Lentilles concaves et convexes: similitudes et différences

Votre vie ne serait pas la même sans lentilles. Que vous ayez besoin de porter des lunettes correctrices ou non, vous ne pouvez pas voir une image claire de quoi que ce soit sans une sorte de lentilles pour plier les rayons de lumière qui les traversent en un seul point focal.

Les scientifiques dépendent des microscopes et des télescopes pour leur permettre de voir des objets très petits ou distants, sauf agrandis au point où ils peuvent extraire des données ou des observations utiles des images. Et exactement les mêmes principes sont utilisés pour vous assurer d'avoir un appareil photo qui peut vous aider à prendre le selfie parfait.

De la loupe à l'œil humain, toutes les lentilles fonctionnent selon les mêmes principes de base. Bien qu'il existe des différences importantes entre les lentilles convergentes (lentilles convexes) et les lentilles divergentes (lentilles concaves), dès que vous apprenez certains des détails de base, vous remarquerez de nombreuses similitudes trop.

Avant de se lancer dans ce voyage pour comprendre les lentilles convexes et concaves, il est important de se familiariser avec certains des concepts clés de l'optique. lepoint focalest le point auquel les rayons parallèles convergent (c'est-à-dire se rencontrent) après avoir traversé une lentille, et où une image claire est formée.

ledistance focalede la lentille est la distance entre le centre de la lentille et le point focal, avec une distance focale plus petite indiquant une lentille qui courbe les rayons de lumière plus fortement.

leaxe optiqued'un objectif est la ligne de symétrie passant par le centre de l'objectif, qui s'étend horizontalement si vous imaginez qu'un objectif se tient verticalement.

UNErayon de lumièreest un moyen utile de représenter le trajet d'un faisceau lumineux, utilisé dans les diagrammes de rayons pour donner une interprétation visuelle de la façon dont la présence d'une lentille affecte le trajet du faisceau lumineux.

En pratique, n'importe quel objet aura des rayons lumineux le laissant dans toutes les directions, mais tous n'offrent pas d'informations utiles lorsqu'il s'agit d'analyser ce que fait réellement l'objectif. Lorsque vous dessinez des diagrammes de rayons, le choix de quelques rayons lumineux clés est généralement suffisant pour expliquer la propagation des ondes lumineuses et le processus de formation de l'image.

Les diagrammes de rayons et le lancer de rayons vous permettent de déterminer l'emplacement de formation de l'image en fonction de l'emplacement de l'objet et de l'emplacement de l'objectif.

Le processus de dessin des rayons lumineux et de leur déviation lors de leur passage à travers la lentille peut être complété en utilisant la loi de réfraction de Snell, qui relie l'angle du rayon avant d'atteindre le lentille à l'angle de l'autre côté de la lentille, sur la base des indices de réfraction de l'air (ou d'un autre milieu à travers lequel le rayon se déplace) et du morceau de verre ou d'un autre matériau utilisé pour la lentille.

Cependant, cela peut prendre beaucoup de temps, et il existe quelques astuces qui peuvent vous aider à produirediagrammes de rayonsplus facilement. En particulier, n'oubliez pas que les rayons lumineux passant par le centre de l'objectif ne sont pas réfractés à un degré notable et que les rayons parallèles sont déviés vers le point focal.

Il existe deux principaux types de formation d'images qui peuvent se produire avec des lentilles et que vous pouvez établir à l'aide de diagrammes de rayons. La première d'entre elles est une « image réelle », qui fait référence à un point auquel les rayons lumineux convergent pour produire une image. Si vous placiez un écran à cet endroit, les rayons lumineux créeraient une image nette sur l'écran. Une image réelle est produite par une lentille convergente, autrement appelée lentille convexe.

Une image virtuelle est complètement différente et est créée par une lentille divergente. Parce que ces lentilles courbent les rayons lumineuxun moyenles uns des autres (c'est-à-dire les faire diverger), l'« image » se forme en réalité du côté de la lentille d'où proviennent les rayons lumineux incidents.

L'entonnoir des rayons du côté opposé donne l'impression que les rayons ont été produits par un objet du même côté de la lentille en tant que rayons incidents, comme si vous remontiez les rayons sur une trajectoire rectiligne jusqu'au point où ils converger. Ce n'est pas littéralement vrai, cependant, et si vous placiez un écran à cet endroit, il n'y aurait pas d'image.

L'équation de la lentille mince est l'une des équations les plus importantes en optique, et elle relie la distance à l'objetré​_o, la distance à l'imageré​_je et la distance focale de l'objectifF. L'équation est assez simple, mais elle est un peu plus difficile à utiliser que d'autres équations en physique car les termes clés se trouvent dans les dénominateurs des fractions, comme suit :

La convention est qu'une image virtuelle a une distance négative et que les images réelles ont une distance image positive. La distance focale de la lentille suit également cette même convention, de sorte que les distances focales positives représentent des lentilles convergentes et les distances focales négatives représentent des lentilles divergentes.

​Lentilles convexes et concavessont les deux principaux types de lentilles abordées dans les cours d'introduction à la physique, donc tant que vous comprenez leur comportement, vous serez en mesure de répondre à n'importe quelle question.

Il est important de noter que cette équation est pour une lentille « mince ». Cela signifie que la lentille peut être considérée comme déviant le trajet d'un rayon lumineux deuneemplacement seulement, le centre de la lentille.

