みなさんが小学生のころから親しんでいる理科の実験道具のひとつに レンズ があります。レンズは光の屈折を利用して物体を観察する道具で、特に中心部分が膨らんでいるレンズのことを 凸レンズ といいましたね。今回は 凸レンズの焦点 について解説していきます。

中学校で学習した凸レンズの知識について復習しておきましょう。下の凸レンズの図を見てください。

レンズの中心Oを通過する水平な軸のことを 光軸 といいました。 凸レンズは光を一点に集める という性質があります。日光を虫眼鏡を通じて一点に集めるという実験を、小学校などでやられた方も多いのではないでしょうか。凸レンズに左から光軸に平行な光線を入射すると図のようになります。

光軸に平行な光線 はレンズを通過する際に屈折し、内側に曲げられます。 曲げられた光はある一点に到達 します。その点を 焦点 と言い、記号Fで表します。中心から焦点までの距離は 焦点距離 といいます。光軸に平行な光線であれば、レンズのどの場所を通っても必ず焦点を通過することをおさえましょう。

レンズを通る光は、なぜ屈折するのでしょうか。これまで学習した知識で考えてみてください。

まず、光が空気からレンズに入るとき、空気の屈折率はレンズの屈折率より小さいため、入射角よりも屈折角が小さくなり、光が内側に曲げられますね。さらに光がレンズから出て行く際、レンズの屈折率は空気の屈折率より大きいため、入射角より屈折角が大きくなり、さらに光が内側に曲げられるのですね。

光軸に平行な光線は、屈折して焦点を通りますね。これに対し、 中心に向かう光線はそのまま直進 します。

中心部分はほぼ平行なガラス板だと見なせるため、光は屈折せず直進するとみなせます。また、光が中心Oに対して斜めに入射する場合も、直進するとみなせます。

凸レンズにおいて重要な2つのポイントをまとめておきましょう。

ちなみに、レンズに光が入射する側を 前方 、光が出てくる側を 後方 と言います。焦点は後方の側にあり、レンズの後方を+と定めると、焦点距離fはf>0となります。