凸レンズの上半分を黒い紙で覆っても、スクリーンに映る像の上半分や下半分が、そのまま消えるわけではありません。通常の実像をつくる実験では、像全体が暗くなります。「レンズが半分だから像も半分」と考えたくなりますが、レンズの場所と、映る物体の場所は一対一で担当が分かれていないのです。
ここでは物体を凸レンズの焦点より外側に置き、スクリーンにはっきりした像ができている状態を考えます。物体・レンズ・スクリーンの位置は動かしません。また、覆う紙はレンズのすぐそばに置くものとします。紙を置く場所まであいまいにすると、違う実験の結果を比べることになります。
まず、物体の一点だけを追う
赤い点と青い点が上下に並んだ発光する物体を想像してください。赤い点からの光は、レンズの一か所だけに進むのではありません。レンズの上側にも中央にも下側にも届きます。そのうちレンズを通った光が、スクリーンの同じ位置に集まるため、赤い点の像ができます。
青い点についても、別に同じことが起こっています。青い点から出た光にも、レンズの上側を通るものと下側を通るものがあります。ただし、赤い点の光と青い点の光が集まる位置は異なります。物体の点ごとに光が集まる位置が決まり、それを合わせると物体全体の像になる、と順番に考えましょう。
よく使う作図では、一本か二本の代表的な光線だけを引きます。その線しか光が存在しない、という意味ではありません。位置を求めるために、追いやすい道筋を選んでいるのです。線を一本消したら像も消える、という理解になっていたら、作図と実際の光をいったん分ける必要があります。
隠した部分を通れなくても、別の道が残る
図では赤い点、青い点のそれぞれについて、レンズの下側を通って像に届く光を描きました。上側を覆った後も、この道は残っています。したがって、両方の点の像が残ります。一方、上側を通っていた光は届かなくなるので、各点に集まる光の量が減ります。これが像全体の明るさが下がる理由です。
「全部映るなら、何も変わらない」と書くのも不十分です。形が残ることと、明るさが同じことは別の観察項目です。答案では、像の範囲・位置・大きさ・明るさを分けると、何を答えるべきかが整理できます。この実験の基本モデルでは、範囲・位置・大きさは変わらず、明るさが下がります。
ただし、面積を半分覆ったから、測定した明るさも必ずちょうど半分になる、とまでは言い切りません。照明の当て方やレンズへの光の入り方などにも左右されます。小さな穴だけを残す場合や、実際の光学機器の端まで詳しく調べる場合には、ぼけ方や明るさのむらも問題になります。ここで説明しているのは、通常の学校実験で像のでき方を考えるための基本です。
「何を隠したか」を文章にする
レンズを隠すことと、物体から出る光そのものを遮ることを混同しないようにしましょう。レンズの覆いでは、一つの点から出た光の通り道の一部を減らしています。物体の赤い点を不透明な覆いですっかり隠したなら、その点からレンズへ届く光自体がなくなります。この二つは、同じ黒い紙を使っていても条件が違います。
実験の説明を読むときは「紙で半分隠した」だけで読み進めず、「レンズの面を」「物体の一部を」と目的語を補ってください。理科では道具の名前よりも、その道具がどの光を止めるのかが大切です。スクリーンに映る像は上下が逆になるため、物体を覆った実験では、消える位置も光の道筋で確かめます。
例題1｜実験ノートの一文を直そう
二つの点からなる物体を映し、レンズの上半分を覆いました。ノートには「像の下半分が消える。上のレンズが下の像を担当するから」とあります。図に残った光線を使って、この説明を二文で書き直してください。
答え・解説：「物体のどちらの点からも、覆われていないレンズの下側を通ってスクリーンに届く光があるので、二つの点の像は残る。ただし、覆う前より届く光が減るため、像は暗くなる。」が一例です。単に「暗くなる」と結論を置き換えるだけでなく、なぜ点が消えないのかを先に説明できることを目標にします。
例題2｜暗くなった像を比べる条件
同じ位置から同じ物体を映した写真AとBがあります。Aはレンズを覆わず、Bは半分覆っています。ところが、Bを撮影したカメラは自動で露出を調整していました。「写真の明るさが同じだから、届く光も同じ」と結論づけてよいでしょうか。比較のために直す条件も答えてください。
答え・解説：その結論は出せません。カメラ側が画像を明るくする調整をした可能性があるからです。照明や各道具の位置に加え、撮影時の露出条件をそろえて比較します。肉眼で観察する場合も、部屋の明るさを途中で変えないことが大切です。「変えた条件は覆いだけ」と言える実験になっているかまで確認しましょう。
小さな穴の像と、つなげて考える
ピンホールカメラの像は、小さな穴を通る光の方向から上下の逆転を考える題材です。凸レンズでは、ある一点から広がった光を曲げて集める働きが加わります。同じ「逆さに映る」でも、道具の働きまで同じとは限りません。
また、顕微鏡の倍率と視野では、見える範囲と明るさを分けて読むことが役立ちます。光の問題で迷ったら、いきなり像全体を想像せず、物体の一点を選び、どこを通った光がどこに届くかを描く。この手順を使えるようにしておきましょう。