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光と音の問題

難易度 1教科書の例題レベル中学理科 光と音

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。

ろうそく凸レンズ
スクリーンは凸レンズの右側にある(図には描いていない)

この問題で使うもの

この問題を解けるようになるまで(3 技能)
算数中学高校大学大学院

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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。

一覧で見る(前提が先)
  1. 光の反射・屈折・全反射の用語
  2. 凸レンズの実像と虚像
  3. 焦点距離の 2 倍の位置と像

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。

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