実像と虚像の違いが、授業を聞いてもよく分からなかった人へ。
- 「実像」と「虚像」って、何が違うの？
- スクリーンに映る像と映らない像の見分け方が分からない…
- 物体の位置を変えると、像がどう変わるのか覚えられない…
こういう人に向けて書きました。
結論からいうと、実像と虚像の違いは「スクリーンに映るかどうか」です。
凸レンズでは、物体を焦点の外側に置くと実像（上下左右が逆）ができます。
物体を焦点の内側に置くと虚像（同じ向きで大きく見える）になります。
実像と虚像とは
実像とは、光が実際に集まってできる像のことです。
光が1点に集まっているので、その位置にスクリーンを置くと、像が映ります。
虚像とは、光が実際には集まっていないのに、集まっているように見える像のことです。
光が集まっていないので、スクリーンを置いても何も映りません。
虚像は、レンズをのぞいたときに目で見えます。
図の左は、物体が焦点距離の2倍の位置にあるときです。
物体と等しい大きさの実像が、レンズの反対側にできています。
図の右は、物体が焦点より近い位置にあるときです。
レンズを通った光は広がっていくので、1点に集まりません。
その光を逆向きにのばした先（点線）に、物体より大きな虚像が見えます。
凸レンズでできる像のしくみ
像がどこにできるかは、3本の光の進み方を作図すれば分かります。
- 軸に平行な光は、レンズを通ったあと焦点を通る
- レンズの中心を通る光は、そのまま直進する
- 焦点を通ってレンズに入る光は、レンズを通ったあと軸に平行に進む
この3本のうち2本を描けば、交わった点に像ができます。
図のように、3本の光が1点に集まると、そこに実像ができます。
この実像は、物体とは上下が逆向きです。
このように、上下左右が逆向きの像を倒立の像といいます。
虚像のほうは、光が集まらないので、光を逆向きにのばして交わる点を探します。
虚像は、物体と同じ向きの像で、正立の像といいます。
物体の位置と像のまとめ
焦点距離をfとして、物体をレンズからaの位置に置いたときの像を表にします。
| 物体の位置 | 像の種類 | 像の向き | 像の大きさ |
|---|---|---|---|
| 焦点距離の2倍より外側 | 実像 | 倒立 | 物体より小さい |
| 焦点距離の2倍の位置 | 実像 | 倒立 | 物体と同じ |
| 焦点と焦点距離の2倍の間 | 実像 | 倒立 | 物体より大きい |
| 焦点の位置 | 像はできない | – | – |
| 焦点より内側 | 虚像 | 正立 | 物体より大きい |
覚えるのは「焦点の外側なら実像、内側なら虚像」だけで十分です。
実像はどれも倒立で、虚像は正立です。
虫眼鏡で見えるのは虚像
虫眼鏡（凸レンズ）で文字を見ると、大きく見えます。
これは、文字を虫眼鏡の焦点より内側に置いているからです。
このとき見えているのは、物体より大きな虚像です。
虫眼鏡を文字から遠ざけていくと、焦点を超えたあたりで像が上下左右逆に見えます。
これは、虚像から実像に変わったということです。
よくある間違い
間違い① 実像は小さい像、虚像は大きい像だと思う
実像にも、物体より大きい像、同じ大きさの像、小さい像があります。
実像と虚像を分けるのは、大きさではなく「光が集まっているかどうか」です。
間違い② 虚像は「ない像」だと思う
虚像は、目では見えます。
虫眼鏡をのぞけば見えるのが虚像です。
映らないのはスクリーンであって、見えないわけではありません。
間違い③ 焦点の位置に物体を置いても像ができると思う
物体が焦点の位置にあると、レンズを通った光は軸に平行になり、1点に集まりません。
どれだけ離れても光が交わらないので、像はできません。
入試ではこう出る
入試では、光学台に物体・凸レンズ・スクリーンを並べた実験の図がよく出ます。
このような図で、スクリーンに像がはっきり映るときの距離aとbを答えさせる問題があります。
