【凸レンズ①】火がないのに燃える?光を集める『焦点』を理解しよう

凸レンズ 中1理科

この回では、光の屈折を利用して面白い役割を果たす、凸レンズついて深く学んでいきます。

光を一点に集める凸レンズ (とつレンズ)

凸レンズ

この写真をみてください。


これは、左右にふくらんだ形をした、ガラスでできた物体です。


こんなガラスのことを、凸レンズ(とつレンズ)といいます。
(凸は記号に見えますが、漢字です。)

凸レンズ横から見た図
凸レンズを寝かせた写真


凸レンズは、光を集める性質がある

この凸レンズの大きな特徴は、


光を一点に集める性質です。


例えば、凸レンズに平行な光が入射したとします。

凸レンズに平行に入射する光


凸レンズ

 


すると、

  • 光がガラス (レンズ) に入るとき
  • 光がガラス (レンズ) から出るとき


の2回、光は屈折することになりますよね。


光は凸レンズで2回屈折する
「空気→ガラス」、「ガラス→空気」の2回屈折する

では、光は凸レンズでどんな風に屈折するのでしょうか?


光の屈折で説明したように、


屈折する方向は、車をイメージすれば分かるのでした。


凸レンズで曲がる光の道筋
凸レンズの上側を通る光の道筋
凸レンズで曲がる光の道筋
凸レンズの下側を通る光の道筋

下のように、凸レンズの真ん中に垂直に入る光は、屈折せずに直進します。

凸レンズに垂直に入射する光

これらの、凸レンズで屈折する光をまとめて描くと、以下のような動きになります。

凸レンズで屈折し、焦点に集まる光
凸レンズに光が入射する
平行な光が凸レンズにぶつかり屈折し、一点に集中している実際の図
https://www.shokabo.co.jp/sp_e/optical/labo/lens/lens.htm

このように、凸レンズに平行に入った光は、屈折してたった一点に集中します。

光が集まったその点のことを、焦点(しょうてん)と言います。

凸レンズによる焦点の位置

本当は、光は凸レンズ内で2回屈折しています。

凸レンズで2回屈折

しかし、理科では単純に考えるため、


「凸レンズの中心で一回屈折している」


ような図を描きます。

凸レンズの光の屈折の図

今後も、いちいち2回屈折した図は描かないので注意!


また、凸レンズの中心と焦点を通るまっすぐな線を、光軸(こうじく) といいます。

光軸

凸レンズが作る焦点

説明のとおり、凸レンズは光の屈折を利用し、光を焦点に集める性質があります。


焦点は、凸レンズの左右どちらにもあります。

凸レンズの左右にある焦点
左右にある焦点


凸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。

光軸と焦点距離

ちなみに、焦点距離は、レンズの太さによって変わります


  • 凸レンズが薄い……焦点距離は長くなる
  • 凸レンズがぶ厚い……焦点距離は短くなる
凸レンズがぶ厚いほど焦点距離は短くなる

焦点を使えば、火をおこすこともできる

光は一点に集まると、非常に大きな熱となります。なので凸レンズが作る焦点は、非常に熱いことを覚えておきましょう。


なので、凸レンズで光を一点に集めると、火をおこすこともできます。


物を焼いたり、がすことができるから、焦点という名前がついています。

凸レンズで火をおこす写真
http://wildernessarena.com/food-water-shelter/firecraft/lighting-a-fire


Fire Started with a Convex Lens

木や草、紙など燃えるものに焦点を当て続けると、熱により火が出ます。

身近なものでは、虫眼鏡は凸レンズを利用した便利グッズです。

凸レンズなので当然、虫眼鏡も焦点を持っています。だから虫眼鏡を使えば上の動画のように火をおこすことができます。(コツが必要ですが)

虫眼鏡の焦点を使って火をおこす

虫眼鏡に限らず、

  • 金魚鉢
  • ペットボトル
  • 花瓶

などは凸レンズのような役割を果たし、太陽光を屈折させ、焦点に集中させます。


従って、これらは窓際に放置してはいけません!鏡もダメです。


もし紙などの上に焦点があれば、火事になってしまうからです。

窓際に金魚鉢を置くと火事になる
直射日光がガラスなどを当たり続けると、とても危険

もちろん、虫眼鏡など光を集める道具で太陽を見てはいけません


強い光が目の一点に集中してしまい、ダメージを受けて失明してしまうかもしれません!

光の屈折、利用すればとても面白いですし、一方ではとても危険です。

火事を避けたい人は、以下の記事も読んでおきましょう。

参考:冬の「収れん火災」に気をつけて。ペットボトルで火事が起こる可能性も…

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