Konkave og konvekse linser: ligheder og forskelle

Dit liv ville ikke være det samme uden linser. Uanset om du har brug for korrigerende briller eller ej, kan du ikke se et klart billede af noget uden nogen form for linser til at bøje lysstrålene, der passerer gennem dem til et enkelt fokuspunkt.

Forskere er afhængige af mikroskoper og teleskoper for at give dem mulighed for at se meget små eller fjerne objekter, undtagen forstørret til det punkt, hvor de kan udtrække nyttige data eller observationer fra billederne. Og nøjagtigt de samme principper bruges for at sikre dig, at du har et kamera, der kan hjælpe dig med at tage den perfekte selfie.

Fra lupen til det menneskelige øje fungerer alle linser på de samme grundlæggende principper. Mens der er vigtige forskelle mellem konvergerende linser (konvekse linser) og divergerende linser (konkave linser), så snart du lærer nogle af de grundlæggende detaljer, vil du også bemærke mange ligheder.
Definitioner at vide

Før du går på denne rejse for at forstå konvekse og konkave linser, er det vigtigt at have en grundlæggende på nogle af de vigtigste begreber inden for optik. Brændpunktet er det punkt, hvor parallelle stråler konvergerer (dvs. mødes) efter at have passeret gennem en linse, og hvor der dannes et klart billede.

Brændvidden for objektivet er afstanden fra linsens centrum til fokuspunktet, med en mindre brændvidde, der indikerer en linse, der bøjer lysstråler stærkere.

Den optiske akse for en linse er symmetrilinjen, der løber gennem linsens centrum, der løber vandret, hvis du kan forestille dig, at en linse stod lodret lodret.

En lysstråle er en nyttig måde at repræsentere banen for en lysstråle, der bruges i strålediagrammer for at give en visuel fortolkning af, hvordan tilstedeværelsen af en linse påvirker stien af lysstrålen.

I praksis vil ethvert objekt have lysstråler, der forlader det i alle retninger, men ikke alle disse tilbyder nyttige oplysninger, når det kommer til at analysere, hvad linsen faktisk gør. Når du tegner strålediagrammer, er det normalt nok at vælge et par nøgle lysstråler til at forklare forplantningen af lysbølger og processen med billeddannelse.
Strålediagrammer

Strålediagrammer og strålesporing giver dig mulighed for at bestemme placering af billeddannelse baseret på objektets placering og objektivets placering.

Processen med at tegne lysstråler og deres afbøjning, når de passerer gennem linsen, kan afsluttes ved hjælp af Snells refraktionslov, der relaterer vinklen af strålen, før den når objektivet til vinklen på den anden side af linsen, baseret på brydningsindekserne for luft (eller et andet medium, gennem hvilket strålen bevæger sig) og det glasstykke eller andet materiale, der bruges til linsen.

Dette kan dog være tidskrævende, og der er et par tricks, der kan hjælpe dig med at fremstille strålediagrammer lettere. Husk især, at lysstråler, der passerer gennem linsens centrum, ikke brydes i en mærkbar grad, og at parallelle stråler afbøjes mod fokuspunktet.

Der er to hovedtyper af billeddannelse, der kan forekommer med linser, og at du kan bruge strålediagrammer til at etablere. Den første af disse er et "rigtigt billede", der henviser til et punkt, hvor lysstråler konvergerer for at producere et billede. Hvis du placerede en skærm på dette sted, ville lysstrålene skabe et fokus i fokus på skærmen. Et ægte billede produceres af en konvergerende linse, der ellers er kendt som en konveks linse.

Et virtuelt billede er helt anderledes og oprettes af en divergerende linse. Fordi disse linser bøjer lysstråler væk
fra hinanden (dvs. får dem til at afvige), dannes "billedet" faktisk på den side af linsen, hvor de indfaldende lysstråler kom fra.

Traktningen ud af strålene på den modsatte side får det til at se ud som om strålene blev produceret af en genstand på samme side af linsen som de indfaldende stråler, som om du spore strålene tilbage på en lige linje til punktet hvor de ville konvergere. Dette er dog ikke bogstaveligt talt sandt, og hvis du placerede en skærm på dette sted, ville der ikke være noget billede.
The Thin Lens Equation -

Den tynde linse ligning er en af de vigtigste ligninger i optik , og det relaterer afstanden til objektet d
_{o, afstanden til billedet d
i og brændvidden på objektivet f
. Ligningen er temmelig enkel, men det er lidt sværere at bruge end nogle andre ligninger i fysik, fordi nøglebegreberne er i nævnerne af fraktioner, som følger:
\\ frac {1} {d_o} + \\ frac {1 } {d_i} \u003d \\ frac {1} {f}}

Konventionen er, at et virtuelt billede har en negativ afstand, og at reelle billeder har en positiv billedafstand. Linsens brændvidde følger også den samme konvention, så positive brændvidder repræsenterer konvergerende linser, og negative brændvidde repræsenterer divergerende linser. , så længe du forstår, hvordan disse opfører sig, vil du være i stand til at besvare ethvert spørgsmål.

Det er vigtigt at bemærke, at denne ligning er til en "tynd" linse. Dette betyder, at linsen kan behandles som afbøjning af en lysstråles bane fra en enkelt placering, midten af linsen.

