Konkava och konvexa linser: likheter och skillnader

Ditt liv skulle inte vara detsamma utan linser. Oavsett om du behöver använda korrigerande glasögon eller inte kan du inte se en tydlig bild av någonting utan någon form av linser för att böja ljusstrålarna som passerar genom dem till en enda fokuspunkt.

Forskare är beroende av mikroskop och teleskop så att de kan se mycket små eller avlägsna föremål, förutom förstorade till den punkt där de kan extrahera användbara data eller observationer från bilderna. Och exakt samma principer används för att se till att du har en kamera som kan hjälpa dig att ta den perfekta selfien.

Från förstoringsglaset till det mänskliga ögat fungerar alla linser på samma grundläggande principer. Även om det finns viktiga skillnader mellan konvergerande linser (konvexa linser) och divergerande linser (konkava linser), så snart du lär dig några av de grundläggande detaljerna kommer du att märka många likheter för.

Innan du börjar på denna resa för att förstå konvexa och konkava linser är det viktigt att ha en grundfärg på några av de viktigaste begreppen inom optik. De

Debrännviddav linsen är avståndet från linsens centrum till brännpunkten, med en mindre brännvidd som indikerar en lins som böjer ljusstrålar starkare.

Deoptisk axelav en lins är linjen för symmetri som går genom linsens mitt, som går horisontellt om du föreställer dig att en lins stod vertikalt upprätt.

Aljusstråleär ett användbart sätt att representera ljusstrålens väg, som används i stråldiagram för att ge en visuell tolkning av hur närvaron av en lins påverkar ljusstrålens väg.

I praktiken kommer alla objekt att ha ljusstrålar som lämnar det i alla riktningar, men inte alla dessa erbjuder användbar information när det gäller att analysera vad linsen faktiskt gör. När du ritar stråldiagram är det vanligtvis tillräckligt att välja några viktiga ljusstrålar för att förklara förökningen av ljusvågor och processen för bildbildning.

Med stråldiagram och strålspårning kan du bestämma platsen för bildbildning baserat på objektets läge och linsens läge.

Processen med att dra ljusstrålarna och deras avböjning när de passerar genom linsen kan slutföras med Snells brytningslag, som relaterar strålens vinkel innan den når lins mot vinkeln på den andra sidan av linsen, baserat på brytningsindex för luft (eller ett annat medium genom vilket strålen färdas) och den bit glas eller annat material som används för lins.

Detta kan dock vara tidskrävande, och det finns några knep som kan hjälpa dig att producerastråldiagramenklare. Kom särskilt ihåg att ljusstrålar som passerar genom linsens centrum inte bryts i någon märkbar grad och att parallella strålar avböjs mot fokuspunkten.

Det finns två huvudtyper av bildbildning som kan förekomma med linser och som du kan använda stråldiagram för att skapa. Den första av dessa är en "verklig bild", som hänvisar till en punkt där ljusstrålar konvergerar för att producera en bild. Om du placerade en skärm på den här platsen skulle ljusstrålarna skapa en bild i fokus på skärmen. En verklig bild produceras av en konvergerande lins, som annars kallas en konvex lins.

En virtuell bild är helt annorlunda och skapas av en divergerande lins. Eftersom dessa linser böjer ljusstrålarbortfrån varandra (dvs få dem att avvika) bildas "bilden" faktiskt på den sida av linsen där de infallande ljusstrålarna kom ifrån.

Tratten från strålarna på motsatt sida gör att det ser ut som om strålarna producerades av ett föremål på samma sida av linsen som händelsestrålarna, som om du spårade strålarna tillbaka på en rak linje till den punkt där de skulle konvergera. Detta är dock inte bokstavligen sant, och om du placerar en skärm på den här platsen skulle det inte finnas någon bild.

Den tunna linsekvationen är en av de viktigaste ekvationerna inom optik, och den relaterar avståndet till objektetd​_o, avståndet till bildend​_i och linsens brännviddf. Ekvationen är ganska enkel, men den är lite svårare att använda än vissa andra ekvationer i fysik eftersom nyckeluttrycken finns i nämnarna för bråk, enligt följande:

Konventionen är att en virtuell bild har ett negativt avstånd och att verkliga bilder har ett positivt bildavstånd. Linsens brännvidd följer också samma konvention, så positiva brännvågor representerar konvergerande linser och negativa brännvidd representerar divergerande linser.

​Konvexa och konkava linserär de två huvudtyperna av linser som diskuteras i inledande fysikklasser, så länge du förstår hur dessa beter sig, kommer du att kunna svara på alla frågor.

Det är viktigt att notera att denna ekvation är för en "tunn" lins. Detta betyder att linsen kan behandlas som att avböja ljusstrålens väg frånettendast plats, mitt på linsen.

I praktiken finns det en avböjning på båda sidor av linsen - en vid gränsytan mellan luften och linsmaterialet och annat vid gränssnittet mellan linsmaterialet och luften på andra sidan - men detta antagande gör beräkningen mycket enklare.

