Tu vida no sería la misma sin lentes. Ya sea que necesite usar anteojos correctivos o no, no puede ver una imagen clara de nada sin algún tipo de lentes para desviar los rayos de luz que pasan a través de ellos en un solo punto focal.
Los científicos dependen de microscopios y telescopios que les permitan ver objetos muy pequeños o distantes, excepto magnificados hasta el punto en que puedan extraer datos u observaciones útiles de las imágenes. Y se utilizan exactamente los mismos principios para asegurarse de tener una cámara que pueda ayudarlo a tomar la selfie perfecta.
Desde la lupa hasta el ojo humano, todas las lentes funcionan con los mismos principios básicos. Si bien existen diferencias importantes entre lentes convergentes (lentes convexas) y lentes divergentes (lentes cóncavas), tan pronto como aprenda algunos de los detalles básicos, notará muchas similitudes también.
Definiciones a saber
Antes de embarcarse en este viaje para comprender las lentes cóncavas y convexas, es importante conocer algunos de los conceptos clave de la óptica. La
Lalongitud focalde la lente es la distancia desde el centro de la lente hasta el punto focal, con una distancia focal más pequeña que indica una lente que dobla los rayos de luz con más fuerza.
Laeje ópticode una lente es la línea de simetría que atraviesa el centro de la lente, que se extiende horizontalmente si imagina una lente en posición vertical.
Arayo de luzes una forma útil de representar la trayectoria de un haz de luz, utilizada en diagramas de rayos para dar una interpretación visual de cómo la presencia de una lente afecta la trayectoria del haz de luz.
En la práctica, cualquier objeto tendrá rayos de luz que lo dejarán en todas direcciones, pero no todos ofrecen información útil a la hora de analizar lo que realmente hace la lente. Cuando dibuja diagramas de rayos, la elección de algunos rayos de luz clave suele ser suficiente para explicar la propagación de las ondas de luz y el proceso de formación de la imagen.
Diagramas de rayos
Los diagramas de rayos y el trazado de rayos le permiten determinar la ubicación de la formación de la imagen en función de la ubicación del objeto y la ubicación de la lente.
El proceso de dibujar los rayos de luz y su desviación a medida que pasan a través de la lente se puede completar utilizando la ley de refracción de Snell, que relaciona el ángulo del rayo antes de alcanzar la lente. lente al ángulo en el otro lado de la lente, basado en los índices de refracción del aire (u otro medio a través del cual viaja el rayo) y la pieza de vidrio u otro material utilizado para la lente.
Sin embargo, esto puede llevar mucho tiempo y existen algunos trucos que pueden ayudarlo a producirdiagramas de rayosmás fácilmente. En particular, recuerde que los rayos de luz que pasan a través del centro de la lente no se refractan en un grado notable y que los rayos paralelos se desvían hacia el punto focal.
Hay dos tipos principales de formación de imágenes que pueden ocurrir con lentes y que puede usar diagramas de rayos para establecer. El primero de ellos es una "imagen real", que se refiere a un punto en el que los rayos de luz convergen para producir una imagen. Si coloca una pantalla en esta ubicación, los rayos de luz crearían una imagen enfocada en la pantalla. Una imagen real es producida por una lente convergente, que también se conoce como lente convexa.
Una imagen virtual es completamente diferente y es creada por una lente divergente. Porque estos lentes desvían los rayos de luzfueraunos de otros (es decir, hacerlos divergir), la "imagen" se forma en realidad en el lado de la lente de donde provienen los rayos de luz incidentes.
La canalización de los rayos en el lado opuesto hace que parezca que los rayos fueron producidos por un objeto en el mismo lado. de la lente como los rayos incidentes, como si trazaras los rayos hacia atrás en una trayectoria en línea recta hasta el punto donde converger. Sin embargo, esto no es literalmente cierto, y si colocara una pantalla en esta ubicación, no habría imagen.
La ecuación de la lente delgada
La ecuación de la lente delgada es una de las ecuaciones más importantes en óptica y relaciona la distancia al objetoDo, la distancia a la imagenDI y la distancia focal de la lenteF. La ecuación es bastante simple, pero es un poco más difícil de usar que otras ecuaciones en física porque los términos clave están en los denominadores de fracciones, como sigue:
\ frac {1} {d_o} + \ frac {1} {d_i} = \ frac {1} {f}
La convención es que una imagen virtual tiene una distancia negativa y que las imágenes reales tienen una distancia de imagen positiva. La distancia focal de la lente también sigue esta misma convención, por lo que las distancias focales positivas representan lentes convergentes y las distancias focales negativas representan lentes divergentes.
Lentes convexas y cóncavasson los dos tipos principales de lentes que se analizan en las clases de introducción a la física, por lo que siempre que comprenda cómo se comportan, podrá responder cualquier pregunta.
Es importante tener en cuenta que esta ecuación es para una lente "delgada". Esto significa que la lente puede tratarse como si desviara el camino de un rayo de luz desdeunoubicación solamente, el centro de la lente.
En la práctica, hay una desviación en ambos lados de la lente, una en la interfaz entre el aire y el material de la lente, y la otro en la interfaz entre el material de la lente y el aire en el otro lado, pero esta suposición hace que el cálculo sea mucho más simple.