I praksis er der en afbøjning på begge sider af linsen - den ene i grænsefladen mellem luften og linsematerialet og den anden ved grænsefladen mellem linsematerialet og luften på den anden side - men denne antagelse gør beregningen meget enklere.
Konkave linser

En konkav linse omtales også som en divergerende linse, og disse er buede, så objektivets "skål" vender mod det aktuelle objekt. Som nævnt ovenfor er konventionen, at linser som denne tildeles en negativ brændvidde, og det virtuelle billede, de producerer, er på samme side som det originale objekt.

For at afslutte strålesporingsprocessen for en konkav linse , bemærk, at enhver lysstråle fra objektet, der bevæger sig parallelt med den optiske akse af linsen, vil blive afbøjet, så det ser ud til at have sin oprindelse i nærheden af objektivets fokuspunkt på samme side af linsen som selve objektet.

Som nævnt ovenfor vil enhver stråle, der passerer gennem linsens centrum, fortsætte uden at blive afbøjet. Endelig vil enhver stråle, der bevæger sig mod brændpunktet på den modsatte side af linsen, blive afbøjet, så den kommer parallelt med den optiske akse.

Tegning af et par sådanne stråler baseret på et enkelt punkt på objektet vil normalt være nok til at finde placeringen af det producerede billede.
Konvekse linser

En konveks linse er også kendt som en konvergerende linse og fungerer i det væsentlige på den modsatte måde som en konkav linse. Den er buet, så den ydre bøjning af "skålen" -formen er tættest på objektet, og brændvidden tildeles en positiv værdi.

Processen med stråling til en konvergerende linse er meget ens som for en divergerende linse med et par vigtige forskelle. Som altid bliver lysstråler, der passerer gennem linsens centrum, ikke afbøjet.

Hvis en indfaldende stråle bevæger sig parallelt med den optiske akse, vil den afbøje sig gennem fokuspunktet på den modsatte side af linsen. Omvendt vil enhver lysstråle, der kommer fra objektet og passerer gennem det tætte fokuspunkt på sin rejse mod linsen, blive afbøjet, så den kommer parallelt med den optiske akse.

Igen ved at tegne to eller tre stråler for et punkt på objektet baseret på disse enkle principper, vil du være i stand til at finde placeringen af billedet. Dette er det punkt, hvor alle lysstråler konvergerer på den modsatte side af linsen til selve objektet.
Forstørrelseskoncept

Forstørrelse er et vigtigt begreb inden for optik, og det henviser til forholdet mellem størrelse på billedet produceret af en linse og størrelsen på det originale objekt. Dette er stort set, hvordan du forstod forstørrelse som et koncept fra hverdagen - hvis billedet er dobbelt så stort som objektet, er det forstørret med en faktor på to. Men den nøjagtige definition er:
M \u003d - \\ frac {i} {o}

Hvor M
er forstørrelsen, i
henviser til størrelsen på billedet og o
henviser til størrelsen på objektet. En negativ forstørrelse indikerer et inverteret billede, hvor positiv forstørrelse er lodret.
Ligheder og forskelle

Der er ligheder mellem konvekse og konkave linser i grundlæggende termer, men der er flere forskelle end ligheder, når man ser på dem. mere detaljeret.

Den største lighed er, at de begge arbejder efter det samme grundlæggende princip, hvor forskellen i brydningsindeks mellem linsen og det omgivende medium gør det muligt for dem at bøje lysstråler og skabe et fokuspunkt. Dog skaber divergerende linser altid virtuelle billeder, mens konvergerende linser kan skabe reelle eller virtuelle billeder.

Når linsens krumning falder, bliver konvergerende og divergerende linser i stigende grad ligner hinanden, fordi overfladernes geometri bliver også mere ens. Da de begge arbejder ud fra det samme princip, idet geometrien bliver mere ens, bliver den effekt, de har på en lysstråle, også mere lignende.
Ansøgninger og eksempler

Konkave og konvekse linser har mange praktiske anvendelser , men det mest almindelige i det daglige liv er brugen af korrigerende linser (briller) til nærsynethed eller nærsynethed, eller faktisk hyperopi eller langsynethed.

Under begge disse forhold er fokuspunktet for linsen på linsen øjet stemmer ikke helt overens med placeringen af den lysfølsomme nethinden bagpå øjet, med det at være foran myopi og bag det for hyperopi. Briller til nærsynethed divergerer, så omdrejningspunktet flyttes baglæns, mens der til hyperopi bruges konvergerende linser.

Forstørrelsesbriller og mikroskoper fungerer på samme grundlæggende måde ved hjælp af bikonvekse linser (linser med to konvekse sider) til fremstil en forstørret version af billederne. Et forstørrelsesglas er den enklere optiske enhed med en enkelt linse, der tjener til at producere en større billedstørrelse, end du ellers kunne få. Mikroskoper er lidt mere komplicerede (fordi de normalt har flere linser), men de producerer forstørrede billeder på stort set den samme måde.

Refraktorteleskoper fungerer ligesom mikroskoper og forstørrelsesglas, med en biconvex linse der producerer et fokuspunkt inde i teleskopets krop, men lyset fortsætter med at nå okularet.

Som på mikroskoper har disse en anden linse i okularet for at sikre, at det optagne lys er i fokus, når det når dit øje. Den anden vigtigste type teleskop er et reflektorteleskop, der bruger spejle i stedet for linser til at samle lyset og sende det til dit øje. Spejlet er konkave, så det fokuserer lyset til et rigtigt billede på samme side af spejlet som objektet.