العدسات المقعرة والمحدبة: أوجه التشابه والاختلاف

لن تكون حياتك كما هي بدون العدسات. سواء كنت بحاجة إلى ارتداء نظارات تصحيحية أم لا ، لا يمكنك رؤية صورة واضحة لأي شيء بدون نوع من العدسات لثني أشعة الضوء التي تمر عبرها في نقطة بؤرية واحدة.

يعتمد العلماء على المجاهر والتلسكوبات للسماح لهم برؤية الأشياء الصغيرة جدًا أو البعيدة ، باستثناء المكبرة إلى الحد الذي يمكنهم فيه استخراج بيانات أو ملاحظات مفيدة من الصور. ويتم استخدام نفس المبادئ بالضبط للتأكد من أن لديك كاميرا يمكنها مساعدتك في التقاط صورة سيلفي مثالية.

من العدسة المكبرة إلى عين الإنسان ، تعمل جميع العدسات وفقًا لنفس المبادئ الأساسية. بينما توجد اختلافات مهمة بين العدسات المتقاربة (العدسات المحدبة) والعدسات المتباينة (العدسات المقعرة) ، بمجرد أن تتعلم بعض التفاصيل الأساسية ، ستلاحظ العديد من أوجه التشابه جدا.

قبل الشروع في هذه الرحلة لفهم العدسات المحدبة والمقعرة ، من المهم أن يكون لديك دليل على بعض المفاهيم الأساسية في البصريات. الالنقطة المحوريةهي النقطة التي تتلاقى عندها الأشعة المتوازية (أي تلتقي) بعد المرور عبر العدسة ، وحيث تتشكل صورة واضحة.

الالبعد البؤريمن العدسة هي المسافة من مركز العدسة إلى النقطة البؤرية ، مع طول بؤري أصغر يشير إلى عدسة تنحني أشعة الضوء بقوة أكبر.

الالمحور البصريمن العدسة هو خط التناظر الذي يمر عبر مركز العدسة ، والذي يمتد أفقيًا إذا تخيلت أن العدسة تقف في وضع مستقيم.

أشعاع الضوءهي طريقة مفيدة لتمثيل مسار شعاع الضوء ، وتستخدم في الرسوم البيانية الشعاعية لإعطاء تفسير مرئي لكيفية تأثير وجود العدسة على مسار شعاع الضوء.

من الناحية العملية ، سيكون لأي جسم أشعة ضوئية تتركه في كل اتجاه ، ولكن ليس كل هذه الأشياء تقدم معلومات مفيدة عندما يتعلق الأمر بتحليل ما تفعله العدسة بالفعل. عندما ترسم مخططات شعاعية ، عادة ما يكون اختيار بعض أشعة الضوء الرئيسية كافيًا لشرح انتشار موجات الضوء وعملية تكوين الصورة.

تسمح لك مخططات الشعاع وتتبع الشعاع بتحديد موقع تكوين الصورة بناءً على موقع الكائن وموقع العدسة.

يمكن إتمام عملية رسم أشعة الضوء وانحرافها أثناء مرورها عبر العدسة باستخدام قانون انكسار سنيل ، الذي يربط زاوية الشعاع قبل الوصول إلى العدسة للزاوية الموجودة على الجانب الآخر من العدسة ، بناءً على مؤشرات انكسار الهواء (أو وسيط آخر ينتقل من خلاله الشعاع) وقطعة الزجاج أو المواد الأخرى المستخدمة في عدسة.

ومع ذلك ، قد يستغرق ذلك وقتًا طويلاً ، وهناك بعض الحيل التي يمكن أن تساعدك في الإنتاجمخططات الأشعةاكثر سهولة. على وجه الخصوص ، تذكر أن أشعة الضوء التي تمر عبر مركز العدسة لا تنكسر بدرجة ملحوظة ، وأن الأشعة الموازية تنحرف نحو النقطة البؤرية.

هناك نوعان رئيسيان من تكوين الصور يمكن أن يحدث مع العدسات ويمكنك استخدام المخططات الشعاعية لتأسيسها. أولها "صورة حقيقية" تشير إلى نقطة تلتقي فيها أشعة الضوء لإنتاج صورة. إذا وضعت شاشة في هذا الموقع ، فإن أشعة الضوء ستنشئ صورة داخل التركيز على الشاشة. يتم إنتاج الصورة الحقيقية بواسطة عدسة متقاربة ، والتي تُعرف أيضًا باسم العدسة المحدبة.

