Konkave og konvekse linser: Likheter og forskjeller

Livet ditt ville ikke være det samme uten linser. Enten du trenger å bruke korrigerende briller eller ikke, kan du ikke se et klart bilde av noe uten noen form for linser for å bøye lysstrålene som går gjennom dem til et enkelt fokuspunkt.

Forskere er avhengige av mikroskoper og teleskoper for å tillate dem å se veldig små eller fjerne gjenstander, bortsett fra forstørret til det punktet hvor de kan hente ut nyttige data eller observasjoner fra bildene. Og nøyaktig de samme prinsippene brukes for å sikre at du har et kamera som kan hjelpe deg med å ta den perfekte selfien.

Fra lupen til det menneskelige øye, fungerer alle linser på de samme grunnleggende prinsippene. Mens det er viktige forskjeller mellom konvergerende linser (konvekse linser) og divergerende linser (konkave linser), så snart du lærer noen av de grunnleggende detaljene, vil du legge merke til mange likheter også.

Før du begir deg ut på denne reisen for å forstå konvekse og konkave linser, er det viktig å ha en primer på noen av nøkkelbegrepene i optikk. De

Debrennviddeav linsen er avstanden fra midten av linsen til brennpunktet, med en mindre brennvidde som indikerer en linse som bøyer lysstråler sterkere.

Deoptisk akseav en linse er symmetrilinjen som går gjennom midten av linsen, som går horisontalt hvis du forestiller deg at en linse stod loddrett oppreist.

ENlysstråleer en nyttig måte å representere banen til en lysstråle, brukt i strålediagrammer for å gi en visuell tolkning av hvordan tilstedeværelsen av en linse påvirker lysstrålens bane.

I praksis vil ethvert objekt ha lysstråler som lar det være i alle retninger, men ikke alle disse gir nyttig informasjon når det gjelder å analysere hva linsen faktisk gjør. Når du tegner strålediagrammer, er det vanligvis nok å velge noen få viktige lysstråler for å forklare forplantningen av lysbølger og prosessen med bildedannelse.

Strålediagrammer og strålesporing lar deg bestemme plasseringen av bildedannelse basert på objektets beliggenhet og linsens plassering.

Prosessen med å tegne lysstrålene og deres avbøyning når de passerer gjennom linsen kan fullføres ved hjelp av Snells brytningslov, som relaterer vinkelen til strålen før den når linse mot vinkelen på den andre siden av linsen, basert på brytningsindeksene for luft (eller et annet medium som strålen beveger seg gjennom) og glassstykket eller annet materiale som brukes til linse.

Dette kan imidlertid være tidkrevende, og det er noen triks som kan hjelpe deg med å produserestrålediagrammerlettere. Husk spesielt at lysstråler som går gjennom midten av linsen ikke brytes i merkbar grad, og at parallelle stråler blir avbøyd mot fokuspunktet.

Det er to hovedtyper av bildedannelse som kan oppstå med linser, og som du kan bruke strålediagrammer for å etablere. Den første av disse er et "ekte bilde", som refererer til et punkt der lysstråler samles for å produsere et bilde. Hvis du plasserte en skjerm på dette stedet, ville lysstrålene skape et fokusbilde på skjermen. Et ekte bilde produseres av en konvergerende linse, som ellers er kjent som en konveks linse.

Et virtuelt bilde er helt annerledes og er skapt av en divergerende linse. Fordi disse linsene bøyer lysstrålerbortefra hverandre (dvs. få dem til å avvike), blir "bildet" faktisk dannet på siden av linsen der de innfallende lysstrålene kom fra.

Trakten ut av strålene på motsatt side får det til å se ut som om strålene ble produsert av et objekt på samme side av linsen som hendelsesstrålene, som om du spores strålene tilbake på en rett sti til det punktet der de ville konvergerer. Dette er ikke bokstavelig talt sant, og hvis du plasserte en skjerm på dette stedet, ville det ikke være noe bilde.

Den tynne linse ligningen er en av de viktigste ligningene i optikk, og den relaterer avstanden til objektetd​_o, avstanden til bildetd​_Jeg og objektivets brennviddef. Ligningen er ganske enkel, men den er litt vanskeligere å bruke enn noen andre ligninger i fysikk fordi nøkkelordene er i nevnere for brøker, som følger:

Konvensjonen er at et virtuelt bilde har en negativ avstand, og at virkelige bilder har en positiv bildeavstand. Brennvidden til linsen følger også den samme konvensjonen, så positive brennvidder representerer konvergerende linser, og negative brennvidder representerer divergerende linser.

​Konvekse og konkave linserer de to hovedtypene på linser som er diskutert i innledende fysikktimer, så så lenge du forstår hvordan disse oppfører seg, vil du kunne svare på spørsmål.

Det er viktig å merke seg at denne ligningen er for en "tynn" linse. Dette betyr at linsen kan behandles som å avbøye banen til en lysstråle fraenbare plasseringen, midten av linsen.

I praksis er det en avbøyning på begge sider av linsen - en i grensesnittet mellom luften og linsematerialet, og annet ved grensesnittet mellom linsematerialet og luften på den andre siden - men denne antagelsen gjør beregningen mye enklere.

