Definitie van een concave spiegel
Een type spiegel dat in het dagelijks leven wordt gebruikt, is de concave spiegel. Een concave spiegel is een spiegel met een gebogen vorm, waarbij het spiegeloppervlak het licht naar achteren weerkaatst.
Toepassingen van de concave spiegel
Als je je gezichtshuid duidelijker en gedetailleerder wilt bekijken, houd dan je gezicht dicht bij het oppervlak van een concave spiegel.
Een concave spiegel reflecteert licht waardoor je gezicht groter lijkt en je de poriën duidelijk kunt zien. Je gezicht lijkt groter dan het in werkelijkheid is, omdat de spiegel het beeld vergroot. Dit gebeurt wanneer de afstand tussen je gezicht en de concave spiegel kleiner is dan de brandpuntsafstand van de spiegel. Omdat concave spiegels beelden vergroten, worden ze vaak door vrouwen gebruikt om zich op te maken en door mannen om zich te scheren.
Spiegels worden ook gebruikt in zaklampen en autokoplampen. Het doel van een spiegel in een zaklamp, autokoplamp of andere schijnwerper is om het licht te bundelen, zodat alle lichtbundels recht vooruit schijnen. Als je de glazen voorkant van de zaklamp opent en de concave spiegel losmaakt, zal de lichtbundel breed in alle richtingen zijn en objecten of wegdekken op afstand niet meer kunnen verlichten.
Naast het gebruik in zaklampen en andere schijnwerpers, worden spiegels ook gebruikt in zonne-energiecentrales. In een zonne-energiecentrale vangt een concave spiegel zonlicht op, en al het licht wordt naar het brandpunt van de spiegel geleid. Op dit brandpunt bevindt de concave spiegel zich in een reservoir. Het zonlicht wordt gebruikt om water in het reservoir te verdampen, waarna de stoom turbines aandrijft die elektriciteit opwekken.
Het brandpunt van de concave spiegel
Als het oppervlak van een concave spiegel die licht reflecteert, wordt blootgesteld aan een zeer ver object zoals de zon, dan zal de lichtstraal van de zon evenwijdig lopen aan de hoofdas van de concave spiegel, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. De hoofdas is een denkbeeldige rechte lijn loodrecht op het middelpunt van het oppervlak van de concave spiegel. In de onderstaande afbeelding vallen de hoofdaslijnen samen met het snijpunt van alle gereflecteerde lichtstralen.
Wanneer een lichtstraal het oppervlak van een concave spiegel raakt, volgt elke lichtstraal de wet van lichtreflectie. Tussen de invallende en de gereflecteerde lichtstralen bevindt zich een normaal loodrecht op het spiegeloppervlak, waar de lichtstraal doorheen gaat, maar deze normaal is niet weergegeven.
De hoek tussen de invallende lichtstralen en de normaal is gelijk aan de hoek tussen de gereflecteerde lichtstralen en de normaal. In tegenstelling tot een vlakke spiegel, die een plat oppervlak heeft waardoor alle normaallijnen in dezelfde richting wijzen, is de normaal op een concave spiegel niet unidirectioneel omdat het oppervlak van een concave spiegel gebogen is en niet vlak. Alle gereflecteerde stralen snijden elkaar in één punt dat samenvalt met de hoofdas, het brandpunt (F). Met andere woorden, het brandpunt is het beeldpunt van een object dat zich zeer ver van het oppervlak van een concave spiegel bevindt, zoals de zon en sterren.
Op basis van de wet van lichtreflectie kan de richting van de lichtbundel of lichtstraal worden omgekeerd, in tegenstelling tot de vorige afbeelding. Stel dat een lichtbron zich in het brandpunt van de concave spiegel bevindt, dan wordt de door het object uitgezonden lichtbundel door het oppervlak van de concave spiegel gereflecteerd. De richting van de gereflecteerde lichtbundel is parallel aan de hoofdas van de concave spiegel. Dit is het fundamentele principe achter het gebruik van concave spiegels in zaklampen, autokoplampen en andere schijnwerpers, en in zonne-energiecentrales.
