Vaš život ne bi bio isti bez leća. Bez obzira trebate li nositi korektivne naočale ili ne, ne možete vidjeti jasnu sliku ničega bez nekakvih leća koje bi savile zrake svjetlosti koje kroz njih prolaze u jednu žarišnu točku.
Znanstvenici ovise o mikroskopima i teleskopima kako bi im omogućili da vide vrlo male ili udaljene objekte, osim uvećanih do te mjere da sa slika mogu izvući korisne podatke ili zapažanja. A potpuno se isti principi koriste kako biste bili sigurni da imate kameru koja vam može pomoći da napravite savršeni selfie.
Od povećala do ljudskog oka, sve leće djeluju na istim osnovnim principima. Iako postoje važne razlike između konvergentnih leća (konveksnih leća) i divergentnih leća (konkavne leće), čim naučite neke od osnovnih detalja, primijetit ćete mnoge sličnosti isto.
Definicije koje treba znati
Prije nego što krenete na ovo putovanje kako biste razumjeli konveksne i konkavne leće, važno je imati temeljni premaz o nekim ključnim konceptima u optici. Thežarišteje točka u kojoj se paralelne zrake konvergiraju (tj. susreću) nakon prolaska kroz leću i gdje se stvara jasna slika.
Thežarišna duljinaleće je udaljenost od središta leće do žarišne točke, s manjom žarišnom duljinom koja ukazuje na leću koja jače savija zrake svjetlosti.
Theoptička osleće je linija simetrije koja prolazi kroz središte leće, a prolazi vodoravno ako zamislite da je leća stajala okomito uspravno.
Asvjetlosna zrakakoristan je način predstavljanja puta zrake svjetlosti, koji se koristi u dijagramima zraka kako bi se dala vizualna interpretacija kako prisutnost leće utječe na put svjetlosne zrake.
U praksi će svaki objekt imati svjetlosne zrake koje ga ostavljaju u svim smjerovima, ali ne nude sve korisne informacije kada je u pitanju analiza onoga što leća zapravo radi. Kada crtate dijagrame zraka, odabir nekoliko ključnih svjetlosnih zraka obično je dovoljan da objasni širenje svjetlosnih valova i proces stvaranja slike.
Dijagrami zraka
Dijagrami zraka i traženje zraka omogućuju vam da odredite mjesto stvaranja slike na temelju lokacije objekta i mjesta leće.
Proces crtanja svjetlosnih zraka i njihov otklon dok prolaze kroz leću može se dovršiti pomoću Snellovog zakona loma koji povezuje kut zrake prije nego što dosegne leća prema kutu s druge strane leće, na temelju indeksa loma zraka (ili drugog medija kroz koji zraka putuje) i komada stakla ili drugog materijala koji se koristi za leće.
Međutim, to može potrajati, a postoji nekoliko trikova koji vam mogu pomoći u stvaranjudijagrami zrakalakše. Posebno imajte na umu da se zrake svjetlosti koje prolaze kroz središte leće ne lome u primjetnom stupnju i da se paralelne zrake skreću prema žarišnoj točki.
Dvije su glavne vrste stvaranja slike koje se mogu dogoditi s lećama i koje možete koristiti za postavljanje dijagrama zraka. Prva od njih je "stvarna slika", koja se odnosi na točku u kojoj se zrake svjetlosti konvergiraju da bi se stvorila slika. Ako ste postavili zaslon na ovo mjesto, svjetlosne zrake stvorile bi fokusnu sliku na zaslonu. Stvarnu sliku stvara konvergirajuća leća, koja je inače poznata kao konveksna leća.
Virtualna slika potpuno je drugačija i stvara je leća koja se razilazi. Budući da ove leće savijaju svjetlosne zrakedalekojedna od druge (tj. natjerati ih da se razilaze), "slika" je zapravo stvorena na bočnoj strani leće odakle su dolazile zrake upadnog svjetla.
Izbacivanje zraka iz suprotne strane čini da zrake stvara objekt s iste strane leće kao padajuće zrake, kao da ste tragom vratili zrak pravocrtno do točke na kojoj bi konvergirati. To, međutim, doslovno nije istina i ako postavite zaslon na ovo mjesto, ne bi bilo slike.
Jednadžba tanke leće
Jednadžba tankih leća jedna je od najvažnijih jednadžbi u optici i odnosi udaljenost do predmetado, udaljenost do slikedi i žarišna daljina lećef. Jednadžba je prilično jednostavna, ali je malo teža za upotrebu od nekih drugih jednadžbi u fizici, jer su ključni pojmovi u nazivnicima razlomaka, kako slijedi:
\ frac {1} {d_o} + \ frac {1} {d_i} = \ frac {1} {f}
Konvencija je da virtualna slika ima negativnu udaljenost, a da stvarne slike imaju pozitivnu udaljenost. Žarišna duljina leće također slijedi istu konvenciju, pa pozitivne žarišne duljine predstavljaju konvergentne leće, a negativne žarišne duljine predstavljaju divergentne leće.
Konveksne i konkavne lećedvije su glavne vrste leća o kojima se raspravljalo na uvodnim satima fizike, pa dok razumijete kako se one ponašaju, moći ćete odgovoriti na svako pitanje.
Važno je napomenuti da je ova jednadžba za "tanku" leću. To znači da se leća može tretirati kao da odbija put svjetlosne zrake odjedansamo mjesto, središte leće.
U praksi postoji otklon na obje strane leće - jedan na sučelju između zraka i materijala leće i drugi na sučelju između materijala leće i zraka s druge strane - ali ova pretpostavka čini izračun mnogo jednostavnije.
