Konkávní a konvexní čočky: podobnosti a rozdíly

Bez čoček by tvůj život nebyl stejný. Ať už potřebujete nosit korekční brýle nebo ne, nevidíte jasný obraz čehokoli bez čoček, které by ohýbaly paprsky světla, které jimi procházejí, do jediného ohniska.

Vědci jsou závislí na mikroskopech a dalekohledech, které jim umožňují vidět velmi malé nebo vzdálené objekty, s výjimkou zvětšení do bodu, kdy mohou ze snímků extrahovat užitečná data nebo pozorování. A přesně stejné principy se používají k zajištění toho, abyste měli fotoaparát, který vám pomůže pořídit perfektní selfie.

Od lupy až po lidské oko fungují všechny čočky na stejných základních principech. I když existují významné rozdíly mezi konvergujícími čočkami (konvexní čočky) a odlišnými čočkami (konkávní čočky), jakmile se naučíte některé základní detaily, všimnete si mnoha podobností také.

Než se vydáte na tuto cestu, abyste porozuměli konvexním a konkávním čočkám, je důležité mít základní nátěr na některé z klíčových pojmů v optice. Theohniskoje bod, ve kterém se paralelní paprsky sbíhají (tj. setkávají) po průchodu čočkou a kde se vytváří jasný obraz.

Theohnisková vzdálenostčočky je vzdálenost od středu čočky k ohnisku, přičemž menší ohnisková vzdálenost označuje čočku, která silněji ohýbá paprsky světla.

Theoptická osačočky je čára symetrie procházející středem čočky, která probíhá vodorovně, pokud si představíte, že čočka stojí svisle vzpřímeně.

Asvětelný paprsekje užitečný způsob, jak reprezentovat dráhu paprsku světla, který se používá v paprskových diagramech k vizuální interpretaci toho, jak přítomnost čočky ovlivňuje dráhu světelného paprsku.

V praxi bude mít jakýkoli objekt světelné paprsky, které ho opouštějí v každém směru, ale ne všechny nabízejí užitečné informace, pokud jde o analýzu toho, co objektiv skutečně dělá. Když kreslíte paprskové diagramy, výběr několika klíčových světelných paprsků obvykle stačí k vysvětlení šíření světelných vln a procesu formování obrazu.

Paprskové diagramy a sledování paprsků vám umožňují určit polohu formování obrazu na základě polohy objektu a polohy objektivu.

Proces kreslení světelných paprsků a jejich vychýlení při průchodu čočkou lze dokončit pomocí Snellova zákona lomu, který souvisí s úhlem paprsku před dosažením čočky do úhlu na druhé straně čočky, na základě indexů lomu vzduchu (nebo jiného média, kterým paprsek prochází) a kousku skla nebo jiného materiálu použitého pro objektiv.

To však může být časově náročné a existuje několik triků, které vám mohou pomoci při výroběpaprskové diagramyjednodušeji. Zejména si pamatujte, že světelné paprsky procházející středem čočky se nezřetelně lámou a že rovnoběžné paprsky jsou vychýleny směrem k ohnisku.

U čoček mohou nastat dva hlavní typy formování obrazu, ke kterým můžete použít paprskové diagramy. První z nich je „skutečný obraz“, který odkazuje na bod, ve kterém se světelné paprsky sbíhají a vytvářejí obraz. Pokud byste na toto místo umístili obrazovku, světelné paprsky by na obrazovce vytvořily zaostřený obraz. Skutečný obraz produkuje konvergující čočka, která je jinak známá jako konvexní čočka.

Virtuální obraz je zcela odlišný a je vytvořen odlišným objektivem. Protože tyto čočky ohýbají světelné paprskypryčod sebe navzájem (tj. rozcházejí se), „obraz“ se ve skutečnosti vytváří na té straně čočky, odkud dopadaly paprsky dopadajícího světla.

Trychtýř z paprsků na opačné straně vypadá, jako by paprsky byly produkovány objektem na stejné straně čočky jako dopadající paprsky, jako byste paprsky vystopovali zpět přímočarou cestou k bodu, kde by dopadli konvergovat. To však není doslova pravda a pokud byste na toto místo umístili obrazovku, nebyl by tam žádný obrázek.

Rovnice tenkých čoček je jednou z nejdůležitějších rovnic v optice a souvisí se vzdáleností k objektud​_Ó, vzdálenost k obrázkud​_i a ohnisková vzdálenost objektivuF. Rovnice je docela jednoduchá, ale její použití ve fyzice je o něco obtížnější než u některých jiných rovnic, protože klíčové pojmy jsou ve jmenovatelích zlomků, a to následovně:

Konvence spočívá v tom, že virtuální obraz má zápornou vzdálenost a že skutečné obrazy mají kladnou vzdálenost. Ohnisková vzdálenost objektivu rovněž sleduje stejnou konvenci, takže kladné ohniskové vzdálenosti představují konvergující čočky a záporné ohniskové vzdálenosti představují odlišné čočky.

​Konvexní a konkávní čočkyjsou dva hlavní typy čoček popsané v úvodních hodinách fyziky, takže pokud pochopíte, jak se tyto čočky chovají, budete schopni odpovědět na jakoukoli otázku.

Je důležité si uvědomit, že tato rovnice je pro „tenký“ objektiv. To znamená, že s čočkou lze zacházet jako s vychylováním dráhy světelného paprskujedenpouze umístění, střed objektivu.

