【凸レンズ②】凸レンズが作る実像を学び、カメラの原理を知ろう

中学理科:凸レンズと実像 中1理科

凸レンズを使えば、焦点に光を集めて火をおこすことができるのでした。


今回は凸レンズのもう一つの機能である、カメラの原理ついて学んでみましょう。

カメラは、凸レンズの性質を利用していた!

凸レンズを利用するカメラ
Canon のカメラ

カメラや写真が好きな人はいますか?


キレイな写真を見ると美しいと感じますし、思い出の写真を見ると懐かしい気持ちになりますよね。


しかしカメラはなぜ、美しい風景や人物を写しだすことができるのでしょうか……?

さっそくですが、その答えは凸レンズにあります。

凸レンズが、光を焦点にあつめることは学びましたよね。


カメラは、凸レンズの性質を使って風景や人物を写しだしているのです。

凸レンズで屈折する光
凸レンズの性質。光を左右の焦点に集める。

これから、カメラと凸レンズの関係を学んでいきます。

物体からの光も、凸レンズで屈折する

カメラを使えば、こんなリンゴの写真を撮ることができます。

リンゴ

なぜ撮影できるかというと、


カメラは、リンゴからの光を凸レンズで捉えているからです。

カメラは、リンゴからの光を凸レンズで捉えている

この仕組みをもっと理解するため、試しに凸レンズの前にリンゴを置いてみましょう。


分かりやすさのため、ちょうど光軸の上にリンゴがあるとします。

凸レンズと光軸の上にあるリンゴ

焦点は英語で (Focal Point) というので、焦点は F で表します。


もう一方の焦点は、 F’ (エフダッシュ) で表すことにします。

ここでまず最初に、


リンゴの葉から反射する光は、凸レンズを通してどう屈折するかを考えてみます。

へたから乱反射している図

リンゴの葉は乱反射しているので、あらゆる方向に光が反射しています。


これから光とカメラの関係を学ぶために、


分かりやすい2~3本の光


だけをピックアップして考えていきましょう。

光軸と平行に入る光

まず上図のように、光軸と平行に入る光を考えましょう。


これは簡単。


前回で学んだように、平行に入った光は焦点を通りますよね。

手前の焦点を通り、凸レンズに入る光

もう一つ、簡単に分かる光の道筋を考えてみましょう。


簡単に分かるのは、葉から手前の焦点を通る光です。

手前の焦点を通る光

この光は、凸レンズにぶつかった後、光軸と平行に進みます

手前の焦点を通る光

おっと、これで2本の光が一点に集まりましたね。

この光の道筋は、反対から考えればよく分かります。

もし、下の図のように逆から光が入っていれば、その光は焦点を通るはずですよね。

光の逆行

光の道筋は、逆からたどっても必ず同じになります。
そう考えると、


手前の焦点を通る光は、凸レンズにぶつかれば光軸に平行な光になる


ことが分かります。

手前の焦点を通る光


凸レンズの中心を通る光

2本の光が一点に集まりましたが、ついでにもう一つ分かりやすい光を考えましょう。


それは、凸レンズの中心を通る光です。

この光は、そのまま一直線に通ります。

凸レンズの中心を通る光

これで、3つの光が赤点に集まりました。

凸レンズの中心に入る光は、厳密にはまっすぐ進みません!

以下のように、しっかり2回屈折し、平行にずれた光が凸レンズから出ています。

凸レンズの中心を通る光のイメージ図

しかし、ここの勉強では「屈折せずに直進する」と考えます。

その方が簡単に考えられるからです。

凸レンズを通った光の道筋を3つ覚える

物体から凸レンズへ向かう光の道筋は、以下の3本をしっかり覚えておきましょう。

①光軸と平行に入る光は、凸レンズで屈折して反対側の焦点を通る

②凸レンズの中心を通る光は、そのまま直進する

手前の焦点を通る光は、凸レンズで屈折して光軸と平行に進む

凸レンズで屈折する光

リンゴから出る光は無限にありますが、この3本を理解すれば十分です。

倒立した【実像】が映る

リンゴの葉からの光が一点にあつまりました。


その集まった点に、スクリーン (白い壁のようなもの)を置くと、そこにリンゴが映ります。

スクリーンに映る実像

厳密にいえば、リンゴの葉だけでなく、

  • へた
  • 真ん中の部分
  • 下の部分


など、リンゴの全体からの光が同じようにスクリーンに集まるため、リンゴ全体が映し出されます。

リンゴの全ての場所から3本の光が描ける。それを全て繋げると、リンゴ全体の像となる。

カメラは、スクリーンの位置にあるセンサーでこの光を感知して、写真にリンゴを写しているのです。

凸レンズを通してリンゴからの光がそれぞれ一点に集まりますが、


光が集まった位置にスクリーンを置かないと像は見えません


スクリーンの場所が間違っていても、像は見えません。


凸レンズとスクリーンの位置

このように、スクリーンに映った逆さまのリンゴの姿を、実像というので覚えておきましょう。

リンゴの実像は逆さまに映る


カメラは、凸レンズを通してできた実像を、センサーで記録する機械です。


たくさんの光を屈折させて一点に集めていくので、ハッキリとした姿で写真に残るのです。

カメラの仕組みの概要。


凸レンズを通してスクリーンにできる実像に関して、


「実像は、本物とは上下左右が反対になる」


ことをしっかり覚えておきましょう。

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