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光とレンズmd e2b1afc
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ひかりとレンズ

date2026-07-14document_iddoc_af4e1c7b6f984480b06780615cbf4b98descriptionレンズを屈折によって光線を集めたり広げたりする道具として定義し、薄レンズの公式、倍率、作図の根拠を証明する講義である。prerequisitesスネルの法則の基本 / 鏡と像の基本 / 図形と方程式の基本type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/optics/snell-law-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/optics/mirrors-and-images-basics.lecture.n.md
physicsopticslensimagelecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、レンズを「ぞうつく公式こうしき」としてではなく、屈折くっせつ光線こうせんきをえる道具どうぐとして解説かいせつする。

とつレンズは平行光線へいこうこうせんあつめ、おうレンズはひろげる。うすいレンズでは、このはたらきを焦点距離しょうてんきょり f代表だいひょうさせ、物体距離ぶったいきょり a像距離ぞうきょり bむすぶ。

2用語ようご定義ていぎ

とつレンズconvex lensとは、平行光線へいこうこうせんあつめるレンズである。

おうレンズconcave lensとは、平行光線へいこうこうせんひろげるレンズである。

焦点距離しょうてんきょりfocal length f とは、平行光線へいこうこうせんがレンズをとおったあとにあつまるてん、またはひろがってるようにえるてんまでの距離きょりである。

3方針ほうしん

レンズの作図さくずでは、根拠こんきょのある 3 ほん光線こうせん使つかう。

  1. 主軸しゅじく平行へいこう光線こうせんは、レンズ焦点しょうてんとおる。
  2. 焦点しょうてんとおってレンズへかう光線こうせんは、レンズ主軸しゅじく平行へいこうになる。
  3. レンズの中心ちゅうしんとお光線こうせんは、うすいレンズではほぼ直進ちょくしんする。

4公式こうしき 1:うすいレンズの公式こうしき

物体距離ぶったいきょりa像距離ぞうきょりb焦点距離しょうてんきょりf とすると、うすいレンズでは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]1a+1b=1f

である。

4.1証明しょうめい

物体ぶったいたかさを hぞうたかさを h とする。レンズの中心ちゅうしんとお光線こうせん直進ちょくしんすると近似きんじするので、相似三角形そうじさんかくけいから

hh=-ba

である。

主軸しゅじく平行へいこうはいった光線こうせんは、レンズ焦点しょうてんとおる。この光線こうせん主軸しゅじくでできる相似三角形そうじさんかくけいから

hh=-b-ff

である。2 つのしきひとしくして

ba=b-ff

る。整理せいりすると

bf=a(b-f)

なので

ab=af+bf

である。abfって

1f=1a+1b

る。

5関係式かんけいしき 2:横倍率よこばいりつ

横倍率よこばいりつ m

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]m=hh=-ba

である。

5.1証明しょうめい

うすいレンズの中心ちゅうしんとお光線こうせんはほぼ直進ちょくしんする。物体ぶったい、レンズ中心ちゅうしんぞうでできる 2 つの直角三角形ちょっかくさんかくけい相似そうじである。したがって

|h||h|=|b||a|

である。実像じつぞうでは上下じょうげ反転はんてんするので、符号ふごうふくめると

m=hh=-ba

である。

6整理せいり 3:とつレンズで a>f なら実像じつぞうができる

とつレンズで物体距離ぶったいきょり a焦点距離しょうてんきょり f よりおおきいとき、像距離ぞうきょり bせいになり、実像じつぞうができる。

6.1証明しょうめい

うすいレンズの公式こうしきより

1b=1f-1a

である。a>f>0 なら

1f>1a

なので

1b>0

である。したがって b>0 であり、レンズの反対側はんたいがわ実際じっさい光線こうせんあつまる。よって実像じつぞうができる。

7整理せいり 4:とつレンズで a<f なら虚像きょぞうができる

とつレンズで a<f なら b<0 となり、物体側ぶったいがわ虚像きょぞうができる。

7.1証明しょうめい

うすいレンズの公式こうしきから

1b=1f-1a

である。a<f なら

1a>1f

なので

1b<0

である。したがって b<0 である。これはぞう実際じっさい光線こうせん交点こうてんではなく、物体側ぶったいがわへの延長線えんちょうせん交点こうてんとしてえることを意味いみする。よって虚像きょぞうである。

8見分みわかた

  • 位置いち1/a+1/b=1/f
  • おおきさは m=-b/a
  • とつレンズで a>f なら実像じつぞうa<f なら虚像きょぞう
  • おうレンズは平行光線へいこうこうせんひろげるので、虚像きょぞう基本きほんになる。

9最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]1a+1b=1f
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]m=-ba

10一言ひとこと

レンズの公式こうしきは、特別とくべつ暗記式あんきしきではなく、焦点しょうてんとお光線こうせん中心ちゅうしんとお光線こうせん相似そうじからる。

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