Udubljene leće
Konkavna leća se također naziva razilazećom lećom, a one su zakrivljene tako da je "zdjela" leće okrenuta dotičnom predmetu. Kao što je gore spomenuto, konvencija je da se lećama poput ove dodjeljuje negativna žarišna duljina, a virtualna slika koju proizvode nalazi se na istoj strani kao i izvorni objekt.
Da biste dovršilipostupak traženja zrakaza udubljenu leću imajte na umu da će biti svaka svjetlosna zraka od predmeta koji putuje paralelno s optičkom osi leće skrenuta, pa se čini da potječe iz blizine žarišta leće, na istoj strani leće kao i objekt sebe.
Kao što je gore spomenuto, svaka zraka koja prođe kroz središte leće nastavit će se bez skretanja. Napokon, svaka zraka koja se kreće prema žarišnoj točki na suprotnoj strani leće bit će skrenuta, tako da izlazi paralelno s optičkom osi.
Nacrtavanje nekoliko takvih zraka na temelju jedne točke na objektu obično će biti dovoljno za pronalaženje mjesta nastale slike.
Konveksne leće
Konveksna leća poznata je i kao konvergirajuća leća i u osnovi djeluje suprotno od konkavne leće. Zakrivljena je tako da je vanjski zavoj oblika "zdjelice" najbliži objektu, a žarišna duljina dobiva pozitivnu vrijednost.
Proces traženja zraka za konvergirajuću leću vrlo je sličan onome za divergentnu leću, s nekoliko važnih razlika. Kao i uvijek, zrake svjetlosti koje prolaze kroz središte leće nisu skrenute.
Ako padajuća zraka putuje paralelno s optičkom osi, ona će se odbiti kroz žarišnu točku na suprotnoj strani leće. Suprotno tome, bilo koja svjetlosna zraka koja dolazi od objekta i prolazi kroz blisku žarišnu točku na svom putu prema leći bit će skrenuta, tako da izlazi paralelno s optičkom osi.
Opet, crtajući dvije ili tri zrake za točku na objektu na temelju ovih jednostavnih principa, moći ćete pronaći mjesto slike. To je točka u kojoj se sve zrake svjetlosti konvergiraju na suprotnoj strani leće prema samom objektu.
Koncept povećanja
Povećanje je važan pojam u optici, a odnosi se na omjer veličine slike koju stvara leća i veličine izvornog predmeta. Otprilike tako biste povećavanje shvatili kao koncept iz svakodnevnog života - ako je slika dvostruko veća od predmeta, povećana je za dva puta. Ali precizna definicija je:
M = - \ frac {i} {o}
GdjeMje povećanje,iodnosi se na veličinu slike ioodnosi se na veličinu predmeta. Negativno povećanje ukazuje na obrnutu sliku, pri čemu je pozitivno povećanje uspravno.
Sličnosti i razlike
U osnovi postoje sličnosti između konveksnih i udubljenih leća, no više je nego sličnosti kada ih se detaljnije pogleda.
Glavna je sličnost u tome što oboje rade na istom osnovnom principu, gdje je razlika u indeks loma između leće i okolnog medija omogućuje im savijanje svjetlosnih zraka i stvaranje a žarište. Međutim, divergentne leće uvijek stvaraju virtualne slike, dok konvergirajuće leće mogu stvoriti stvarne ili virtualne slike.
Kako se zakrivljenost leće smanjuje, konvergencijske i divergentne leće postaju sve sličnije jedna drugoj, jer i geometrija površina postaje sličnija. Budući da oboje rade na istom principu, kako geometrija postaje sličnija, učinak koji imaju na svjetlosnu zraku postaje sve sličniji.
Primjene i primjeri
Konkavne i konveksne leće imaju mnogo praktičnih primjena, ali u svakodnevnom životu najčešća je upotrebakorektivne leće(naočale) zbog kratkovidnosti ili kratkovidnosti ili doista hipermetropije ili dalekovidosti.
U oba ova stanja, žarišna točka za očnu leću ne odgovara se točno položaju mrežnica osjetljiva na svjetlost na stražnjem dijelu oka, pri čemu je sprijeda za kratkovidnost, a iza nje za hiperopiju. Naočale za kratkovidnost se razilaze, pa se žarišna točka pomiče unatrag, dok se za hiperopiju koriste leće koje se konvergiraju.
Povećavajuće naočale i mikroskopi djeluju na isti osnovni način, koristeći bikonveksne leće (leće s dvije konveksne stranice) za stvaranje povećane verzije slika. Povećalo je jednostavniji optički uređaj s jednom lećom koja služi za stvaranje veće veličine slike nego što biste je inače mogli dobiti. Mikroskopi su malo kompliciraniji (jer obično imaju više leća), ali povećane slike stvaraju u osnovi na isti način.
Refraktorski teleskopi rade poput mikroskopa i povećala, s bikonveksnom lećom stvarajući žarišnu točku u tijelu teleskopa, ali svjetlost nastavlja dolaziti do okular.
Kao i na mikroskopima, i oni imaju drugu leću u okularu kako bi bili sigurni da je uhvaćena svjetlost u fokusu kad dođe do vašeg oka. Druga glavna vrsta teleskopa je reflektorski teleskop koji koristi zrcala umjesto leća kako bi prikupio svjetlost i poslao je vašem oku. Zrcalo je udubljeno, pa usmjerava svjetlost u stvarnu sliku na istoj strani zrcala kao i objekt.