광학실험

 

 

개요

이번 실험에서는 빛의 기본성질 중 반사와 굴절에 관한 성질을 알아보도록 하자. 또한 반사에 의한 편광 실험도 알아보도록 한다.

 

실험부품

레일, 램프(광원), 회전각도판, 각도판고정대, 빛 가리게, 슬릿고정대*4, 스크린, 반사경, 반원크리스탈, 편광랜즈*2, 단일슬릿*2

                                        단일슬릿은 다음과 같이

                                           고정해 줍니다.

                                      

 

                                                                                                       

 

 

  

 

 

 

 

 

 

실험 1 빛의 반사법칙

 

 

목적

공간을 나가던 빛의 방향이 거울에 의해 변화되는데 거울로 들어오는 빛의 방향과 반사되는 빛의 방향 사이에 존재하는 특별한 관계를 관찰하고 이해한다.

 

이론

거울면에 들어온 빛은 그 순서를 잃지 않고 방향만 바뀌어 나간다. 그림 1-1처럼 거울면에 수직인 선(법선)에서부터 들어오는 광선(입사광선)까지 잰 각을 입사각이라 하고 거울면에 수직인 선(법선)에서부터 나가는 광선(반사광선)까지 잰 각을 반사각이라고 부른다. 광선이 거울면에 들어와 반사하여 나갈 때 입사각, θ1과 반사각 θ2의 관계식은 다음과 같다.

 

 

이것을 빛의 반사법칙이라 한다.

 

실험방법

 

필요부품

광선판, 레이저 1개, 거울

 

그림 1-1. 빛의 반사법칙

 

실험순서

1) 그림 1-1과 같이 배열한다. 평면 거울면이 90-90을 나타내는 광선판 가운데 선과 일치하도록 정렬한다.

2) 레이저를 켜고, 광선이 광선판의 0-0 중심선을 따라 나가도록 정렬한다. 거울면에서 반사된 빛이 0-0선을 따라 되돌아가도록 거울면을 미세하게 조정한다.

3) 거울은 고정시키고 레이저를 20도씩 반시계방향으로 이동시키면서 입사각과 반사각을 관찰하고 기록한다. 이때, 광선이 각도선을 따라 거울에 들어가도록 조심한다.

 

표 1-1. 입사각에 따른 반사각의 실험값

횟수

입사각(θ1)

반사각(θ1)

1

0

 

2

20

 

3

40

 

4

60

 

5

80

 

 

 

질문

1) 입사각과 반사각의 크기를 비교하여 그들 사이의 관계식을 추론한다

 

2) 수직으로 입사한 빛은 반사한 후에 어떻게 나가는가?

 

 

 

 

 

 

실험 2 굴절실험

 

 

목적

빛의 굴절 현상을 관찰하고 이를 이해한다.

 

이론

투명한 물질 속에서 직진하던 빛이 성질이 다른 물질을 만나면 두 물질의 경계면에서 일부분은 반사하여 되돌아오고, 일부분은 다른 물질 속으로 들어간다. 한 물질에서 다른 물질로 빛이 들어갈 때, 두 물질의 경계면에서 빛의 나가던 방향이 꺾이는 현상이 나타나는데, 이를 빛의 굴절이라고 부른다. 이는 두 물질 속에서 빛이 달려가는 빠르기에 차이가 있기 때문이다. 가령 여러분이 옆으로 나란히 줄을 지어 달리고 있을 때, 한쪽의 달리는 빠르기와 다른 쪽의 달리는 빠르기가 다르다면 옆줄이 틀어지는 것을 경험했을 것이다. 물결이 옆줄을 지어 물위를 퍼져 나아가듯이 빛도 옆줄을 지어 공기 속이나 투명한 물질 속을 달려간다. 따라서 빠르기가 다른 두 물질의 경계면을 빛이 통과할 때 달려가는 옆줄의 모든 부분이 동시에 경계면에 닿으면 꺾이지 않고 빠르기만 변하여 나간다. 그러나 옆줄의 한쪽 끝이 다른 쪽보다 먼저 경계면에 도달하면 빛이 나가던 방향이 꺾이게 된다. 그림 2-1은 빛의 나감이 빠른 공기 중에서 나감이 느린 물속으로 빛이 들어갈 때 꺾이는 모양을 나타낸 것이다. 들어가는 빛을 입사광선이라 하고 나가는 빛을 굴절광선이라 한다.

