角度は、特にことわりがない限り「法線（境界面に垂直な線）」から測るものとします。
太陽や電灯のように、自ら光を出している物体を何というか。
解答光源
月や本、机などは自ら光を出していません。光源から出た光がそれらの物体で反射し、その光が目に入ることで物体が見えます。
光が空気中や水中など、同じ物質の中を進むとき、どのように進むか。また、この性質を何というか。
解答まっすぐ進む。／光の直進
物体の後ろに影ができるのは、光がまっすぐ進み、物体にさえぎられた部分に光が届かないためです。
図のように、鏡に光を当てた。入射角が \(30^\circ\) のとき、反射角は何度か。
解答\(30^\circ\)
光が反射するとき、入射角と反射角は等しくなります（反射の法則）。
\(\text{入射角} = \text{反射角}\)
入射角・反射角は、どちらも鏡の面ではなく法線から測った角です。
図のように、光が鏡の面と \(40^\circ\) の角をなして当たった。このときの反射角は何度か。
解答\(50^\circ\)
\(40^\circ\) は鏡の面からの角なので、入射角ではありません。法線は鏡の面に垂直なので、
\(\text{入射角} = 90^\circ - 40^\circ = 50^\circ\)
反射の法則より、反射角も \(50^\circ\) です。
表面に細かな凹凸がある物体に光が当たると、光はいろいろな方向に反射する。この反射を何というか。また、この反射によって、私たちにはどのようなことが可能になるか。
解答乱反射／いろいろな方向から物体を見ることができる。
凹凸の一つひとつの面では反射の法則が成り立っていますが、面の向きがばらばらなので、反射光がさまざまな方向へ広がります。そのため、どの位置からでも物体からの光が目に届きます。
図のように、光が空気中から水中へ斜めに進んだ。水中を進む光の道すじとして正しいものを、ア〜ウから1つ選べ。
解答ア
光が空気中から水中（またはガラス中）へ進むとき、境界面で法線に近づくように屈折します。
空気 → 水：\(\text{入射角} > \text{屈折角}\)
イはまっすぐ進んだ場合、ウは法線から遠ざかる向きに曲がった場合なので誤りです。
光が水中から空気中へ斜めに進むとき、入射角と屈折角はどちらが大きいか。
解答屈折角のほうが大きい。
問6の光の道すじを逆向きにたどったものと同じです（光は来た道を逆向きに進むこともできます）。
水 → 空気：\(\text{入射角} < \text{屈折角}\)
光が水中から空気中へ進むとき、入射角をある大きさ以上にすると、光は空気中へ出ていかず、境界面ですべて反射する。この現象を何というか。また、この現象を利用しているものを1つ答えよ。
解答全反射／光ファイバー（胃カメラ、通信ケーブルなど）
水→空気では屈折角が入射角より大きくなるため、入射角を大きくしていくと屈折角が先に \(90^\circ\) に達します。それ以上入射角を大きくすると光は空気中へ出られず、すべて反射します。全反射は、水やガラスから空気へ進むとき（屈折角が大きくなる向き）にだけ起こります。
水を入れたコップの底にある硬貨を斜め上から見ると、実際よりも浅い位置に浮き上がって見える。この理由を説明せよ。
解答硬貨からの光が水面で屈折して目に届くが、目は光がまっすぐ進んできたように感じるため、屈折した光を逆向きに延長した位置に硬貨があるように見えるから。
水→空気では屈折角が入射角より大きくなるため、光の延長線は実際の位置より浅いところを通ります。
鏡から \(1.5\,\mathrm{m}\) 離れた位置に立って鏡を見た。鏡に映った自分の像は、自分から何 \(\mathrm{m}\) 離れた位置に見えるか。
解答\(3.0\,\mathrm{m}\)
鏡に映る像は、鏡の面に対して物体と対称な位置（鏡の奥 \(1.5\,\mathrm{m}\)）に見えます。
\(1.5\,\mathrm{m} \times 2 = 3.0\,\mathrm{m}\)
図中の F は凸レンズの焦点を表します。
凸レンズの光軸（レンズの軸）に平行な光を当てると、レンズを通った光は1点に集まる。この点を何というか。また、レンズの中心からこの点までの距離を何というか。
解答焦点／焦点距離
焦点はレンズの両側に1つずつあり、レンズの中心からの距離はどちらも等しくなります。ふくらみが大きい（厚い）凸レンズほど、焦点距離は短くなります。
図の光ア〜ウは、凸レンズを通過したあと、それぞれどのように進むか。
解答ア：反対側の焦点を通る。 イ：そのまま直進する。 ウ：光軸に平行に進む。
この3本の光は、凸レンズの像を作図するときの基本になります（作図では、光はレンズの中心線で1回だけ曲がるものとして描きます）。
物体を凸レンズの焦点距離の2倍の位置に置いた。スクリーンにできる像について、位置・向き・大きさを答えよ。