V praxi dochází k vychýlení na obou stranách čočky - jedné na rozhraní mezi vzduchem a materiálem čočky a jiné na rozhraní mezi materiálem čočky a vzduchem na druhé straně - ale tento předpoklad dělá výpočet hodně jednodušší.

Konkávní čočka se také označuje jako rozbíhající se čočka a jsou zakřivené tak, že „miska“ čočky směřuje k dotyčnému předmětu. Jak již bylo zmíněno výše, konvencí je, že objektivům jako je tento je přiřazena záporná ohnisková vzdálenost a virtuální obraz, který vytvářejí, je na stejné straně jako původní objekt.

Chcete-li dokončitproces sledování paprskuu konkávní čočky si všimněte, že jakýkoli světelný paprsek z objektu, který se pohybuje rovnoběžně s optickou osou čočky, bude odkloněna, takže se zdá, že pochází z blízkosti ohniska čočky, na stejné straně čočky jako objekt sám.

Jak bylo uvedeno výše, jakýkoli paprsek, který prochází středem čočky, bude pokračovat, aniž by byl vychýlen. Nakonec bude jakýkoli paprsek pohybující se směrem k ohnisku na opačné straně čočky vychýlen, takže se objeví rovnoběžně s optickou osou.

Nakreslení několika takových paprsků na základě jediného bodu na objektu bude obvykle stačit k nalezení umístění vytvořeného obrazu.

Konvexní čočka je také známá jako konvergující čočka a v podstatě funguje opačně než konkávní čočka. Je zakřivený tak, že vnější ohyb tvaru „mísy“ je nejblíže objektu, a ohniskové vzdálenosti je přiřazena kladná hodnota.

Proces sledování paprsku u konvergující čočky je velmi podobný jako u rozbíhající se čočky, s několika důležitými rozdíly. Jako vždy paprsky světla procházející středem čočky nejsou vychýleny.

Pokud se dopadající paprsek pohybuje rovnoběžně s optickou osou, odkloní se ohniskem na opačné straně čočky. Naopak jakýkoli světelný paprsek vycházející z objektu a procházející blízkým ohniskovým bodem na jeho cestě k čočce bude vychýlen, takže se objeví rovnoběžně s optickou osou.

Opět platí, že nakreslením dvou nebo tří paprsků pro bod na objekt na základě těchto jednoduchých principů budete moci najít umístění obrázku. V tomto bodě se všechny světelné paprsky sbíhají na opačné straně čočky než samotný objekt.

Zvětšení je v optice důležitým pojmem a týká se poměru velikosti obrazu produkovaného objektivem a velikosti původního objektu. Takto do značné míry chápete zvětšení jako koncept z každodenního života - pokud je obraz dvakrát větší než objekt, byl zvětšen dvojnásobně. Ale přesná definice je:

KdeMje zvětšení,iodkazuje na velikost obrázku aÓodkazuje na velikost objektu. Záporné zvětšení označuje obrácený obraz, přičemž kladné zvětšení je ve svislé poloze.

V základních pojmech existují podobnosti mezi konvexními a konkávními čočkami, ale pokud se na ně podíváte podrobněji, existuje více rozdílů než podobností.

Hlavní podobnost je, že oba pracují na stejném základním principu, kde je rozdíl v index lomu mezi čočkou a okolním prostředím jim umožňuje ohýbat světelné paprsky a vytvářet a ohnisko. Rozbíhající se čočky však vždy vytvářejí virtuální obrazy, zatímco konvergující čočky mohou vytvářet skutečné nebo virtuální obrazy.

Jak se zakřivení čočky zmenšuje, sbíhající se a rozbíhající se čočky se navzájem čím dál více podobají, protože geometrie povrchů se také stává podobnější. Vzhledem k tomu, že oba pracují na stejném principu, protože geometrie se stává podobnější, stává se také podobný účinek, který mají na světelný paprsek.

Konkávní a konvexní čočky mají mnoho praktických aplikací, ale nejběžnějším v každodenním životě je použitíkorekční čočky(brýle) pro krátkozrakost nebo krátkozrakost, nebo dokonce dalekozrakost nebo dalekozrakost.

Za obou těchto podmínek se ohnisko pro čočku oka úplně neshoduje s polohou světlocitlivá sítnice v zadní části oka, přičemž je vpředu pro krátkozrakost a za ní pro dalekozrakost. Brýle pro krátkozrakost se rozcházejí, takže ohnisko se posune dozadu, zatímco pro dalekozrakost se používají konvergující čočky.

Zvětšovací skla a mikroskopy fungují stejným základním způsobem a k vytvoření zvětšené verze snímků se používají bikonvexní čočky (čočky se dvěma konvexními stranami). Zvětšovací sklo je jednodušší optické zařízení s jediným objektivem, který slouží k vytvoření větší velikosti obrazu, než jakou byste jinak získali. Mikroskopy jsou trochu komplikovanější (protože obvykle mají více čoček), ale vytvářejí zvětšené obrázky v podstatě stejným způsobem.

Refraktorové dalekohledy fungují stejně jako mikroskopy a lupy s bikonvexní čočkou vytvářející ohnisko uvnitř těla dalekohledu, ale světlo pokračuje k dosažení okulár.

Stejně jako u mikroskopů mají i tyto v okuláru další čočku, která zajišťuje, že zachycené světlo je zaostřeno, až dosáhne vašeho oka. Druhým hlavním typem dalekohledu je reflektorový dalekohled, který používá zrcadla místo čoček ke sběru světla a jeho odeslání do oka. Zrcadlo je konkávní, takže zaměřuje světlo na skutečný obraz na stejné straně zrcadla jako objekt.