광학 실험대 · OpticsLab

빛의 반사 법칙

레이저를 각도판을 따라 평면거울의 중심 O에 비춥니다. 입사점을 지나 거울면에 수직인 법선(판 위의 세로 점선)을 긋습니다. 입사 광선과 법선이 이루는 각을 입사각 i, 반사 광선과 법선이 이루는 각을 반사각 r이라고 합니다.

r = i

반사 광선, 입사 광선, 법선은 같은 평면 위에 있으며, 반사 광선과 입사 광선은 법선을 사이에 두고 서로 반대쪽에 있습니다.

레이저 포인터를 끌어 판 둘레로 돌리거나 슬라이더로 입사각을 바꾸고, 데이터 기록을 눌러 i와 r을 저장하세요. 반사광을 거슬러 빛을 비추면 원래 입사광의 경로로 나갑니다 — 빛의 경로는 가역적입니다.

평면거울의 상

평면거울 대신 투명한 유리판을 사용합니다. 불을 켠 촛불 A가 유리 뒤에 만드는 상과 유리 뒤에 있는 촛불 B를 함께 볼 수 있습니다.

불을 켜지 않은 촛불 B를 끌어 어느 각도에서 보아도 A의 상과 완전히 겹치도록 하세요. 마치 B에도 불이 켜진 것처럼 보입니다. 이때 측정해 봅시다.

상 거리 = 물체 거리 상의 높이 = 물체의 높이

평면거울은 바로 선, 크기가 같은 허상을 만들며, 상과 물체는 거울면에 대해 대칭입니다. 광로를 켜 보면 반사 광선의 역방향 연장선이 상점에서 만납니다. 상점에는 실제 빛이 모이지 않으므로 허상입니다 — 그곳에 스크린을 두어도 아무것도 맺히지 않습니다.

빛의 굴절

레이저가 공기에서 반원형 유리 블록의 평평한 면 중심으로 비스듬히 들어갑니다. 유리에 들어간 빛은 법선 쪽으로 꺾여 굴절각 r이 입사각 i보다 작아집니다. 곡면으로 나올 때는 반지름 방향이므로 다시 꺾이지 않아 읽기 쉽습니다.

i와 r을 여러 번 측정하면 i와 r은 비례하지 않고 그 사인 값이 비례함을 알 수 있습니다 — 굴절 법칙입니다.

n = sin i / sin r

n을 그 매질의 굴절률이라고 합니다. 데이터 도크에서 sin i - sin r 그래프를 그리면 기울기가 n입니다. 물(1.33), 다이아몬드(2.42)로 바꾸어 비교해 보세요.

전반사와 광섬유

빛이 유리에서 공기로 나갈 때는 굴절각이 입사각보다 큽니다. 입사각을 키우면 굴절광은 점점 경계면에 가까워지며 어두워지고, 반사광은 밝아집니다.

입사각이 임계각 C에 이르면 굴절각이 90°가 되고, 입사각을 더 키우면 굴절광이 완전히 사라지고 반사광만 남습니다 — 이것이 전반사입니다.

sin C = 1 / n

유리의 임계각은 약 41°이고 다이아몬드는 24°밖에 되지 않아 다이아몬드가 유난히 반짝입니다. 광섬유로 바꾸면 빛이 코어와 클래딩의 경계에서 전반사를 거듭하여, 광섬유가 휘어져 있어도 반대쪽 끝으로 나옵니다.

프리즘 분산

백색광 한 줄기가 삼각 프리즘을 지나면 스크린에 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라의 색 띠가 펼쳐집니다 — 빛의 분산입니다. 뉴턴은 이 실험으로 백색광이 여러 색의 빛이 섞인 것임을 보였습니다.

같은 유리라도 색마다 굴절률이 다릅니다. 보라색 빛은 굴절률이 가장 커서 가장 많이 꺾이고, 빨간색 빛은 가장 작아서 가장 적게 꺾입니다.

단색의 빨간색 레이저로 바꾸면 프리즘을 지나도 꺾이기만 하고 나뉘지 않습니다. 뒤에 거꾸로 놓은 프리즘을 더하면 여러 색의 빛이 다시 모여 백색광이 됩니다.

볼록 렌즈의 상 맺힘 규칙

촛불, 볼록 렌즈, 스크린을 차례로 광학대 위에 놓고 불꽃, 렌즈, 스크린의 중심을 거의 같은 높이로 맞춥니다. 스크린을 움직여 상이 가장 선명한 위치를 찾고 물체 거리 u와 상 거리 v를 읽습니다.

· u > 2f: 거꾸로 선, 축소된 실상 (카메라)· u = 2f: 거꾸로 선, 크기가 같은 실상· f < u < 2f: 거꾸로 선, 확대된 실상 (프로젝터)· u = f: 상이 생기지 않음· u < f: 바로 선, 확대된 허상 (돋보기), 스크린에 맺히지 않음

1/u + 1/v = 1/f

u, v를 여러 쌍 기록하고 데이터 도크에서 1/u - 1/v 그래프를 그리면 절편이 1/f입니다.