 

그림 2-1. 공기와 물의 경계면에서 빛의 굴절

 

입사각은 경계면에 수직인 선(법선)에서부터 입사광선까지 잰 각이고 굴절각은 경계면에 수직인 선에서부터 굴절광선까지 잰 각으로 정한다. 또는 입사광선의 옆줄과 경계면이 이루는 각이 입사각이고, 꺾이는 빛의 옆줄과 경계면이 이루는 각이 굴절각이 된다.

입사하는 쪽에 있는 물질의 굴절율과 입사각이 n1, θ1이고, 빛이 꺾여 나가는 쪽에 있는 물질의 굴절율과 굴절각이 n2, θ2라 할 때, 다음   관계식이 성립한다.

 

 

이 식을 스넬의 굴절법칙이라고 한다.

 

 

실험방법

 

필요부품

광선판, 레이저 1개, 투명 플라스틱 반원통형 렌즈

 

그림 2-2. 빛의 굴절실험

 

실험순서

1) 그림 2-2와 같이 90-90선과 반원통형 렌즈 평면이 일치하도록 정렬한다.

2) 레이저를 켜고 조사된 광선이 광선판의 0-0 중심선을 따라 진행하도록 정렬한다. 경계면에서 꺾인 빛이 0-0선을 따라 진행되도록 레이저를 미세하게 조정한다.

3) 레이저를 반시계방향으로 20도 이동시키고 광선판의 각도선(20도)을 따라 광선이 진행하도록 정렬한 후 입사각과 굴절각을 측정하여 표 2에 기록한다.

4) 입사각을 증가시키면서 굴절(꺾임)각을 측정하여 기록한다.

 

표 2-1. 공기와 투명플라스틱 사이의 입사각과 굴절각

횟수

입사각

굴절각

굴절률(n2)

1

0

 

 

2

20

 

 

3

40

 

 

4

60

 

 

 

 

질문

1) 공기의 굴절율을 1로 보고, 스넬의 법칙을 이용하여 투명플라스틱의 굴절율을 계산하여 표10.1에 기록한다. 플라스틱의 평균 굴절율은 얼마인가?

 

2) 빛이 나갈 때 빠르기가 빠른 물질쪽으로 꺾이는가, 아니면 느린 물질쪽으로 꺾이는가?

 

3) 물의 깊이가 깊을수록 물결파의 속도는 빠르다. 바닷가에 도달하는 파도의 모양은 바닷가의 모양과 같게 밀려온다. 이유를 설명해 본다.

 

 

 

 

실험 3 내부전반사

 

 

목적

내부전반사 현상을 관찰 이해하고, 거울을 사용하지 않고 빛을 반사시키는 방법을 이해한다.

 

이론

그림 3-1처럼 성질이 다른 두 물질의 경계면에 빛이 도달하면 일부분은 꺾이고 일부분은 반사된다. 빛의 나감이 느린 물질(유리나 물)에서 빛의 나감이 빠른 물질(공기)로 빛이 나갈 때 빛이 들어간 입사각보다 빛이 꺾이는 굴절(꺾임)각이 크게 된다. 따라서 입사각을 서서히 증가시키면 굴절(꺾임)각이 90도가 되는 때가 존재한다. 이때의 입사각을 내부전반사의 임계각이라고 부른다. 만약 빛의 나감이 느린 물질(유리나 물)에서 빛의 나감이 빠른 물질(공기)로 빛이 나가고 있을 때 빛이 들어가는 입사각이 임계각보다 크면 꺾이는 빛은 없고 모두 반사하게 된다. 이와 같은 현상을 내부전반사라고 부른다.

들어가는 쪽의 굴절율이 n1이고, 나가는 쪽의 굴절율이 n2라하자. 스넬의 굴절법칙에 따르면 입사각과 굴절각의 관계는 다음과 같다.

 

그림 3-1. 물에서 공기로 빛이 나갈 때의 반사와 굴절

 

 

굴절각 θ2 가 90도가 될 때, 입사각 θ1은 전반사임계각 θc이 된다.따라서 전반사임계각 는 다음과 같다

 

 

삼각함수는 크기가 1보다 작으므로 n1이 n2보다 클 때에만 전반사 임계각이 존재한다.

