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虫めがねの原理

Q:虫めがねは、どうして大きく見えるの?
虫めがねを通してものを見ると大きく見えるのはなぜか。光の屈折と凸レンズのはたらきについて説明します。

屈折(くっせつ)とは

虫めがねで大きく見える屈折とは、光が水やガラスなどの中に進むときに曲がる現象のことをいい、光だけではなく、音や波も屈折をします。
屈折はすべての波に共通する性質のひとつです。

光が曲がる度合いは、水やガラスの種類によって違い、屈折率という数字で表されます。
屈折率の大きいものほど光は大きく曲がるので、ガラスより屈折率が大きいダイヤモンドなどは光がよりキラキラして見えます。

空気に対する屈折率
1.33
ガラス およそ1.5
ダイヤモンド 2.42

レンズの形

凸レンズと凹レンズ 虫めがねのレンズは横から見るとどんな形をしているでしょうか?
虫めがねのレンズは、中心が盛り上がっていて、右の図の左側のような形です。これは凸レンズ(とつれんず)といいます。
また、図の右側のレンズは凹レンズ(おうれんず)と言い、これもいろいろな所に使われています。

凸レンズのはたらき

凸レンズの面に垂直に平行な光が入ると、光はレンズのガラス面で屈折して、下の図のように1点に集まります。
虫めがねで太陽の光を集めて、ちょうど光が集まる場所に黒い紙などをおくと、太陽光が集まって紙に火をつけることもできます。

光の進み方 虫めがねで光を集める

ひとの目のしくみ

ひとの目も凸レンズでできています。
太陽や照明の光がものにあたると、光は四方八方に反射します。その光の一部が目に飛び込んできて、ものが見えるのです。
次の図で説明します。

この図ではエンピツの先から出た光だけ示しましたが、実際にはエンピツのあらゆる所から光は出ているので、エンピツの像が目の奥の網膜(もうまく)という所にできます。
光が集まって実体と同じ絵を写し出すことを「像ができる」といいます。
目のレンズは、光を感じる細胞が集まった網膜にちょうど像ができるように調整され、この逆さまの像を感じて、ものを見ているのです。

ものが見えるしくみ

凸レンズがつくる像

上の図のように、エンピツの先から出た光の一部が目のレンズに入るとき、その光の角度で網膜にできる像の大きさは変わります。
それでは、エンピツと目の間に虫めがねをおくと光の道すじはどう変わるでしょうか。
図のように、エンピツの先(A点)から出た光は赤い線のように屈折し、虫めがねを通った光の角度が変わります。
赤い実線を逆の方向に点線でのばしてみると、C点で全部ひとつに集まります。
つまり、レンズを通ったあとの光の道すじは、まるでC点から光が広がっているときと同じ進み方なのです。
そして、ひとの目に虫めがねを通った光が入ってくると、このエンピツがまるでCC’の大きさのように見えます。
CC’に見える像を虚像(きょぞう)と言い、虚像はAA’の本物より大きくなります。虫めがねを通して見ているのはこの虚像なのです。

虫めがねの原理
補足

実体の位置AA'を虫めがねから遠ざけると、虚像はだんだん大きくなりますが、AA'の位置がレンズの焦点という点の上までくると像はできなくなります。
そして、さらにAA'の位置が焦点を越えると実像というさかさまの像がレンズの反対側にできて、私たち目にはさかさまの像が見えるようになります。
このため、虫めがねで遠くの景色を見るとさかさまに見えるのです。

※レンズの法則や焦点・実像・虚像などの詳しい内容は、高校物理実験などで調べてください。
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