눈과 시력 교정

눈은 카메라와 비슷합니다. 수정체는 볼록 렌즈, 망막은 스크린에 해당합니다. 모양체가 수정체의 두께(초점 거리)를 바꾸어 멀고 가까운 물체 모두 망막에 선명한 상을 맺게 합니다.

근시안: 안구의 앞뒤 길이가 너무 길어(또는 수정체가 너무 두꺼워) 먼 물체의 상이 망막 앞쪽에 맺혀 먼 곳이 잘 보이지 않습니다. 오목 렌즈로 빛을 조금 퍼지게 하여 교정합니다.

원시안: 상이 망막 뒤쪽에 맺혀 가까운 곳이 잘 보이지 않습니다. 볼록 렌즈로 교정합니다.

안경 도수 = 굴절력 × 100 = 100 / f (f는 m 단위)

이중 슬릿 간섭

레이저를 간격이 매우 좁은 두 슬릿에 비춥니다. 두 슬릿은 두 개의 결맞는 광원 역할을 합니다. 두 광파가 스크린에서 중첩되어, 경로차가 파장의 정수배인 곳에서는 보강되어 밝은 무늬가, 반파장의 홀수배인 곳에서는 상쇄되어 어두운 무늬가 생깁니다.

Δx = L λ / d

이웃한 밝은 무늬 사이의 간격 Δx는 스크린 거리 L과 파장 λ에 비례하고 슬릿 간격 d에 반비례합니다. 실험대 위의 색 물결은 두 파동의 중첩을 나타낸 것입니다(파장은 확대함).

측정 접안부로 n개의 밝은 무늬 전체 폭을 재면 빛의 파장을 계산할 수 있습니다. 백색광으로 바꾸면 가운데는 흰 밝은 무늬, 양옆은 색깔 무늬가 됩니다.

단일 슬릿 회절과 회절격자

빛이 매우 좁은 단일 슬릿을 지나면 스크린에 가운데는 넓고 밝으며 양옆은 좁고 어두운 무늬가 나타납니다 — 빛의 회절입니다. 슬릿이 좁을수록 가운데 밝은 무늬가 넓어지고 회절이 뚜렷해집니다.

중앙 밝은 무늬 반폭 x₁ = L λ / a

이중 슬릿 간섭무늬(등간격)와 달리, 단일 슬릿 회절에서는 중앙 밝은 무늬의 폭이 다른 밝은 무늬의 두 배입니다.

회절격자에는 등간격의 슬릿이 매우 많아 주극대가 아주 가늘고 날카롭고 밝습니다: d sinθ = kλ. 백색광을 비추면 각 차수에 색 스펙트럼이 나타나며, 보라색 빛이 가장 적게, 빨간색 빛이 가장 많이 꺾입니다 — 프리즘과 정반대입니다.

박막 간섭

철사 고리를 비눗물에서 들어 올려 세워 둡니다. 막은 중력 때문에 위는 얇고 아래는 두꺼워집니다. 빛은 막의 앞뒤 두 면에서 반사되고 두 반사광이 중첩됩니다. 두께 t가 2nt = kλ 근처이면 서로 상쇄되고, (k + ½)λ 근처이면 서로 보강됩니다.

같은 두께에는 같은 색이 대응하므로 수평한 색깔 무늬가 나타납니다. 막이 계속 얇아지면 무늬가 아래로 이동하고 맨 위는 검게 변한 뒤 막이 터집니다. 노란 나트륨 빛을 비추면 노랑과 검정이 번갈아 나타나는 무늬만 보입니다.

뉴턴 링: 평볼록 렌즈를 평평한 유리판 위에 올려 두면 공기막의 두께는 t = r²/2R이 되어, 안쪽은 성기고 바깥쪽은 촘촘한 동심원 고리가 생깁니다.

rk = √(kλR)

빛의 편광

빛은 횡파입니다. 자연광은 진행 방향에 수직인 평면에서 모든 방향으로 진동합니다. 편광판을 지나면 투과축 방향으로 진동하는 빛만 남아 선편광이 되고, 세기는 절반이 됩니다.

두 번째 편광판(검광자)으로 관찰합니다. 검광자를 돌리면 투과광의 세기가 주기적으로 변하고, 두 투과축이 수직일 때 빛이 완전히 차단됩니다. 말뤼스 법칙:

I = I₀ cos²θ

액정 디스플레이: 서로 직교하는 두 편광판 사이에 비틀린 액정이 끼워져 있습니다. 액정이 편광 방향을 90° 돌려 빛이 통과합니다(밝음). 전압을 걸면 액정 분자가 세로로 정렬되어 더 이상 회전시키지 않으므로 빛이 막힙니다(어두움).

자유 광학대

모든 기하광학 부품을 사용할 수 있습니다: 레이저, 백색 광원, 평면거울, 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 반원형 유리 블록, 직육면체 유리 블록, 삼각 프리즘, 스크린.

· 패널의 버튼을 클릭해 부품 추가· 부품을 끌어 이동, 부품 위의 금색 고리를 끌어 회전· 선택한 뒤 Delete를 눌러 삭제

잠망경이나 망원경을 만들어 보거나, 빛줄기가 여러 거울 사이에서 이리저리 반사되게 해 보세요.