光学
眼と光学機器
凸レンズと眼モデルによる像形成を調べ、物体距離と焦点距離を変えて像の性質を確かめます。薄レンズの式 と倍率を検証します。
⚠ 望遠鏡や双眼鏡を絶対に太陽に向けないでください。永遠の失明につながります。
器具
- レンズ・眼を通る光線の3Dモデル（2画面）
- 入射角・屈折率・焦点距離のスライダー
- 像位置の読み値と仮想網膜
手順
曲面を通る光線
図1で屈折率1.5のまま「入射角」を変えます。曲面を通る光は軸へ折れます。「焦点距離」を短く・長くして収束の強弱を見ます。短い f は強い曲率＝「強い」レンズです。
薄レンズの式を検証する
物体を複数の距離 d（f の内外）に置き像位置 d' を読みます。d > f で を確認（倒立実像）、d < f では正立拡大虚像——ルーペの状態——を観察します。
眼モデルと調節
図2で「焦点距離」を変え、水晶体の曲率変化を模します。遠方は大きな f（扁平な水晶体）、近方は短い f（膨らむ）が要ります。網膜像は常に倒立実像で、脳が「立て直す」ことを確認します。
器具の動作を予測する
ルーペ（d < f）、顕微鏡（短 f の対物が実像を拡大し接眼がルーペの役割）、望遠鏡（遠方物体→焦面に像）の構成を予測します。スライダーを合わせ、光線経路で確認します。
シミュレーション
実験の歴史
イブン・アル＝ハイサム（アルハゼン）は1011–1021年頃『光学の書』を著し、光は物体から眼へ入る——ギリシアが考えた眼の発する視線ではない——ことを実験的に証明し、暗箱（camera obscura）を記述しました。眼鏡は13世紀末のイタリアに、顕微鏡と望遠鏡は1600年頃オランダに現れ、ガリレオは1609–10年に望遠鏡を天に向けて凹凸の月と木星の衛星を見出し、天文学的革命の杠杆となりました。
ニュートンは1666年に白光が屈折率に応じてプリズムで分散する色の混合であることを示し、色収差を避ける反射望遠鏡を作りました。調節（水晶体の曲率変化）の理解は19世紀ヘルムホルツで成熟し、薄レンズの式 はケプラー–デカルトの幾何光学から現代形へ発展しました。