الصورة الافتراضية مختلفة تمامًا ويتم إنشاؤها بواسطة عدسة متباينة. لأن هذه العدسات تنحني أشعة الضوءبعيدمن بعضها البعض (أي جعلها تتباعد) ، تتشكل "الصورة" فعليًا على جانب العدسة حيث جاءت أشعة الضوء الساقط منها.

يؤدي إخراج الأشعة على الجانب الآخر إلى جعلها تبدو كما لو أن الأشعة قد نتجت عن جسم على نفس الجانب من العدسة كأشعة ساقطة ، كما لو أنك تتبعت الأشعة مرة أخرى على مسار مستقيم إلى النقطة التي تريدها تتلاقى. هذا ليس صحيحًا بالمعنى الحرفي للكلمة ، وإذا وضعت شاشة في هذا الموقع فلن تكون هناك صورة.

تعتبر معادلة العدسة الرقيقة من أهم المعادلات في علم البصريات ، وهي تربط المسافة إلى الجسمد​_ا، المسافة إلى الصورةد​_أنا والبعد البؤري للعدسةF. المعادلة بسيطة جدًا ، لكنها أصعب قليلاً في استخدامها من بعض المعادلات الأخرى في الفيزياء لأن المصطلحات الأساسية موجودة في قواسم الكسور ، على النحو التالي:

الاصطلاح هو أن الصورة الافتراضية لها مسافة سلبية وأن الصور الحقيقية لها مسافة إيجابية للصورة. يتبع البعد البؤري للعدسة أيضًا نفس الاتفاقية ، لذلك تمثل الأطوال البؤرية الموجبة عدسات متقاربة ، وتمثل الأطوال البؤرية السلبية عدسات متباينة.

​العدسات المحدبة والمقعرةهما النوعان الرئيسيان من العدسات التي تمت مناقشتها في فصول الفيزياء التمهيدية ، وطالما أنك تفهم كيف تتصرف هذه العدسات ، فستتمكن من الإجابة على أي سؤال.

من المهم ملاحظة أن هذه المعادلة تخص عدسة "رفيعة". هذا يعني أنه يمكن التعامل مع العدسة على أنها انحراف عن مسار شعاع الضوءواحدالموقع فقط ، مركز العدسة.

من الناحية العملية ، يوجد انحراف على جانبي العدسة - واحد عند الواجهة بين الهواء ومادة العدسة ، و أخرى في الواجهة بين مادة العدسة والهواء على الجانب الآخر - لكن هذا الافتراض يجعل الحساب كثيرًا أبسط.

يُشار أيضًا إلى العدسة المقعرة على أنها عدسة متباعدة ، وهي منحنية بحيث يواجه "وعاء" العدسة الكائن المعني. كما هو مذكور أعلاه ، فإن الاتفاقية هي أن العدسات مثل هذه يتم تخصيص طول بؤري سلبي لها ، وأن الصورة الافتراضية التي تنتجها تكون في نفس الجانب مثل الكائن الأصلي.

لاستكمالعملية تتبع الأشعةبالنسبة للعدسة المقعرة ، لاحظ أن أي شعاع ضوئي من الجسم ينتقل بالتوازي مع المحور البصري للعدسة سيكون منحرف ، لذلك يبدو أنه نشأ بالقرب من النقطة المحورية للعدسة ، على نفس جانب العدسة مثل الكائن بحد ذاتها.

كما ذكرنا أعلاه ، فإن أي شعاع يمر عبر مركز العدسة سيستمر دون انحراف. أخيرًا ، أي شعاع يتحرك نحو النقطة البؤرية على الجانب الآخر من العدسة سوف ينحرف ، بحيث يظهر موازيًا للمحور البصري.

عادةً ما يكون رسم بعض هذه الأشعة بناءً على نقطة واحدة على الكائن كافيًا للعثور على موقع الصورة المنتجة.

تُعرف العدسة المحدبة أيضًا باسم العدسة المتقاربة وتعمل بشكل أساسي في الاتجاه المعاكس للعدسة المقعرة. إنه منحني بحيث يكون الانحناء الخارجي لشكل "الوعاء" أقرب إلى الكائن ، ويتم تعيين قيمة موجبة للبعد البؤري.

تتشابه عملية تتبع الشعاع للعدسة المتقاربة إلى حد بعيد مع العدسة المتباعدة ، مع وجود اختلافين مهمين. كالعادة ، لا تنحرف أشعة الضوء التي تمر عبر مركز العدسة.

