Konkave og konvekse linser: ligheder og forskelle

Dit liv ville ikke være det samme uden linser. Uanset om du har brug for korrigerende briller eller ej, kan du ikke se et klart billede af noget uden nogen form for linser til at bøje lysstrålerne, der passerer gennem dem til et enkelt fokuspunkt.

Forskere er afhængige af mikroskoper og teleskoper for at give dem mulighed for at se meget små eller fjerne objekter undtagen forstørret til det punkt, hvor de kan udtrække nyttige data eller observationer fra billederne. Og nøjagtigt de samme principper bruges til at sikre, at du har et kamera, der kan hjælpe dig med at tage den perfekte selfie.

Fra forstørrelsesglas til det menneskelige øje fungerer alle linser på de samme grundlæggende principper. Mens der er vigtige forskelle mellem konvergerende linser (konvekse linser) og divergerende linser (konkave linser), så snart du lærer nogle af de grundlæggende detaljer, vil du bemærke mange ligheder også.

Inden du begiver dig ud på denne rejse for at forstå konvekse og konkave linser, er det vigtigt at have en primer på nogle af nøglebegreberne inden for optik. Det

Detbrændviddeaf linsen er afstanden fra midten af ​​linsen til brændpunktet, med en mindre brændvidde, der indikerer en linse, der bøjer lysstråler stærkere.

Detoptisk akseaf en linse er symmetriens linje, der løber gennem midten af ​​linsen, som løber vandret, hvis du forestiller dig, at en linse stod lodret oprejst.

ENlysstråleer en nyttig måde at repræsentere stien til en lysstråle, der anvendes i strålediagrammer til at give en visuel fortolkning af, hvordan tilstedeværelsen af ​​en linse påvirker lysstrålens sti.

I praksis vil ethvert objekt have lysstråler, der efterlader det i alle retninger, men ikke alle disse giver nyttig information, når det kommer til at analysere, hvad linsen rent faktisk gør. Når du tegner strålediagrammer, er det normalt nok at vælge et par vigtige lysstråler til at forklare udbredelsen af ​​lysbølger og processen med billeddannelse.

Strålediagrammer og strålesporing giver dig mulighed for at bestemme placeringen af ​​billeddannelse baseret på objektets placering og objektivets placering.

Processen med at trække lysstrålerne og deres afbøjning, når de passerer gennem linsen, kan afsluttes ved hjælp af Snells brydningslov, som relaterer til strålevinklen, inden den når linse til vinklen på den anden side af linsen, baseret på brydningsindeks for luft (eller et andet medium, gennem hvilket strålen bevæger sig) og det stykke glas eller andet materiale, der anvendes til linse.

Dette kan dog være tidskrævende, og der er et par tricks, der kan hjælpe dig med at producerestrålediagrammerlettere. Husk især, at lysstråler, der passerer gennem midten af ​​linsen, ikke brydes i nogen mærkbar grad, og at parallelle stråler afbøjes mod brændpunktet.

Der er to hovedtyper af billeddannelse, der kan forekomme med linser, og som du kan bruge strålediagrammer til at etablere. Den første af disse er et "rigtigt billede", der henviser til et punkt, hvor lysstrålerne konvergerer for at producere et billede. Hvis du placerede en skærm på dette sted, ville lysstrålene skabe et fokusbillede på skærmen. Et ægte billede produceres af en konvergerende linse, som ellers er kendt som en konveks linse.

Et virtuelt billede er helt anderledes og skabes af en divergerende linse. Fordi disse linser bøjer lysstrålervækfra hinanden (dvs. få dem til at afvige), dannes "billedet" faktisk på den side af linsen, hvor de indfaldende lysstråler kom fra.

Tragningen ud af strålerne på den modsatte side får det til at se ud som om strålerne blev produceret af et objekt på samme side af linsen som hændelsesstrålerne, som om du spores strålene tilbage på en lige sti til det punkt, hvor de ville konvergerer. Dette er dog ikke bogstaveligt talt sandt, og hvis du placerede en skærm på dette sted, ville der ikke være noget billede.

Den tynde linse ligning er en af ​​de vigtigste ligninger inden for optik, og den relaterer afstanden til objektetd​_o, afstanden til billedetd​_jeg og objektivets brændviddef. Ligningen er temmelig enkel, men det er lidt sværere at bruge end nogle andre ligninger i fysik, fordi nøgleudtrykkene er i nævnerne for brøker, som følger:

Konventionen er, at et virtuelt billede har en negativ afstand, og at virkelige billeder har en positiv billedafstand. Linsens brændvidde følger også den samme konvention, så positive brændvidder repræsenterer konvergerende linser, og negative brændvidder repræsenterer divergerende linser.

​Konvekse og konkave linserer de to hovedtyper af linser, der er diskuteret i indledende fysikklasser, så så længe du forstår, hvordan disse opfører sig, vil du være i stand til at besvare ethvert spørgsmål.

Det er vigtigt at bemærke, at denne ligning er til en "tynd" linse. Dette betyder, at linsen kan behandles som afbøjning af lysstrålens sti fraenkun placering, midten af ​​linsen.

