Concave en bolle lenzen: overeenkomsten en verschillen

Je leven zou niet hetzelfde zijn zonder lenzen. Of je nu een corrigerende bril moet dragen of niet, je kunt nergens een duidelijk beeld van zien zonder een soort lenzen om de lichtstralen die er doorheen gaan te buigen in een enkel brandpunt.

Wetenschappers zijn afhankelijk van microscopen en telescopen om zeer kleine of verre objecten te kunnen zien, behalve dat ze worden vergroot tot het punt waarop ze bruikbare gegevens of waarnemingen uit de afbeeldingen kunnen halen. En precies dezelfde principes worden gebruikt om ervoor te zorgen dat je een camera hebt waarmee je de perfecte selfie kunt maken.

Van het vergrootglas tot het menselijk oog, alle lenzen werken volgens dezelfde basisprincipes. Hoewel er belangrijke verschillen zijn tussen convergerende lenzen (convexe lenzen) en divergerende lenzen (concave lenzen), zodra je enkele basisdetails leert, zul je veel overeenkomsten opmerken te.

Voordat u aan deze reis begint om convexe en concave lenzen te begrijpen, is het belangrijk om een ​​inleiding te hebben over enkele van de belangrijkste concepten in de optica. De

Debrandpuntsafstandvan de lens is de afstand van het midden van de lens tot het brandpunt, waarbij een kleinere brandpuntsafstand een lens aangeeft die lichtstralen sterker afbuigt.

Deoptische asvan een lens is de symmetrielijn die door het midden van de lens loopt, die horizontaal loopt als je je voorstelt dat een lens verticaal rechtop stond.

EENlichtstraalis een handige manier om het pad van een lichtstraal weer te geven, gebruikt in straaldiagrammen om een ​​visuele interpretatie te geven van hoe de aanwezigheid van een lens het pad van de lichtstraal beïnvloedt.

In de praktijk zal elk object lichtstralen hebben die het in alle richtingen verlaten, maar niet al deze bieden bruikbare informatie als het gaat om het analyseren van wat de lens eigenlijk doet. Wanneer u straaldiagrammen tekent, is het kiezen van een paar belangrijke lichtstralen meestal voldoende om de voortplanting van lichtgolven en het proces van beeldvorming te verklaren.

Met straaldiagrammen en raytracing kunt u de locatie van beeldvorming bepalen op basis van de locatie van het object en de lens.

Het proces van het tekenen van de lichtstralen en hun afbuiging terwijl ze door de lens gaan, kan worden voltooid met behulp van de brekingswet van Snell, die de hoek van de straal relateert voordat hij de lens naar de hoek aan de andere kant van de lens, gebaseerd op de brekingsindices voor lucht (of een ander medium waardoor de straal reist) en het stuk glas of ander materiaal dat wordt gebruikt voor de lens.

Dit kan echter tijdrovend zijn en er zijn een paar trucs die u kunnen helpen bij het producerenstraaldiagrammenmakkelijker. Onthoud in het bijzonder dat lichtstralen die door het midden van de lens gaan, niet in een merkbare mate worden gebroken en dat parallelle stralen worden afgebogen naar het brandpunt.

Er zijn twee hoofdtypen beeldvorming die kunnen optreden bij lenzen en die u met behulp van straaldiagrammen kunt vaststellen. De eerste hiervan is een 'echt beeld', dat verwijst naar een punt waarop lichtstralen samenkomen om een ​​beeld te produceren. Als je op deze plek een scherm zou plaatsen, zouden de lichtstralen een scherp beeld op het scherm creëren. Een echt beeld wordt geproduceerd door een convergerende lens, ook wel een convexe lens genoemd.

Een virtueel beeld is totaal anders en ontstaat door een divergerende lens. Omdat deze lenzen lichtstralen buigenwegvan elkaar (d.w.z. ze laten divergeren), wordt het "beeld" eigenlijk gevormd aan de kant van de lens waar de invallende lichtstralen vandaan kwamen.

Door de trechtering van de stralen aan de andere kant lijkt het alsof de stralen zijn geproduceerd door een object aan dezelfde kant van de lens als de invallende stralen, alsof u de stralen op een rechtlijnig pad terugtrekt naar het punt waar ze zouden convergeren. Dit is echter niet letterlijk waar, en als je een scherm op deze locatie zou plaatsen, zou er geen beeld zijn.

De dunne-lensvergelijking is een van de belangrijkste vergelijkingen in de optica en relateert de afstand tot het objectd​_O, de afstand tot het beeldd​_ik en de brandpuntsafstand van de lensf. De vergelijking is vrij eenvoudig, maar het is iets moeilijker te gebruiken dan sommige andere vergelijkingen in de natuurkunde, omdat de belangrijkste termen in de noemers van breuken staan, als volgt:

De afspraak is dat een virtueel beeld een negatieve afstand heeft en dat echte beelden een positieve beeldafstand hebben. De brandpuntsafstand van de lens volgt ook dezelfde conventie, dus positieve brandpuntsafstanden vertegenwoordigen convergerende lenzen en negatieve brandpuntsafstanden vertegenwoordigen divergerende lenzen.

​Convexe en concave lenzenzijn de twee belangrijkste soorten lenzen die worden besproken in inleidende natuurkundelessen, dus zolang je begrijpt hoe deze zich gedragen, kun je elke vraag beantwoorden.

Het is belangrijk op te merken dat deze vergelijking voor een "dunne" lens is. Dit betekent dat de lens kan worden beschouwd als een afbuiging van het pad van een lichtstraal vaneenalleen op de locatie, het midden van de lens.

In de praktijk is er een doorbuiging aan beide zijden van de lens - een op het grensvlak tussen de lucht en het lensmateriaal, en de andere op het grensvlak tussen het lensmateriaal en de lucht aan de andere kant – maar deze aanname maakt de berekening veel eenvoudiger.

