光と音の問題
光学台の上に凸レンズを固定し、凸レンズの左側に火のついたろうそくを置きました。ろうそくから凸レンズの中心までの距離は です。凸レンズの右側に置いたスクリーンを光学台にそって動かしたところ、ろうそくと同じ大きさで上下が逆向きの像が、スクリーンにはっきりうつりました。この凸レンズの焦点距離は何 cm ですか。
この問題で使うもの
- 焦点距離の 2 倍の位置と像(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(3 技能)
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右端(太枠)がこの問題で使う技能です。左へドラッグすると、さらに前の前提をさかのぼれます。技能を押すと、そこまでの道筋が光ります。
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ヒント
行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。
ヒント 1
物体と同じ大きさの実像ができるのは、物体をどこに置いたときかを思い出しましょう(焦点距離の 2 倍の位置と像の関係を使います)。
ヒント 2
物体と同じ大きさの実像ができるとき、凸レンズから物体までの距離は焦点距離 の 2 倍、つまり です。
ヒント 3
という式が立ちます。これを について解きましょう。
答えと解説
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解説を読む
「物体を凸レンズから焦点距離の 2 倍の位置に置くと、反対側の焦点距離の 2 倍の位置に、物体と同じ大きさの上下逆向きの実像ができる」ことを使います。
手順 1: 物体の位置を読みとる
スクリーンにうつった像は、ろうそくと同じ大きさで上下が逆向きの実像です。物体と同じ大きさの実像ができるのは、物体が焦点距離の 2 倍の位置にあるときです。
手順 2: 焦点距離を求める
焦点距離を とすると、ろうそくから凸レンズまでの距離が焦点距離の 2 倍なので、
よって、焦点距離は です。(このとき、スクリーンも凸レンズから の位置にあります。)
別解
同じ大きさで上下逆向きの実像ができるのは、物体が焦点距離の 2 倍の位置にあるときである。このとき像も凸レンズの反対側、焦点距離の 2 倍の位置にできる。物体からレンズまでの距離が なので、 より 。確かめ: 焦点距離 のとき、 は焦点距離の 2 倍で、像の大きさは物体と同じになり条件に合う。