En pratique, il y a une déviation des deux côtés de la lentille - une à l'interface entre l'air et le matériau de la lentille, et la autre à l'interface entre le matériau de la lentille et l'air de l'autre côté - mais cette hypothèse rend le calcul beaucoup plus plus simple.

Une lentille concave est également appelée lentille divergente, et celles-ci sont incurvées de sorte que le « bol » de la lentille fait face à l'objet en question. Comme mentionné ci-dessus, la convention est que les objectifs comme celui-ci se voient attribuer une distance focale négative et que l'image virtuelle qu'ils produisent est du même côté que l'objet d'origine.

Pour compléter leprocessus de lancer de rayonspour une lentille concave, notez que tout rayon lumineux de l'objet qui se déplace parallèlement à l'axe optique de la lentille sera dévié, de sorte qu'il semble provenir de près du point focal de la lentille, du même côté de la lentille que l'objet lui-même.

Comme mentionné ci-dessus, tout rayon qui passe par le centre de la lentille continuera sans être dévié. Enfin, tout rayon se déplaçant vers le foyer du côté opposé de la lentille sera dévié, de sorte qu'il ressort parallèlement à l'axe optique.

Dessiner quelques rayons de ce type sur la base d'un seul point sur l'objet sera généralement suffisant pour trouver l'emplacement de l'image produite.

Une lentille convexe est également connue sous le nom de lentille convergente et fonctionne essentiellement à l'inverse d'une lentille concave. Il est incurvé de sorte que la courbure extérieure de la forme en « bol » soit la plus proche de l'objet et la distance focale se voit attribuer une valeur positive.

Le processus de lancer de rayons pour une lentille convergente est très similaire à celui d'une lentille divergente, avec quelques différences importantes. Comme toujours, les rayons lumineux passant par le centre de la lentille ne sont pas déviés.

Si un rayon incident se déplace parallèlement à l'axe optique, il déviera à travers le point focal du côté opposé de la lentille. Inversement, tout rayon lumineux provenant de l'objet et passant par le point focal proche lors de son trajet vers la lentille sera dévié, de sorte qu'il émerge parallèlement à l'axe optique.

Encore une fois, en dessinant deux ou trois rayons pour un point sur l'objet sur la base de ces principes simples, vous pourrez trouver l'emplacement de l'image. C'est le point où tous les rayons lumineux convergent du côté opposé de la lentille à l'objet lui-même.

Le grossissement est un concept important en optique, et il fait référence au rapport entre la taille de l'image produite par un objectif et la taille de l'objet original. C'est à peu près ainsi que vous comprendrez le grossissement en tant que concept de la vie quotidienne - si l'image est deux fois plus grande que l'objet, elle a été agrandie d'un facteur deux. Mais la définition précise est :

OùMest le grossissement,jefait référence à la taille de l'image etofait référence à la taille de l'objet. Un grossissement négatif indique une image inversée, avec un grossissement positif étant à la verticale.

Il existe des similitudes entre les lentilles convexes et concaves en termes de base, mais il y a plus de différences que de similitudes lorsque vous les regardez plus en détail.

La grande similitude est qu'ils fonctionnent tous les deux sur le même principe de base, où la différence de l'indice de réfraction entre la lentille et le milieu environnant leur permet de plier les rayons lumineux et de créer un point focal. Cependant, les lentilles divergentes créent toujours des images virtuelles, tandis que les lentilles convergentes peuvent créer des images réelles ou virtuelles.

Au fur et à mesure que la courbure de la lentille diminue, les lentilles convergentes et divergentes deviennent de plus en plus similaires, car la géométrie des surfaces devient également plus similaire. Comme ils fonctionnent tous les deux sur le même principe, à mesure que la géométrie devient plus similaire, l'effet qu'ils ont sur un rayon lumineux devient également plus similaire.

Les lentilles concaves et convexes ont de nombreuses applications pratiques, mais la plus courante dans la vie de tous les jours est l'utilisation delentilles correctives(lunettes) pour la myopie ou la myopie, voire l'hypermétropie ou l'hypermétropie.

Dans ces deux conditions, le point focal du cristallin de l'œil ne correspond pas tout à fait à la position de la rétine photosensible à l'arrière de l'œil, devant pour la myopie et derrière pour l'hypermétropie. Les lunettes pour la myopie sont divergentes, le point focal est donc déplacé vers l'arrière, tandis que pour l'hypermétropie, des lentilles convergentes sont utilisées.

Les loupes et les microscopes fonctionnent de la même manière de base, en utilisant des lentilles biconvexes (lentilles à deux côtés convexes) pour produire une version agrandie des images. Une loupe est le dispositif optique le plus simple, avec une seule lentille qui sert à produire une taille d'image plus grande que celle que vous pourriez obtenir autrement. Les microscopes sont un peu plus compliqués (car ils ont généralement plusieurs lentilles), mais ils produisent des images agrandies essentiellement de la même manière.

Les télescopes réfracteurs fonctionnent comme des microscopes et des loupes, avec une lentille biconvexe produisant un point focal à l'intérieur du corps du télescope, mais la lumière continue d'atteindre le oculaire.

Comme sur les microscopes, ceux-ci ont une autre lentille dans l'oculaire pour s'assurer que la lumière capturée est nette lorsqu'elle atteint votre œil. L'autre grand type de télescope est un télescope à réflecteur, qui utilise des miroirs au lieu de lentilles pour recueillir la lumière et l'envoyer à votre œil. Le miroir est concave, il focalise donc la lumière sur une image réelle du même côté du miroir que l'objet.