光の反射・屈折・凸レンズ ── 問題
基礎
- 鏡の面と光のなす角が 20° のとき、入射角は何度ですか。
- 入射角 30° で鏡に当たった光の、入射光と反射光のなす角は何度ですか。
- 光が空気中から水中へ斜めに入るときの、入射角と屈折角の関係はどれですか。 （ア 入射角 = 屈折角 イ 屈折しない ウ 入射角 > 屈折角 エ 入射角 < 屈折角）
- 全反射が起こる条件として正しいものはどれですか。 （ア 光が空気から水へ入るとき、入射角を大きくする イ 光が水やガラスから空気へ出るとき、入射角を大きくする ウ 光が垂直に境界面に当たる エ 光が鏡に当たる）
- 凸レンズの軸に平行に入った光は、レンズを通ったあとどう進みますか。 （ア 焦点を通る イ そのまま直進する ウ 軸に平行に進む エ レンズの中心を通る）
- スクリーンにうつすことができる像はどれですか。 （ア 虚像 イ 実像 ウ 鏡にうつる像 エ 虫めがねで拡大して見える像）
- 図のように、鏡に光を当てた。反射角 x は何度ですか。
標準
- 焦点距離 12 cm の凸レンズの前 36 cm に物体を置いた。できる像について正しいものはどれですか。 （ア 物体より小さい実像が、上下左右逆向きにできる イ 物体と同じ大きさの実像が、上下左右逆向きにできる ウ 物体より大きい虚像が、同じ向きに見える エ 物体より大きい実像が、上下左右逆向きにできる）
- 焦点距離 4 cm の凸レンズで、物体をレンズから 8 cm の位置に置くと、反対側のスクリーンに物体と同じ大きさの像ができた。レンズからスクリーンまでの距離は何 cm ですか。
- 凸レンズの上半分を黒い紙でおおうと、スクリーンの像はどうなりますか。 （ア 像が 2 倍の大きさになる イ 全体が暗くなるが、形は全部うつる ウ 像の上半分が消える エ 像の下半分が消える）
- 凸レンズの焦点の位置に物体を置いたとき、像はどうなりますか。 （ア 虚像が見える イ 最も大きい実像ができる ウ 像はできない エ 同じ大きさの実像ができる）
- 物体を凸レンズから遠ざけていくと（焦点距離の 2 倍より遠い範囲で）、スクリーン上の像はどうなりますか。 （ア 像の位置も大きさも変わらない イ 像はレンズから遠ざかり、大きくなる ウ 像はレンズに近づき、小さくなる エ 像は消える）
- 水中にあるコインが実際より浅い位置にあるように見える理由はどれですか。 （ア コインからの光が水面で全反射するから イ 光が水中で速くなるから ウ 水がコインを持ち上げているから エ コインからの光が水面で屈折して目に入るから）
- 図のように、鏡に光を当てた。入射光と反射光のなす角は何度ですか。
- 凸レンズと物体の距離 a を変えながら、スクリーンにはっきりした像ができたときのレンズとスクリーンの距離 b を測った。 a（cm）｜18｜24｜36 b（cm）｜36｜24｜18 この凸レンズの焦点距離は何 cm ですか。
- 凸レンズによる像の大きさが、物体の位置によってどう変わるかを調べる。物体の位置だけを変えて結果を比べるために、実験の間ずっと同じにしておく条件はどれですか。 （ア レンズとスクリーンの距離 イ スクリーンにうつる像の大きさ ウ 物体とレンズの距離 エ 使う凸レンズ（焦点距離））
発展
- 身長 180 cm の人が、鏡に自分の全身をうつすために必要な鏡の縦の長さは、最低何 cm ですか（鏡は壁に垂直に取り付ける）。
- 人の目で凸レンズのはたらきをしている部分と、像ができる部分の組み合わせはどれですか。 （ア 虹彩 ── 網膜 イ 水晶体 ── 網膜 ウ 網膜 ── 水晶体 エ 水晶体 ── 虹彩）
- 凸レンズ A でスクリーンにはっきりした像をうつした。光源の位置はそのままで、A を焦点距離の短い凸レンズ B に取りかえた。はっきりした像をうつすには、スクリーンをどう動かせばよいですか。 （ア レンズから遠ざける（像は小さくなる） イ レンズから遠ざける（像は大きくなる） ウ 動かさなくてよい（像の大きさも同じ） エ レンズに近づける（像は小さくなる））
