Lenti concave e convesse: somiglianze e differenze

La tua vita non sarebbe la stessa senza le lenti. Indipendentemente dal fatto che tu debba indossare occhiali correttivi o meno, non puoi vedere un'immagine chiara di qualsiasi cosa senza un qualche tipo di lenti per piegare i raggi di luce che li attraversano in un unico punto focale.

Gli scienziati dipendono da microscopi e telescopi per consentire loro di vedere oggetti molto piccoli o distanti, tranne che ingranditi al punto da poter estrarre dati o osservazioni utili dalle immagini. Ed esattamente gli stessi principi vengono utilizzati per assicurarti di avere una fotocamera che possa aiutarti a scattare il selfie perfetto.

Dalla lente d'ingrandimento all'occhio umano, tutte le lenti funzionano secondo gli stessi principi di base. Sebbene ci siano importanti differenze tra lenti convergenti (lenti convesse) e lenti divergenti (lenti concave), non appena impari alcuni dettagli di base, noterai molte somiglianze pure.

Prima di intraprendere questo viaggio per comprendere le lenti convesse e concave, è importante avere un primer su alcuni dei concetti chiave dell'ottica. Il

Illunghezza focaledella lente è la distanza dal centro della lente al punto focale, con una lunghezza focale minore che indica una lente che piega i raggi di luce più fortemente.

Ilasse otticodi una lente è la linea di simmetria che attraversa il centro della lente, che corre orizzontalmente se immagini una lente in posizione verticale diritta.

UNraggio di luceè un modo utile per rappresentare il percorso di un raggio di luce, utilizzato nei diagrammi di raggio per dare un'interpretazione visiva di come la presenza di una lente influenzi il percorso del raggio di luce.

In pratica, qualsiasi oggetto avrà raggi di luce che lo lasciano in ogni direzione, ma non tutti questi offrono informazioni utili quando si tratta di analizzare cosa fa effettivamente l'obiettivo. Quando si disegnano diagrammi dei raggi, la scelta di alcuni raggi di luce chiave è in genere sufficiente per spiegare la propagazione delle onde luminose e il processo di formazione dell'immagine.

I diagrammi dei raggi e il ray tracing consentono di determinare la posizione della formazione dell'immagine in base alla posizione dell'oggetto e alla posizione dell'obiettivo.

Il processo di disegno dei raggi luminosi e la loro deviazione mentre passano attraverso la lente può essere completato usando la legge di rifrazione di Snell, che mette in relazione l'angolo del raggio prima di raggiungere il lente all'angolo dall'altra parte della lente, in base agli indici di rifrazione per l'aria (o altro mezzo attraverso il quale viaggia il raggio) e il pezzo di vetro o altro materiale utilizzato per la lente.

Tuttavia, questo può richiedere molto tempo e ci sono alcuni trucchi che possono aiutarti a produrrediagrammi di raggiopiù facilmente. In particolare, ricorda che i raggi luminosi che passano attraverso il centro della lente non vengono rifratti in misura notevole e che i raggi paralleli vengono deviati verso il punto focale.

Esistono due tipi principali di formazione dell'immagine che possono verificarsi con le lenti e che è possibile utilizzare per stabilire i diagrammi dei raggi. Il primo di questi è una "immagine reale", che si riferisce a un punto in cui i raggi di luce convergono per produrre un'immagine. Se posizionassi uno schermo in questa posizione, i raggi di luce creerebbero un'immagine a fuoco sullo schermo. Un'immagine reale è prodotta da una lente convergente, altrimenti nota come lente convessa.

Un'immagine virtuale è completamente diversa ed è creata da una lente divergente. Perché queste lenti piegano i raggi luminosilontanol'uno dall'altro (cioè farli divergere), l'“immagine” si forma in realtà sul lato della lente da cui provenivano i raggi di luce incidente.

L'incanalamento dei raggi sul lato opposto fa sembrare che i raggi siano stati prodotti da un oggetto sullo stesso lato della lente come i raggi incidenti, come se si tracciassero i raggi su un percorso rettilineo fino al punto in cui sarebbero convergere. Questo non è letteralmente vero, però, e se posizionassi uno schermo in questa posizione non ci sarebbe alcuna immagine.

L'equazione della lente sottile è una delle equazioni più importanti in ottica e mette in relazione la distanza dall'oggettod​_o, la distanza dall'immagined​_io e la lunghezza focale dell'obiettivof. L'equazione è piuttosto semplice, ma è un po' più difficile da usare rispetto ad altre equazioni in fisica perché i termini chiave sono nei denominatori delle frazioni, come segue:

La convenzione è che un'immagine virtuale ha una distanza negativa e che le immagini reali hanno una distanza positiva. Anche la lunghezza focale dell'obiettivo segue questa stessa convenzione, quindi le lunghezze focali positive rappresentano lenti convergenti e le lunghezze focali negative rappresentano lenti divergenti.

​Lenti convesse e concavesono i due principali tipi di lenti discussi nelle lezioni introduttive di fisica, quindi se capisci come si comportano, sarai in grado di rispondere a qualsiasi domanda.

È importante notare che questa equazione è per una lente "sottile". Ciò significa che l'obiettivo può essere considerato come una deviazione del percorso di un raggio luminoso daunosolo posizione, il centro dell'obiettivo.

In pratica, c'è una deflessione su entrambi i lati della lente - uno all'interfaccia tra l'aria e il materiale della lente, e il altro all'interfaccia tra il materiale della lente e l'aria dall'altra parte - ma questa ipotesi rende molto il calcolo più semplice.