Lentes cóncavas
Una lente cóncava también se conoce como lente divergente, y estas están curvadas de modo que el "cuenco" de la lente esté orientado hacia el objeto en cuestión. Como se mencionó anteriormente, la convención es que a lentes como este se les asigna una distancia focal negativa, y la imagen virtual que producen está en el mismo lado que el objeto original.
Para completar elproceso de trazado de rayospara una lente cóncava, tenga en cuenta que cualquier rayo de luz del objeto que viaja paralelo al eje óptico de la lente será desviado, por lo que parece haberse originado cerca del punto focal de la lente, en el mismo lado de la lente que el objeto sí mismo.
Como se mencionó anteriormente, cualquier rayo que pase por el centro de la lente continuará sin ser desviado. Finalmente, cualquier rayo que se mueva hacia el punto focal en el lado opuesto de la lente será desviado, por lo que emergerá paralelo al eje óptico.
Dibujar algunos de estos rayos basándose en un solo punto del objeto suele ser suficiente para encontrar la ubicación de la imagen producida.
Lentes convexas
Una lente convexa también se conoce como lente convergente y esencialmente funciona de manera opuesta a una lente cóncava. Está curvado para que la curva exterior de la forma de "cuenco" esté más cerca del objeto, y la distancia focal se le asigna un valor positivo.
El proceso de trazado de rayos para una lente convergente es muy similar al de una lente divergente, con un par de diferencias importantes. Como siempre, los rayos de luz que pasan por el centro de la lente no se desvían.
Si un rayo incidente viaja paralelo al eje óptico, se desviará a través del punto focal en el lado opuesto de la lente. Por el contrario, cualquier rayo de luz que provenga del objeto y pase a través del punto focal cercano en su viaje hacia la lente será desviado, por lo que emergerá paralelo al eje óptico.
Nuevamente, al dibujar dos o tres rayos para un punto en el objeto según estos principios simples, podrá encontrar la ubicación de la imagen. Este es el punto donde todos los rayos de luz convergen en el lado opuesto de la lente al objeto en sí.
Concepto de ampliación
La ampliación es un concepto importante en óptica y se refiere a la relación entre el tamaño de la imagen producida por una lente y el tamaño del objeto original. Así es como se entendería la ampliación como un concepto de la vida cotidiana: si la imagen es dos veces más grande que el objeto, se ha multiplicado por dos. Pero la definición precisa es:
M = - \ frac {i} {o}
DóndeMETROes el aumento,Ise refiere al tamaño de la imagen yose refiere al tamaño del objeto. Un aumento negativo indica una imagen invertida, con un aumento positivo en posición vertical.
Similitudes y diferencias
Hay similitudes entre las lentes cóncavas y convexas en términos básicos, pero hay más diferencias que similitudes cuando las miras con más detalle.
La principal similitud es que ambos funcionan sobre el mismo principio básico, donde la diferencia en El índice de refracción entre la lente y el medio circundante les permite doblar los rayos de luz y crear una punto focal. Sin embargo, los lentes divergentes siempre crean imágenes virtuales, mientras que los lentes convergentes pueden crear imágenes reales o virtuales.
A medida que la curvatura de la lente disminuye, las lentes convergentes y divergentes se vuelven cada vez más similares entre sí, porque la geometría de las superficies también se vuelve más similar. Dado que ambos funcionan según el mismo principio, a medida que la geometría se vuelve más similar, el efecto que tienen en un rayo de luz también se vuelve más similar.
Aplicaciones y ejemplos
Las lentes cóncavas y convexas tienen muchas aplicaciones prácticas, pero la más habitual en el día a día es el uso delentes correctivos(anteojos) para la miopía o la miopía, o incluso la hipermetropía o la hipermetropía.
En ambas condiciones, el punto focal de la lente del ojo no coincide del todo con la posición de la retina sensible a la luz en la parte posterior del ojo, estando al frente para la miopía y detrás para la hipermetropía. Los anteojos para la miopía son divergentes, por lo que el punto focal se mueve hacia atrás, mientras que para la hipermetropía se utilizan lentes convergentes.
Las lupas y los microscopios funcionan de la misma manera básica, utilizando lentes biconvexos (lentes con dos lados convexos) para producir una versión ampliada de las imágenes. Una lupa es el dispositivo óptico más simple, con una sola lente que sirve para producir un tamaño de imagen más grande del que podría obtener de otra manera. Los microscopios son un poco más complicados (porque generalmente tienen múltiples lentes), pero producen imágenes ampliadas básicamente de la misma manera.
Los telescopios refractores funcionan como microscopios y lupas, con una lente biconvexa. produciendo un punto focal dentro del cuerpo del telescopio, pero la luz continúa hasta alcanzar el ocular.
Al igual que en los microscopios, estos tienen otra lente en el ocular para asegurarse de que la luz capturada esté enfocada cuando llegue al ojo. El otro tipo principal de telescopio es un telescopio reflector, que utiliza espejos en lugar de lentes para recoger la luz y enviarla al ojo. El espejo es cóncavo, por lo que enfoca la luz a una imagen real en el mismo lado del espejo que el objeto.