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放物線・楕円の反射 ― 焦点に光が集まる

📖 言葉で読む:楕円と双曲線の定義 →
放物線・楕円の反射 ― 焦点に光が集まる全2問
放物線
① 考えてみよう

パラボラアンテナの断面はこの形。放物線だよ。上の空から、軸に平行な電波(光)がまっすぐ何本も落ちてくる。鏡の内側で反射するよ。

テキストで読む

アニメを見なくても、このページの流れを最後まで文章で追えるよ。

  1. ① 考えてみよう
  2. 1

    パラボラアンテナの断面はこの形。放物線だよ。上の空から、軸に平行な電波(光)がまっすぐ何本も落ちてくる。鏡の内側で反射するよ。

  3. 2

    平行に入ってきたこの光、反射したあとはどこへ向かうと思う?バラバラに散る?それとも、どこか1点に集まるのかな?

  4. ② 考え方
  5. 3

    まず1本に注目。光が当たる点 PP では、放物線に接する直線(接線)が鏡になる。反射するとき、当たる角度と返る角度は同じ。これを入射角=反射角というよ。

  6. 4

    反射した光をのばすと…ぴったり1つの点を通る!入射角と反射角(同じ色)はちゃんと等しいよ。この特別な点を焦点 FF というんだ。

  7. 5

    すごいのはここ。放物線のどこで反射しても、軸に平行な光は必ず焦点 FF に集まる。だからアンテナや反射望遠鏡は、弱い電波や光を1点に集めて強くできるんだ。

  8. 6

    今度は楕円。焦点が2つ(F1F_1・F2F_2)あるのが特徴だね。F1F_1 から出た光が楕円の壁にぶつかって反射する。さて、今度はどこへ向かうかな?

  9. 7

    ここでも接線が鏡になって、入射角=反射角(同じ色)で反射。すると光は、もう一方の焦点 F2F_2 にぴったり向かう。F1F_1 から出た光が F2F_2 にすいこまれるみたい。

  10. 8

    そして F1F_1 から四方八方に出た光は、どこで反射してもぜんぶ F2F_2 に集まる。ささやき声が反対側の人にだけ届く「ささやきの回廊」は、この性質を使っているんだよ。

  11. ③ 解答
  12. 9

    放物線は「軸に平行な光→焦点」、楕円は「焦点→もう一方の焦点」。形は違っても、どちらも反射の法則(入射角=反射角)を図形がたくみに使っている。光やお皿の形を見たら焦点を探してみよう。

答案の書き方(記述例)

解き方がわかったら、次は答案に書く番。テストの解答用紙には、こんなふうに書けば伝わるよ。

放物線の焦点を FF、準線を ℓ\ell とする。軸に平行な光が当たる放物線上の点を PP(頂点以外)とし、PP から ℓ\ell におろした垂線の足を DD とする。

放物線は、焦点と準線から等しい距離にある点の集まりなので PF=PDPF = PD ……①

①より △PFD\triangle PFD は PF=PDPF = PD の二等辺三角形なので、∠DPF\angle DPF の二等分線は底辺 FDFD の垂直二等分線である。

この直線上の PP 以外の点 QQ では QF=QDQF = QD で、QDQD は QQ から ℓ\ell への垂線より長いので、QQ は焦点までのほうが準線までより遠く、放物線の外側にある。よってこの直線は放物線と PP だけで接し、PP における接線は ∠DPF\angle DPF の二等分線である。

光は接線を鏡として、入射角と反射角が等しくなるように反射する。入射光は直線 DPDP にそって進むので、対頂角が等しいことから、反射光は接線と ∠DPF\angle DPF の半分の角をなす向き、すなわち PFPF の向きに進む。

よって、反射光は PP の位置によらず焦点 FF を通る(PP が頂点のときは、軸にそって戻るので FF を通る)。

答え 軸に平行に入った光は、放物線のどこで反射しても焦点 FF(曲線の内側にある1点)に集まる

減点されやすいポイント

答案の山場は、放物線の定義 PF=PDPF = PD から「接線が ∠DPF\angle DPF を二等分する」ことにつなげるところだよ。放物線の頂点に集まると思いがちだけど、反射光は PP から FF へ向かうので、頂点以外で反射した光は頂点を通らないね。楕円でも、2つの焦点までの距離の和が一定という定義から、同じように「一方の焦点から出た光はもう一方の焦点に集まる」ことが言えるよ。

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