En konkav linse blir også referert til som en divergerende linse, og disse er buet slik at "skålen" til linsen vender mot objektet det gjelder. Som nevnt ovenfor er konvensjonen at linser som dette tildeles en negativ brennvidde, og det virtuelle bildet de produserer er på samme side som det opprinnelige objektet.

For å fullførestrålesporingsprosessfor en konkav linse, merk at enhver lysstråle fra objektet som beveger seg parallelt med den optiske aksen til linsen vil være avbøyd, slik at det ser ut til å ha sitt utspring fra nær objektivets fokuspunkt, på samme side av linsen som objektet seg selv.

Som nevnt ovenfor vil enhver stråle som passerer gjennom midten av linsen fortsette uten å bli avbøyd. Til slutt vil enhver stråle som beveger seg mot brennpunktet på motsatt side av linsen bli avbøyd, slik at den kommer parallelt med den optiske aksen.

Å tegne noen få slike stråler basert på et enkelt punkt på objektet vil vanligvis være nok til å finne plasseringen til det produserte bildet.

En konveks linse er også kjent som en konvergerende linse og fungerer i hovedsak på motsatt måte til en konkav linse. Den er buet slik at den ytre bøyningen av "bolle" -formen er nærmest objektet, og brennvidden tildeles en positiv verdi.

Prosessen med strålesporing for en konvergerende linse er veldig lik som for en divergerende linse, med et par viktige forskjeller. Som alltid avvises ikke lysstråler som går gjennom midten av linsen.

Hvis en hendelsesstråle beveger seg parallelt med den optiske aksen, vil den avbøyes gjennom fokuspunktet på motsatt side av linsen. Omvendt vil enhver lysstråle som kommer fra objektet og passerer gjennom nærfokuspunktet på reisen mot linsen avbøyes, slik at den kommer parallelt med den optiske aksen.

Igjen, ved å tegne to eller tre stråler for et punkt på objektet basert på disse enkle prinsippene, vil du kunne finne plasseringen til bildet. Dette er punktet der alle lysstrålene konvergerer på motsatt side av linsen til selve objektet.

Forstørrelse er et viktig begrep innen optikk, og det refererer til forholdet mellom størrelsen på bildet som produseres av en linse og størrelsen på det opprinnelige objektet. Dette er ganske mye hvordan du vil forstå forstørrelse som et konsept fra hverdagen - hvis bildet er dobbelt så stort som objektet, er det forstørret med en faktor på to. Men den presise definisjonen er:

HvorMer forstørrelsen,Jegrefererer til størrelsen på bildet ogorefererer til størrelsen på objektet. En negativ forstørrelse indikerer et omvendt bilde, med positiv forstørrelse som stående.

Det er likheter mellom konvekse og konkave linser i grunnleggende termer, men det er flere forskjeller enn likheter når du ser nærmere på dem.

Den største likheten er at de begge jobber på det samme grunnleggende prinsippet, der forskjellen i brytningsindeks mellom linsen og det omkringliggende mediet lar dem bøye lysstråler og skape en Brennpunkt. Imidlertid skaper divergerende linser alltid virtuelle bilder, mens konvergerende linser kan skape ekte eller virtuelle bilder.

Når linsens krumning avtar, blir konvergerende og divergerende linser stadig mer like hverandre, fordi overflatenes geometri også blir mer lik. Siden de begge arbeider basert på det samme prinsippet, når geometrien blir mer lik, blir effekten de har på en lysstråle også mer lik.

Konkave og konvekse linser har mange praktiske bruksområder, men det vanligste i det daglige livet er bruken avkorrigerende linser(briller) for nærsynthet eller nærsynthet, eller faktisk hyperopi eller langsynthet.

Under begge disse forholdene stemmer ikke fokuspunktet for linsen i øyet helt overens med posisjonen til den lysfølsomme netthinnen bak på øyet, med den foran myopi og bak hyperopia. Briller for nærsynthet er divergerende, så fokuspunktet flyttes bakover, mens det for hyperopi brukes konvergerende linser.

Forstørrelsesglass og mikroskop fungerer på samme grunnleggende måte ved å bruke bikonvekse linser (linser med to konvekse sider) for å produsere en forstørret versjon av bildene. Et forstørrelsesglass er den enklere optiske enheten, med en enkelt linse som tjener til å gi en større bildestørrelse enn du ellers kunne få. Mikroskoper er litt mer kompliserte (fordi de vanligvis har flere linser), men de gir forstørrede bilder i utgangspunktet på samme måte.

Refraktorteleskoper fungerer akkurat som mikroskoper og forstørrelsesglass, med en bikonveks linse produserer et fokuspunkt inne i teleskopets kropp, men lyset fortsetter å nå okular.

Som i mikroskop har disse en annen linse i okularet for å sikre at det fangede lyset er i fokus når det når øyet ditt. Den andre store typen teleskop er et reflektorteleskop, som bruker speil i stedet for linser for å samle lyset og sende det til øyet. Speilet er konkav, så det fokuserer lyset til et ekte bilde på samme side av speilet som objektet.