En konkav lins kallas också en divergerande lins, och dessa är böjda så att ”skålen” på linsen är vänd mot objektet i fråga. Som nämnts ovan är konventionen att linser som detta tilldelas en negativ brännvidd, och den virtuella bilden de producerar är på samma sida som det ursprungliga objektet.

För att slutförastrålspårningsprocessför en konkav lins, notera att alla ljusstrålar från objektet som färdas parallellt med linsens optiska axel kommer att vara avböjd, så det verkar ha kommit från nära objektivets fokuspunkt, på samma sida av linsen som objektet sig.

Som nämnts ovan kommer alla strålar som passerar genom linsens centrum att fortsätta utan att avböjas. Slutligen kommer varje stråle som rör sig mot brännpunkten på motsatt sida av linsen att avböjas så att den dyker upp parallellt med den optiska axeln.

Att rita några sådana strålar baserat på en enda punkt på objektet räcker vanligtvis för att hitta platsen för bilden som produceras.

En konvex lins är också känd som en konvergerande lins och fungerar i huvudsak på motsatt sätt till en konkav lins. Den är krökt så att den yttre böjningen av "skål" -formen ligger närmast föremålet och brännvidden tilldelas ett positivt värde.

Processen med strålspårning för en konvergerande lins är mycket lika som för en divergerande lins, med ett par viktiga skillnader. Som alltid avböjs inte ljusstrålar som passerar genom linsens centrum.

Om en infallstråle färdas parallellt med den optiska axeln kommer den att avböjas genom fokuspunkten på motsatt sida av linsen. Omvänt kommer varje ljusstråle som kommer från objektet och passerar genom den närmaste kontaktpunkten på sin resa mot linsen att avböjas så att den dyker upp parallellt med den optiska axeln.

Återigen, genom att rita två eller tre strålar för en punkt på objektet baserat på dessa enkla principer, kommer du att kunna hitta platsen för bilden. Detta är den punkt där alla ljusstrålar konvergerar på motsatt sida av linsen till själva objektet.

Förstoring är ett viktigt begrepp inom optik, och det hänvisar till förhållandet mellan storleken på bilden som produceras av en lins och storleken på originalobjektet. Så här skulle du förstå förstoring som ett begrepp från vardagen - om bilden är dubbelt så stor som objektet har den förstorats med en faktor på två. Men den exakta definitionen är:

VarMär förstoringen,iavser storleken på bilden ochoavser storleken på objektet. En negativ förstoring indikerar en inverterad bild, med positiv förstoring upprätt.

Det finns likheter mellan konvexa och konkava linser i grundläggande termer, men det finns fler skillnader än likheter när man tittar mer detaljerat på dem.

Den stora likheten är att de båda arbetar på samma grundprincip, där skillnaden i brytningsindex mellan linsen och det omgivande mediet gör att de kan böja ljusstrålar och skapa en brännpunkt. Divergerande linser skapar dock alltid virtuella bilder, medan konvergerande linser kan skapa riktiga eller virtuella bilder.

När linsens krökning minskar blir konvergerande och divergerande linser alltmer lika varandra, eftersom ytornas geometri också blir mer lika. Eftersom de båda arbetar utifrån samma princip, eftersom geometrin blir mer lika, blir effekten de också har på en ljusstråle mer lika.

Konkava och konvexa linser har många praktiska tillämpningar, men det vanligaste i det dagliga livet är användningen avkorrigerande linser(glasögon) för närsynthet eller närsynthet, eller ja, hyperopi eller långsynthet.

Under båda dessa förhållanden överensstämmer inte kontaktpunkten för ögonlinsen helt med positionen för den ljuskänsliga näthinnan på ögats baksida, med den framför myopi och bakom den för hyperopi. Glasögon för närsynthet är divergerande, så fokuspunkten flyttas bakåt, medan för hyperopi används konvergerande linser.

Förstoringsglas och mikroskop fungerar på samma grundläggande sätt genom att använda bikonvexa linser (linser med två konvexa sidor) för att producera en förstorad version av bilderna. Ett förstoringsglas är den enklare optiska enheten, med en enda lins som ger en större bildstorlek än vad du annars skulle få. Mikroskop är lite mer komplicerade (eftersom de vanligtvis har flera linser), men de ger förstorade bilder på i princip samma sätt.

Refraktorteleskop fungerar precis som mikroskop och förstoringsglas, med en bikonvex lins producerar en kontaktpunkt i teleskopets kropp, men ljuset fortsätter att nå okular.

Som i mikroskop har dessa en annan lins i okularet för att se till att det fångade ljuset är i fokus när det når ditt öga. Den andra stora typen av teleskop är ett reflektorteleskop, som använder speglar istället för linser för att samla ljuset och skicka det till ditt öga. Spegeln är konkav, så den fokuserar ljuset till en riktig bild på samma sida av spegeln som objektet.