図のように焦点距離が10cmのとき、a＝20cmなら、スクリーンに映る像の位置もb＝20cmです。
このとき、像の大きさは物体と同じになります。
aを20cmより大きくすると、スクリーンを近づけた位置に、物体より小さい実像が映ります。
aを20cmより小さくすると、スクリーンを遠ざけた位置に、物体より大きい実像が映ります。
「物体をレンズに近づけたら、像はどうなるか」は、実像の問題の定番です。
もう1つの定番が、「物体を焦点の内側に入れたら、スクリーンに何が映るか」です。
答えは「何も映らない（虚像はスクリーンに映らない）」です。
練習問題
焦点距離が10cmの凸レンズを使って考えます。
問1 スクリーンに映る像を何といいますか。
また、スクリーンに映らず、レンズをのぞいたときに見える像を何といいますか。
問2 物体をレンズから20cmの位置に置いたとき、スクリーンをレンズから何cmの位置に置くと、はっきりした像が映りますか。
また、その像の大きさは物体と比べてどうなりますか。
問3 物体をレンズから5cmの位置に置いたとき、スクリーンに像は映りますか。
映る・映らないで答え、できる像の種類と向きも答えなさい。
問4 物体をレンズから30cmの位置に置き、スクリーンにはっきりした像を映しました。
物体をレンズから15cmの位置まで近づけたとき、はっきりした像を映すにはスクリーンをレンズに近づけますか、遠ざけますか。
また、像の大きさはどうなりますか。
問5 虚像がスクリーンに映らないのはなぜですか。
「光」という語を使って説明しなさい。
解答と解説
問1 答え: 実像、虚像
光が実際に集まってできてスクリーンに映る像が実像です。
光が集まっていないのに、集まっているように見える像が虚像です。
問2 答え: 20cm、同じ大きさ
焦点距離10cmの2倍は20cmです。
物体が焦点距離の2倍の位置にあるとき、像も反対側の焦点距離の2倍の位置にできます。
式で書くと、10(cm)×2＝20(cm)です。
このとき、像は物体と同じ大きさの倒立の実像です。
問3 答え: 映らない、虚像で正立（物体と同じ向き）
5cmは焦点距離10cmより内側です。
焦点の内側に置いた物体の像は虚像なので、スクリーンには映りません。
レンズをのぞくと、物体より大きい正立の虚像が見えます。
問4 答え: 遠ざける、大きくなる
30cmは焦点距離の2倍（20cm）より外側なので、はじめの像は物体より小さい実像でした。
15cmは焦点（10cm）と焦点距離の2倍（20cm）の間なので、像は物体より大きい実像になります。
物体をレンズに近づけると、実像はレンズから遠い位置にできます。
だから、スクリーンはレンズから遠ざけます。
問5 答えの例: 虚像は、光が実際には集まっていないから。
実像は、レンズを通った光が1点に集まるので、その位置にスクリーンを置くと像が映ります。
虚像は、レンズを通った光が広がっていき、実際には1点に集まりません。
スクリーンに光が集まらないので、像が映りません。
まとめ
- 実像は、光が実際に集まってできる像。スクリーンに映る。倒立
- 虚像は、光が集まらず、集まっているように見える像。スクリーンに映らない。正立で、目では見える
- 物体が焦点の外側なら実像、内側なら虚像、焦点の位置なら像はできない
- 物体が焦点距離の2倍の位置にあるとき、像も2倍の位置にできて、物体と同じ大きさになる
- 虫眼鏡で見える大きな像は虚像
まずは、「焦点の外側なら実像、内側なら虚像」だけ覚えてください。
像ができる位置は、3本の光を作図すれば確かめられます。
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高校受験ラボ・進学塾リードアップ代表の山田優輔です！
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