Una lente concava viene anche chiamata lente divergente e queste sono curve in modo che la "ciotola" della lente sia rivolta verso l'oggetto in questione. Come accennato in precedenza, la convenzione è che a obiettivi come questo viene assegnata una lunghezza focale negativa e l'immagine virtuale che producono è sullo stesso lato dell'oggetto originale.

Per completare ilprocesso di ray tracingper una lente concava, si noti che qualsiasi raggio di luce proveniente dall'oggetto che viaggia parallelamente all'asse ottico della lente sarà deviato, quindi sembra provenire da vicino al punto focale dell'obiettivo, sullo stesso lato dell'obiettivo dell'oggetto si.

Come accennato in precedenza, qualsiasi raggio che passa attraverso il centro della lente continuerà senza essere deviato. Infine, qualsiasi raggio che si muove verso il punto focale sul lato opposto della lente sarà deviato, quindi emerge parallelamente all'asse ottico.

Disegnare alcuni di questi raggi basati su un singolo punto sull'oggetto sarà di solito sufficiente per trovare la posizione dell'immagine prodotta.

Una lente convessa è anche nota come lente convergente e funziona essenzialmente in modo opposto a una lente concava. È curvo in modo che la curvatura esterna della forma a "ciotola" sia più vicina all'oggetto e alla lunghezza focale viene assegnato un valore positivo.

Il processo di ray tracing per una lente convergente è molto simile a quello per una lente divergente, con un paio di importanti differenze. Come sempre, i raggi di luce che passano attraverso il centro della lente non vengono deviati.

Se un raggio incidente viaggia parallelamente all'asse ottico, si defletterà attraverso il punto focale sul lato opposto dell'obiettivo. Viceversa, qualsiasi raggio di luce proveniente dall'oggetto e passando attraverso il punto focale vicino nel suo viaggio verso l'obiettivo verrà deviato, quindi emerge parallelamente all'asse ottico.

Di nuovo, disegnando due o tre raggi per un punto sull'oggetto in base a questi semplici principi, sarai in grado di trovare la posizione dell'immagine. Questo è il punto in cui tutti i raggi luminosi convergono sul lato opposto della lente all'oggetto stesso.

L'ingrandimento è un concetto importante nell'ottica e si riferisce al rapporto tra la dimensione dell'immagine prodotta da un obiettivo e la dimensione dell'oggetto originale. Questo è più o meno come capiresti l'ingrandimento come un concetto della vita di tutti i giorni: se l'immagine è grande il doppio dell'oggetto, è stata ingrandita di un fattore due. Ma la definizione precisa è:

DoveMè l'ingrandimento,iosi riferisce alla dimensione dell'immagine eosi riferisce alla dimensione dell'oggetto. Un ingrandimento negativo indica un'immagine invertita, con un ingrandimento positivo in posizione verticale.

Ci sono somiglianze tra lenti convesse e concave in termini di base, ma ci sono più differenze che somiglianze quando le guardi in modo più dettagliato.

La principale somiglianza è che entrambi funzionano sullo stesso principio di base, in cui la differenza in indice di rifrazione tra la lente e il mezzo circostante consente loro di piegare i raggi luminosi e creare a punto focale. Tuttavia, le lenti divergenti creano sempre immagini virtuali, mentre le lenti convergenti possono creare immagini reali o virtuali.

Al diminuire della curvatura della lente, le lenti convergenti e divergenti diventano sempre più simili tra loro, perché anche la geometria delle superfici diventa più simile. Poiché entrambi funzionano in base allo stesso principio, man mano che la geometria diventa più simile, anche l'effetto che hanno su un raggio di luce diventa più simile.

Le lenti concave e convesse hanno molte applicazioni pratiche, ma la più comune nella vita di tutti i giorni è l'uso dilenti correttive(occhiali) per miopia o miopia, o addirittura ipermetropia o ipermetropia.

In entrambe queste condizioni, il punto focale per la lente dell'occhio non corrisponde perfettamente alla posizione di la retina fotosensibile nella parte posteriore dell'occhio, davanti per la miopia e dietro per l'ipermetropia. Gli occhiali per miopia sono divergenti, quindi il punto focale viene spostato indietro, mentre per l'ipermetropia si usano lenti convergenti.

Le lenti d'ingrandimento e i microscopi funzionano allo stesso modo di base, utilizzando lenti biconvesse (lenti con due lati convessi) per produrre una versione ingrandita delle immagini. Una lente d'ingrandimento è il dispositivo ottico più semplice, con un'unica lente che serve a produrre una dimensione dell'immagine più grande di quella che potresti ottenere altrimenti. I microscopi sono un po' più complicati (perché di solito hanno più lenti), ma producono immagini ingrandite praticamente allo stesso modo.

I telescopi rifrattori funzionano proprio come i microscopi e le lenti di ingrandimento, con una lente biconvessa producendo un punto focale all'interno del corpo del telescopio, ma la luce continuando a raggiungere il oculare.

Come sui microscopi, questi hanno un'altra lente nell'oculare per assicurarsi che la luce catturata sia a fuoco quando raggiunge l'occhio. L'altro tipo principale di telescopio è un telescopio riflettore, che utilizza specchi invece di lenti per raccogliere la luce e inviarla all'occhio. Lo specchio è concavo, quindi focalizza la luce su un'immagine reale sullo stesso lato dello specchio dell'oggetto.