凸レンズの作図と実像・虚像｜光の反射と屈折の授業で使える教材

中学1年 / 第1分野 (1)身近な物理現象 (ア)光と音㋐光の反射・屈折㋑凸レンズの働き

光の反射・屈折・凸レンズ

中学1年・10〜50分・無料・登録不要

光は目に見えません。見えているのは「光が当たった物」であって、光の道すじそのものではありません。だから光の単元は、黒板の作図と実験の見え方が結びつきにくいところです。

このツールは、光源・鏡・ガラス・凸レンズを指でつまんで動かせます。動かすたびに道すじが引き直され、角度と距離の値が画面の上に出ます。反射・屈折・凸レンズの3つの場面を切り替えて使います。

この単元でつまずくところ

入射角をどこから測るか。 鏡の面からではなく法線から測る、というのが最初の関門です。角度を変えながら法線と入射角・反射角を同時に見ていると、「面から測ると等しくならない」ことが自分で分かります。
鏡に映る像がどこにあるか。 「鏡の奥に、鏡から同じ距離だけ離れたところ」と覚えても、鏡の長さを変えたときに何が見えなくなるかは説明できません。鏡を短くしていくと、像は残ったまま見える範囲だけが狭くなります。
実像と虚像の切り替わり。 物体を焦点の内側に入れた瞬間に、スクリーンに映らなくなり、レンズの向こう側に大きな正立の像が現れます。ここは式ではなく、境目をまたぐ操作で体に入ります。
倍率と距離の関係。 物体からレンズまでの距離 a と、像までの距離 b。この2つが両方動くので、表を埋めるだけでは規則が見えません。連続して動かすと、a が焦点距離に近づくほど b が急に伸びることが見えます。

入射角と反射角: 法線を引いた状態で、両方の角度の値が同時に出ます。光源を動かすと値が連動します。
鏡に映る像と見える範囲: 鏡の長さを1cm刻みで変えられます。像の位置は変わらず、見える範囲だけが変わることが分かります。物体を3つまで置けます。
屈折角と全反射: 材質（水・ガラスなど）を選べます。入射角を大きくしていくと臨界角を超えて全反射に変わります。臨界角の値も出ます。
凸レンズの作図: 光軸に平行な光・中心を通る光・焦点を通る光の3本を引きます。焦点距離、物体の高さ、物体までの距離 a、像までの距離 b、倍率が出ます。
スクリーンとピント: スクリーンを前後に動かせます。ピントが合う位置でだけ像がはっきりします。虚像のときはどこに動かしても映りません。

5分

プロジェクターに映して、凸レンズの物体を焦点の外から内へゆっくり動かします。「スクリーンに映らなくなった瞬間」を全員で見ます。用語はそのあとで出します。

15分

条件つきのリンクを配って、各自の端末で a と b を5点ほど読み取らせ、表にします。焦点距離を変えた同じ表をもう1枚作ると、規則が見えます。

50分

「スクリーンに映る像を、物体と同じ大きさにするには？」だけを渡して探させます。答えは a = b = 2f ですが、先に言いません。見つけた条件のリンクを提出させると、そのまま記録になります。

どの使い方でも、動かした条件はそのままURLに入ります。画面の「リンクをコピー」を押して配れば、生徒の端末でも同じ画面が開きます。生徒が見つけた条件のリンクを提出させれば、そのまま記録になります。

中学校で教える形を優先して、省いている条件があります。教科書や資料集の数値と合わないことがあるので、先に書いておきます。

「作図の光線」の表示を切ると消せます。まず像だけを見せて、あとから作図を重ねる使い方ができます。

出ます。動かしても映らないことを確かめられます。「映らない」ことを見せるのが目的なので、消えない作りにしています。

角のところに直接出ます。表を見に行かなくても、図の上で読み終わるようにしています。

直してほしいところは改善の要望から。ツールの画面の「要望を送る」を押せば、そのとき見ていた条件のURLが付いた状態で開きます。