- 光が空気中からガラスへ進むときの入射角と屈折角を測った。 入射角｜0°｜20°｜40°｜60° 屈折角｜0°｜13°｜25°｜35° 同じガラスの中から空気中へ、入射角 25° で光を出したとき、屈折角はおよそ何度ですか。 （ア 13° イ 35° ウ 40° エ 25°）
光の反射・屈折・凸レンズ ── 解答
基礎
- 70 入射角は法線（面に垂直な線）と光の間の角。90 − 20 = 70°。
- 60 反射の法則で反射角 = 入射角 = 30°。2 つの光のなす角は 30 + 30 = 60°。
- ウ 入射角 > 屈折角 空気→水・ガラスでは光は法線に近づくように曲がる。逆向きでは法線から離れる。
- イ 光が水やガラスから空気へ出るとき、入射角を大きくする 水→空気では屈折角が入射角より大きく、入射角を大きくすると屈折角が 90° をこえて全部反射する。光ファイバーに利用。
- ア 焦点を通る 作図の 3 本：平行→焦点、中心→直進、焦点から→平行。
- イ 実像 実像は実際に光が集まってできる。虚像・鏡の像は光が集まっていないのでうつらない。
- 30 反射の法則：入射角 = 反射角。法線と光のなす角どうしが等しいので x = 30°。
標準
- ア 物体より小さい実像が、上下左右逆向きにできる 焦点距離 f = 12 cm、2f = 24 cm。物体が 2f より遠い→小さい実像、2f ちょうど→同じ大きさ、f と 2f の間→大きい実像、f より近い→虚像。36 cm は2f より遠いので、物体より小さい実像が、上下左右逆向きにできる。
- 8 同じ大きさの実像ができるのは物体が焦点距離の 2 倍（8 cm）のとき。像も反対側の 2f = 8 cm にできる。
- イ 全体が暗くなるが、形は全部うつる 物体の各点からの光はレンズ全体を通って 1 点に集まる。半分ふさいでも残り半分の光で像はできる（光の量が減って暗くなる）。
- ウ 像はできない 焦点から出た光はレンズを通ると平行になり、どこにも集まらない。
- ウ 像はレンズに近づき、小さくなる 物体が遠いほど像は焦点に近づき小さくなる。逆に近づけると遠く・大きく。
- エ コインからの光が水面で屈折して目に入るから 水→空気で光が法線から離れる向きに屈折し、目はその光の延長上（浅い位置）に物体があると感じる。
- 120 入射角 = 反射角 = 60° なので、2 つの光のなす角は 60 × 2 = 120°。
- 12 a と b が等しくなるのは、物体を焦点距離の 2 倍の位置に置いたとき（像は物体と同じ大きさ）。表で a = b = 24 cm なので、焦点距離はその半分の 12 cm。
- エ 使う凸レンズ（焦点距離） 調べたいもの（物体の位置）以外の条件はそろえる。スクリーンの位置は像がはっきりする所へ動かすので変わり、像の大きさは結果として測るもの。
発展
- 90 頭の先から目までの光と、足先から目までの光はそれぞれ中点で反射するので、鏡は身長の半分 180 ÷ 2 = 90 cm あればよい。鏡との距離には関係しない。
- イ 水晶体 ── 網膜 水晶体（レンズ）で屈折した光が網膜に実像をつくる。虹彩は光の量を調節（カメラのしぼり）。
- エ レンズに近づける（像は小さくなる） 焦点距離が短いレンズほど光を強く曲げるので、同じ位置の物体の像はレンズの近くにでき、小さくなる。
- ウ 40° 光の道すじは、逆向きにたどっても同じになる。表で空気側 40° のときガラス側が 25° なので、ガラスから 25° で出た光は空気側で 40° になる。
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