果は考えることができる！
この単元は、実験よりも圧倒的に作図できるかどうかの方が大事なので、作図が不安な人は、次の授業でしっかりと勉強してください！
＼凸レンズの作図方法についてはコチラで解説しています♪／
作図は完璧にしておこう！
焦点の内側の場合は？
光源を焦点に近づけると大きくなるなら焦点だとどうなるの？
いい疑問だね！これも作図してみよう！
焦点の場合
え！できないの！？
うん！実際に実験してみましょう！
光源を焦点上に置いたら、スクリーンをどこに動かしても像はぼやけて実像が見えませんでした。
本当に見えないんだね
作図すると光が平行になるからね（詳しくは次の授業）
焦点の内側の場合
焦点の内側に置いた場合もやってみましょう！
焦点距離の内側に光源を置いた時もスクリーン上に像はできません。
なにも見えないの？
焦点の内側の時は焦点上とは違って「虚像」が見えます
なんで虚像が見えるの？
メカニズムはこう！
①屈折して目にろうそくの光が入ってくる
②でも人間は光は真っ直ぐ進むものだと思ってる
③だから大きなろうそくが点線の先にあるように感じちゃう
本当はないのに見えちゃうなんて人間って不思議だね
これを活かしたのが虫眼鏡や望遠鏡などの拡大する道具です！
実像と虚像の違い
虫眼鏡で見える物体ってどう見える？
大きくみえる！
うん！形は？
そのままじゃない？
その通り！実像と虚像は見え方が違うんだ！
実験してみよう！
ろうそくだった光源を「と」の文字に変えて実験をしてみます。
文字が上下左右反転していることがわかります！
実像は上下左右逆さまになるけど、 虚像はそのまま
実像と虚像の違いは抑えておきましょう！
まとめ
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