إذا كان الشعاع الساقط يتحرك بالتوازي مع المحور البصري ، فسوف ينحرف خلال النقطة البؤرية على الجانب الآخر من العدسة. على العكس من ذلك ، فإن أي شعاع ضوئي يأتي من الجسم ويمر عبر النقطة البؤرية القريبة في رحلته نحو العدسة سوف ينحرف ، بحيث يظهر موازٍ للمحور البصري.

مرة أخرى ، من خلال رسم شعاعين أو ثلاثة لنقطة على الكائن بناءً على هذه المبادئ البسيطة ، ستتمكن من العثور على موقع الصورة. هذه هي النقطة التي تلتقي فيها كل أشعة الضوء على الجانب الآخر من العدسة مع الكائن نفسه.

يعد التكبير مفهومًا مهمًا في علم البصريات ، وهو يشير إلى نسبة حجم الصورة التي تنتجها العدسة وحجم الكائن الأصلي. هذا إلى حد كبير كيف تفهم التكبير كمفهوم من الحياة اليومية - إذا كانت الصورة أكبر بمرتين من الكائن ، فسيتم تكبيرها بمعامل اثنين. لكن التعريف الدقيق هو:

أينمهو التكبير ،أنايشير إلى حجم الصورة وايشير إلى حجم الكائن. يشير التكبير السلبي إلى صورة معكوسة ، مع وجود تكبير إيجابي في وضع مستقيم.

هناك أوجه تشابه بين العدسات المحدبة والمقعرة من الناحية الأساسية ، ولكن هناك اختلافات أكثر من أوجه التشابه عندما تنظر إليها بمزيد من التفصيل.

التشابه الرئيسي هو أن كلاهما يعمل على نفس المبدأ الأساسي ، حيث يكون الاختلاف في يسمح معامل الانكسار بين العدسة والوسط المحيط لها بثني أشعة الضوء وإنشاء a النقطة المحورية. ومع ذلك ، فإن العدسات المتباينة تنشئ دائمًا صورًا افتراضية ، بينما يمكن للعدسات المتقاربة إنشاء صور حقيقية أو افتراضية.

مع انخفاض انحناء العدسة ، تصبح العدسات المتقاربة والمتباينة متشابهة بشكل متزايد مع بعضها البعض ، لأن هندسة الأسطح تصبح أكثر تشابهًا أيضًا. نظرًا لأن كلاهما يعمل على نفس المبدأ ، حيث تصبح الهندسة أكثر تشابهًا ، يصبح تأثيرهما على شعاع الضوء أكثر تشابهًا أيضًا.

العدسات المقعرة والمحدبة لها العديد من التطبيقات العملية ، ولكن الأكثر شيوعًا في الحياة اليومية هو استخدامالعدسات التصحيحية(النظارات) لقصر النظر أو قصر النظر ، أو في الواقع مد البصر أو طول النظر.

في كلتا الحالتين ، لا تتطابق النقطة المحورية لعدسة العين تمامًا مع موضع شبكية العين الحساسة للضوء في الجزء الخلفي من العين ، مع وجودها في المقدمة لقصر النظر وخلفها بسبب مد البصر. تتباعد نظارات قصر النظر ، لذلك يتم تحريك النقطة المحورية للخلف ، بينما يتم استخدام العدسات المتقاربة لمد النظر.

تعمل العدسات المكبرة والمجاهر بنفس الطريقة الأساسية ، باستخدام عدسات ثنائية الوجه (عدسات ذات وجهين محدبين) لإنتاج نسخة مكبرة من الصور. العدسة المكبرة هي أبسط جهاز بصري ، مع عدسة واحدة تعمل على إنتاج حجم صورة أكبر مما يمكنك الحصول عليه بطريقة أخرى. تعتبر المجاهر أكثر تعقيدًا بعض الشيء (لأنها عادة ما تحتوي على عدسات متعددة) ، لكنها تنتج صورًا مكبرة بنفس الطريقة.

تعمل تلسكوبات الانكسار تمامًا مثل المجاهر والنظارات المكبرة ، مع عدسة ثنائية الوجه إنتاج نقطة محورية داخل جسم التلسكوب ، لكن الضوء يستمر للوصول إلى العدسة.

كما هو الحال في المجاهر ، تحتوي هذه العدسات على عدسة أخرى للتأكد من التركيز على الضوء الملتقط عندما يصل إلى عينك. النوع الرئيسي الآخر من التلسكوب هو التلسكوب العاكس ، والذي يستخدم المرايا بدلاً من العدسات لتجميع الضوء وإرساله إلى عينك. المرآة مقعرة ، لذا فهي تركز الضوء على صورة حقيقية على نفس الجانب من المرآة مثل الكائن.