Op basis van bovenstaande uitleg kan worden geconcludeerd dat als er een lichtbron in het brandpunt van de concave spiegel aanwezig is,
De lichtbundel die door het object wordt uitgezonden, wordt weerkaatst door het oppervlak van de concave spiegel, waarbij de weerkaatste lichtbundel evenwijdig is aan de hoofdas van de concave spiegel. Omgekeerd geldt dat als het object zich op grote afstand bevindt, het beeld van het object zich in het brandpunt van de concave spiegel bevindt. Als een zeer ver object een beeld in het brandpunt heeft, waar bevindt zich dan het beeld van het object als de afstand van het object tot het spiegeloppervlak eindig of klein is? Om dit te begrijpen, bestudeer het onderwerp beeldvorming door de concave spiegel.
De brandpuntsafstand van de concave spiegel
De brandpuntsafstand (f) is de afstand tussen het brandpunt (F) en het concave spiegeloppervlak. Hieronder wordt uitgelegd hoe de brandpuntsafstand van een concave spiegel kan worden bepaald aan de hand van de invallende en gereflecteerde lichtstralen.
Punt C is het middelpunt van de kromming van de concave spiegel. De brandpuntsafstand van de concave spiegel is f (brandpuntsafstand = f = FQ), en de kromtestraal van de concave spiegel is r (krommingsstraal = r = CQ = CP).
De invallende lichtstralen raken de concave spiegel op punt P en worden vervolgens gereflecteerd naar het brandpunt F. De stippellijn CP is de normaal. De invallende en gereflecteerde lichtstralen voldoen aan de wet van reflectie, waarbij de invalshoek (θ) gelijk is aan de reflectiehoek (θ) en deze hoek gelijk is aan de hoek van de driehoek PCQ (θ). De hoek van de driehoek PCQ is gelijk aan de hoek van de driehoek CPF. Daarom is de driehoek PFC een gelijkzijdige driehoek. Omdat de driehoek PFC een gelijkzijdige driehoek is, is de lengte van PF gelijk aan de lengte van CF. Ervan uitgaande dat de breedte van de spiegel kleiner is dan de kromtestraal van de spiegel, wordt de lengte van PF gelijkgesteld aan de lengte van FQ. Omdat CF = PF en PF = FQ, geldt CQ = 2CF = 2FQ. CQ = r = de kromtestraal van de concave spiegel en FQ = f = de brandpuntsafstand van de concave spiegel. Hieruit kan worden geconcludeerd dat de kromtestraal van de concave spiegel (r) = 2 maal de brandpuntsafstand (f) van de concave spiegel. Mathematisch:
r = 2f of f = r / 2
Beeldvorming door de concave spiegel
Vlakke spiegels kunnen alleen een virtueel beeld vormen, terwijl concave spiegels zowel een reëel als een virtueel beeld kunnen vormen. Het beeld van een object is reëel of virtueel, afhankelijk van de afstand van het object tot het oppervlak van de concave spiegel.
Dit is uitvoerig uitgelegd in het hoofdstuk over beeldvorming door de concave spiegel.
Echt beeld
Een beeld is reëel als de gereflecteerde lichtstraal het punt kruist waar het beeld zich bevindt. Als een scherm zo geplaatst wordt dat er een reëel beeld ontstaat, verschijnt er een lichtstraal op het scherm, en deze lichtstraal heeft de vorm van een object. Het bestaan van reële beelden die gevormd worden door concave spiegels is de reden waarom concave spiegels in astronomische telescopen worden gebruikt. Wat betreft de lens, zoals u wellicht weet, is het vermogen van een lens om een reëel beeld te creëren de reden waarom lenzen in een optische telescoop worden gebruikt.
Virtueel beeld
Een beeld is virtueel als de gereflecteerde lichtstraal niet door het punt gaat waar het beeld zich bevindt. Als een scherm zo geplaatst is dat er een virtueel beeld is, is er geen zichtbare lichtstraal op het scherm. Het virtuele beeld bestaat niet, maar het menselijk oog ziet een lichtstraal die zich in een rechte lijn beweegt, waardoor het lijkt alsof het licht rechtstreeks van het punt komt waar het beeld zich bevindt.