解答位置：レンズの反対側の、焦点距離の2倍の位置 向き：上下左右が逆 大きさ：物体と同じ
スクリーンに映る像を実像といいます。実像は物体と上下・左右が逆向きになります。焦点距離を \(f\) とすると、物体が \(2f\) の位置にあるとき、像も反対側の \(2f\) の位置に同じ大きさでできます。
焦点距離 \(10\,\mathrm{cm}\) の凸レンズから \(30\,\mathrm{cm}\) 離れた位置に物体を置いた。
(1) 実像ができる位置を、次のア〜エから選べ。
(2) 像の大きさは物体と比べてどうなるか。
解答(1) イ (2) 物体より小さい
物体が焦点距離の2倍（\(20\,\mathrm{cm}\)）より遠くにあるとき、実像は反対側の「焦点と焦点距離の2倍の位置の間」にでき、物体より小さくなります。
焦点距離がわからない凸レンズを使い、物体とレンズの距離 \(a\) を変えながら、スクリーンにはっきりした像ができるときのレンズとスクリーンの距離 \(b\) を調べた。表はその結果である。
| 物体とレンズの距離 \(a\)〔cm〕 | 15 | 20 | 30 | 60 |
|---|---|---|---|---|
| レンズとスクリーンの距離 \(b\)〔cm〕 | 30 | 20 | 15 | 12 |
(1) この凸レンズの焦点距離は何 \(\mathrm{cm}\) か。
(2) 像の大きさが物体より大きくなったのは、\(a\) が何 \(\mathrm{cm}\) のときか。
解答(1) \(10\,\mathrm{cm}\) (2) \(15\,\mathrm{cm}\)
(1) \(a = b = 20\,\mathrm{cm}\) のとき、物体と像は同じ大きさで、どちらも焦点距離の2倍の位置にあります。
\(2f = 20\,\mathrm{cm} \quad\Rightarrow\quad f = 10\,\mathrm{cm}\)
(2) 像の大きさは \(\dfrac{b}{a}\) 倍になります。\(a=15\,\mathrm{cm}\) のとき \(\dfrac{30}{15}=2\) 倍で、物体より大きくなります（\(b > a\) のとき像は大きい）。
物体を凸レンズと焦点の間に置いた。
(1) スクリーンに像は映るか。
(2) レンズを通して物体を見たときに見える像について、名称・向き・大きさを答えよ。
解答(1) 映らない (2) 虚像／物体と同じ向き／物体より大きい
レンズを通った光は広がりながら進むので、1点に集まらず実像はできません。しかし、光を逆向きに延長した位置に、物体と同じ向きで大きな像が見えます。これを虚像といい、虫眼鏡（ルーペ）はこのしくみを利用しています。
物体をちょうど焦点の位置に置いたとき、像はどうなるか。理由とともに答えよ。
解答像はできない（実像も虚像もできない）。レンズを通った光が平行に進み、1点に集まらないから。
焦点を通った光は、レンズを通過すると光軸に平行に進みます（問2のウ）。物体の1点から出た光がすべて平行になるため、交わる点も、逆向きに延長して交わる点もありません。
焦点距離の2倍より遠い位置にある物体を、さらにレンズから遠ざけていった。スクリーンにできる実像の位置と大きさは、それぞれどのように変化するか。
解答位置：レンズ（焦点）に近づく 大きさ：小さくなる
物体が遠いほど、像は焦点に近い位置に小さくできます（問5の表で \(a\) が大きくなると \(b\) と \(\dfrac{b}{a}\) が小さくなることからも確認できます）。逆に、物体を焦点に近づけると、像はレンズから遠ざかり大きくなります。
スクリーンにはっきりした実像が映っている状態で、凸レンズの上半分を黒い紙でおおった。スクリーンの像はどうなるか。次のア〜エから選べ。
解答ウ
物体の各点から出た光は、レンズのいろいろな部分を通って像の1点に集まります。上半分をおおっても、下半分を通る光で像全体がつくられるため、形は欠けません。ただし、集まる光の量が減るので暗くなります。
図は、方眼紙の上に凸レンズ、焦点 F、物体（矢印）を示したものである。方眼の1目盛を \(1\,\mathrm{cm}\) とする。
(1) 作図をして、実像ができる位置はレンズから何 \(\mathrm{cm}\) か求めよ。
(2) 実像の大きさは、物体の何倍か。
解答(1) \(12\,\mathrm{cm}\) (2) \(2\) 倍（上下が逆向きの実像）
① 光軸に平行な光 → 反対側の焦点を通る、② レンズの中心を通る光 → 直進、の2本を引くと、交点はレンズから右へ \(12\) 目盛の位置になります。
物体の高さは \(2\) 目盛、像の高さは \(4\) 目盛なので、\(\dfrac{4}{2} = 2\) 倍です。