Een concave lens wordt ook wel divergerende lens genoemd en deze zijn zo gebogen dat de "kom" van de lens naar het object in kwestie is gericht. Zoals hierboven vermeld, is de afspraak dat aan lenzen zoals deze een negatieve brandpuntsafstand wordt toegewezen en dat het virtuele beeld dat ze produceren zich aan dezelfde kant bevindt als het oorspronkelijke object.

Om de. te voltooienray tracing procesvoor een concave lens, merk op dat elke lichtstraal van het object dat evenwijdig aan de optische as van de lens beweegt, zal zijn afgebogen, dus het lijkt afkomstig te zijn van nabij het brandpunt van de lens, aan dezelfde kant van de lens als het object zelf.

Zoals hierboven vermeld, zal elke straal die door het midden van de lens gaat, doorgaan zonder te worden afgebogen. Ten slotte zal elke straal die naar het brandpunt aan de andere kant van de lens beweegt, worden afgebogen, zodat hij evenwijdig aan de optische as tevoorschijn komt.

Het tekenen van een paar van dergelijke stralen op basis van een enkel punt op het object is meestal voldoende om de locatie van het geproduceerde beeld te vinden.

Een convexe lens is ook bekend als een convergerende lens en werkt in wezen omgekeerd aan een concave lens. Het is zo gebogen dat de buitenste buiging van de "kom" -vorm zich het dichtst bij het object bevindt en aan de brandpuntsafstand een positieve waarde wordt toegekend.

Het proces van raytracing voor een convergerende lens lijkt sterk op die voor een divergerende lens, met een paar belangrijke verschillen. Zoals altijd worden lichtstralen die door het midden van de lens gaan niet afgebogen.

Als een invallende straal evenwijdig aan de optische as beweegt, zal deze door het brandpunt aan de andere kant van de lens afbuigen. Omgekeerd zal elke lichtstraal die van het object komt en op zijn reis naar de lens door het nabije brandpunt gaat, worden afgebogen, zodat hij evenwijdig aan de optische as tevoorschijn komt.

Nogmaals, door twee of drie stralen te tekenen voor een punt op het object op basis van deze eenvoudige principes, kun je de locatie van de afbeelding vinden. Dit is het punt waar alle lichtstralen samenkomen aan de andere kant van de lens naar het object zelf.

Vergroting is een belangrijk concept in de optica en verwijst naar de verhouding tussen de grootte van het beeld dat door een lens wordt geproduceerd en de grootte van het oorspronkelijke object. Dit is ongeveer hoe je vergroting zou begrijpen als een concept uit het dagelijks leven - als het beeld twee keer zo groot is als het object, is het met een factor twee vergroot. Maar de precieze definitie is:

WaarMis de vergroting,ikverwijst naar de grootte van de afbeelding enOverwijst naar de grootte van het object. Een negatieve vergroting geeft een omgekeerd beeld aan, waarbij positieve vergroting rechtop staat.

Er zijn overeenkomsten tussen convexe en concave lenzen in basistermen, maar er zijn meer verschillen dan overeenkomsten als je ze in meer detail bekijkt.

De grote overeenkomst is dat ze allebei volgens hetzelfde basisprincipe werken, waarbij het verschil in brekingsindex tussen de lens en het omringende medium stelt hen in staat om lichtstralen te buigen en een brandpunt. Echter, divergerende lenzen creëren altijd virtuele beelden, terwijl convergerende lenzen reële of virtuele beelden kunnen creëren.

Naarmate de kromming van de lens afneemt, gaan convergerende en divergerende lenzen steeds meer op elkaar lijken, omdat ook de geometrie van de oppervlakken meer op elkaar gaat lijken. Omdat ze allebei op hetzelfde principe werken, wordt het effect dat ze op een lichtstraal hebben, ook meer gelijk naarmate de geometrie meer op elkaar lijkt.

Concave en convexe lenzen hebben veel praktische toepassingen, maar de meest voorkomende in het dagelijks leven is het gebruik vancorrigerende lenzen(brillen) voor bijziendheid of bijziendheid, of zelfs hypermetropie of verziendheid.

In beide gevallen komt het brandpunt van de ooglens niet helemaal overeen met de positie van het lichtgevoelige netvlies aan de achterkant van het oog, vooraan voor bijziendheid en erachter voor verziendheid. Brillen voor bijziendheid divergeren, dus het brandpunt wordt naar achteren verplaatst, terwijl voor verziendheid convergerende lenzen worden gebruikt.

Vergrootglazen en microscopen werken op dezelfde basismanier, met behulp van biconvexe lenzen (lenzen met twee convexe zijden) om een ​​vergrote versie van de afbeeldingen te produceren. Een vergrootglas is het eenvoudigere optische apparaat, met een enkele lens die dient om een ​​groter beeldformaat te produceren dan u anders zou kunnen krijgen. Microscopen zijn iets gecompliceerder (omdat ze meestal meerdere lenzen hebben), maar ze produceren in principe op dezelfde manier vergrote beelden.

Refractortelescopen werken net als microscopen en vergrootglazen, met een biconvexe lens het produceren van een brandpunt in het lichaam van de telescoop, maar het licht blijft de bereiken oculair.

Net als bij microscopen hebben deze een andere lens in het oculair om ervoor te zorgen dat het vastgelegde licht scherp is wanneer het uw oog bereikt. Het andere belangrijke type telescoop is een reflectortelescoop, die spiegels gebruikt in plaats van lenzen om het licht te verzamelen en naar je oog te sturen. De spiegel is hol, dus richt het licht op een echt beeld aan dezelfde kant van de spiegel als het object.