I praksis er der en afbøjning på begge sider af linsen - en ved grænsefladen mellem luften og linsematerialet og andet ved grænsefladen mellem linsematerialet og luften på den anden side - men denne antagelse gør beregningen meget enklere.

En konkave linse kaldes også en divergerende linse, og disse er buede, så "skålen" på linsen vender mod det pågældende objekt. Som nævnt ovenfor er konventionen, at linser som dette tildeles en negativ brændvidde, og det virtuelle billede, de producerer, er på samme side som det originale objekt.

For at fuldførestrålesporingsprocesfor en konkav linse skal du være opmærksom på, at enhver lysstråle fra objektet, der bevæger sig parallelt med linsens optiske akse, vil være afbøjet, så det ser ud til at stamme fra nær objektivets brændpunkt på den samme side af linsen som objektet sig selv.

Som nævnt ovenfor vil enhver stråle, der passerer gennem midten af ​​linsen, fortsætte uden at blive afbøjet. Endelig vil enhver stråle, der bevæger sig mod brændpunktet på den modsatte side af linsen, blive afbøjet, så den kommer parallelt med den optiske akse.

Det er normalt nok at tegne et par sådanne stråler baseret på et enkelt punkt på objektet til at finde placeringen af ​​det producerede billede.

En konveks linse er også kendt som en konvergerende linse og fungerer i det væsentlige på den modsatte måde til en konkav linse. Det er buet, så den ydre bøjning af "skål" -formen er tættest på objektet, og brændvidden tildeles en positiv værdi.

Processen med strålesporing for en konvergerende linse er meget ens som for en divergerende linse med et par vigtige forskelle. Som altid afbøjes ikke lysstråler, der passerer gennem midten af ​​linsen.

Hvis en hændelsesstråle bevæger sig parallelt med den optiske akse, afbøjes den gennem brændpunktet på den modsatte side af linsen. Omvendt vil enhver lysstråle, der kommer fra objektet og passerer gennem det nærmeste brændpunkt på sin rejse mod linsen, blive afbøjet, så den kommer parallelt med den optiske akse.

Igen, ved at tegne to eller tre stråler til et punkt på objektet baseret på disse enkle principper, vil du være i stand til at finde placeringen af ​​billedet. Dette er det punkt, hvor alle lysstrålerne konvergerer på den modsatte side af linsen til selve objektet.

Forstørrelse er et vigtigt begreb inden for optik, og det henviser til forholdet mellem billedets størrelse produceret af en linse og størrelsen på det originale objekt. Dette er stort set, hvordan du ville forstå forstørrelse som et koncept fra hverdagen - hvis billedet er dobbelt så stort som objektet, er det forstørret med en faktor på to. Men den nøjagtige definition er:

HvorMer forstørrelsen,jeghenviser til billedets størrelse ogohenviser til størrelsen på objektet. En negativ forstørrelse angiver et omvendt billede, hvor den positive forstørrelse er lodret.

Der er ligheder mellem konvekse og konkave linser i grundlæggende termer, men der er flere forskelle end ligheder, når man ser nærmere på dem.

Den største lighed er, at de begge arbejder på det samme grundlæggende princip, hvor forskellen i brydningsindeks mellem linsen og det omgivende medium giver dem mulighed for at bøje lysstråler og skabe en fokuspunkt. Men divergerende linser skaber altid virtuelle billeder, mens konvergerende linser kan skabe ægte eller virtuelle billeder.

Når linsens krumning aftager, bliver konvergerende og divergerende linser mere og mere ens, fordi overfladenes geometri også bliver mere ens. Da de begge arbejder ud fra det samme princip, når geometrien bliver mere ens, bliver den virkning de har på en lysstråle også mere ens.

Konkave og konvekse linser har mange praktiske anvendelser, men det mest almindelige i det daglige liv er brugen afkorrigerende linser(briller) for nærsynethed eller nærsynethed, eller faktisk hyperopi eller langsynethed.

Under begge disse forhold stemmer fokuspunktet for øjenlinsen ikke helt overens med positionen for den lysfølsomme nethinde bag på øjet, hvor den er foran for nærsynethed og bagved for hyperopi. Briller for nærsynethed divergerer, så fokuspunktet bevæges bagud, mens der til hyperopi anvendes konvergerende linser.

Forstørrelsesglas og mikroskoper fungerer på samme grundlæggende måde ved hjælp af bikonvekse linser (linser med to konvekse sider) til at fremstille en forstørret version af billederne. Et forstørrelsesglas er den enklere optiske enhed med en enkelt linse, der tjener til at producere en større billedstørrelse, end du ellers kunne få. Mikroskoper er lidt mere komplicerede (fordi de normalt har flere linser), men de producerer forstørrede billeder stort set på samme måde.

Refraktorteleskoper fungerer ligesom mikroskoper og forstørrelsesglas med en bikonveks linse der producerer et knudepunkt inde i teleskopets krop, men lyset fortsætter med at nå frem til okular.

Som i mikroskoper har disse en anden linse i okularet for at sikre, at det fangede lys er i fokus, når det når dit øje. Den anden store type teleskop er et reflektorteleskop, der bruger spejle i stedet for linser til at samle lyset og sende det til dit øje. Spejlet er konkav, så det fokuserer lyset mod et rigtigt billede på samme side af spejlet som objektet.