 

그림 3-2. 내부 전반사 실험

 

실험방법

 

필요부품

광선판, 레이저 1개, 투명 플라스틱 반원통형 렌즈

 

실험순서

1) 광선판 위에 부품을 그림 3-2와 같이 배열한다.

2) 90-90을 나타내는 광선판 중심선과 반원통형 렌즈면이 일치하도록 정렬한다. 레이저를 렌즈 아래쪽에 두고 레이저를컨다. 광선이 광선판의 0-0 중심선을 따라 진행하도록 정렬한다. 경계면에서 꺾인 빛이 0-0선을 따라 진행하도록 레이저를 미세하게 조정한다.

3) 레이저를 시계방향으로 20도 이동시키고 광선판의 각도선을 따라 광선이 진행하도록 정렬한다. 투명플라스틱에서 공기로 빛이 꺾일 때 입사각과 굴절 (꺾임)각을 관찰하고 기록한다.

4) 입사각을 증가시키면서 굴절(꺾임)각을 기록하고 꺾인 빛이 사라지는 입사각을 관찰하여 기록한다.

5) 공기에서 원통형 렌즈의 곡면에 입사되는 빛은 꺾이지 않도록 조심한다.

 

표 3-1. 공기와 투명플라스틱 사이의 입사각과 굴절각

횟수

입사각

꺽임각

1

0

 

2

20

 

3

40

 

4

60

 

임계각

 

90

 

 

질문

1) 실험 2에서 측정한 플라스틱의 굴절율을 사용하여 이론적으로 전반사 임계각을 계산하여 기록하고, 실험값과 비교해 본다.

(임계각:         , 굴절율:          )

2) 빛이 나가는 방향을 거꾸로 하면 임계각이 존재하는지 존재하지 않는지 설명해 본다

 

3) 물의 굴절율은 대략 1.33이다. 물속에서 밖을 볼때, 전반사임계각은 얼마인가?

(임계각:          )

 

4) 사각형 어항 속을 들여다볼 때, 비스듬히 바라보면 어항 속의 일부분이 보이지 않게 된다. 이유를 설명해 본다. 물 속에있는 물고기에게도 같은 현상이 일어나겠는가?

 

5) 광통신에 사용되고 있는 광섬유는 안쪽에 굴절율이 큰 핵이 있고, 그 둘레를 굴절율이 작은 물질이 싸고 있다. 이 두 물질의 경계에서 전반사가 일어나 광신호는 안쪽 핵을 따라서 전송된다. 핵의 굴절율이 1.5이고 피복의 굴절율이 1.4인 광섬유가 있다. 광신호를 광섬유에 넣을 때, 입사각이 최대 얼마인가? (단, 표면의 굴절은 무시하고 광섬유의 중심선을 기준으로 각을 측정한다.)         (최대 입사각:            )

 

 

 

 

 

 

실험 4 반사에 의한 편광

 

목적

반사에 의한 편광을 이해하고 부르스터 각을 측정한다.

 

이론

자연광이 유리면이나 물표면 등에서 반사할 때 반사광과 굴절광선은 부분적인 편광이 된다. 파동을 해석 할 때, 입사광선과 반사광선, 굴절광선, 법선 등을 모두 포함하는 가상면을 그리게 되는데 이를 입사면이라고 부룬다. 입사면은 두 물질의 경계면에 수직이다. 경계면에서 반사와 굴절이 일어날 때, 반사광에는 입사면에 수직인 편광이 많이 포함되어 있고 굴절광에는 입사면에 평행한 편광이 많이 포함되어 있다. 반사광에 포함된 수직 편광의 정도는 입사각에 따라 다르다. 그림 4-1과 같이 반사광과 굴절광이 90도가 되도록 광선이 입사하면 수평 편광된 광이 모두 굴절되어 반사광은 완전히 수직 편광되게 된다. 이 때의 입사각을 편광각 또는 브루스터(D. Brewster) 각이라고 부른다. 굴절률이 n1 인 물질에서 굴절률 n2 인 물질로 입사할 때 편광각 θB는 다음과 같다.    

 

그림 4-1. 반사에 의한 편광

 

 

이것을 반사에 의한 편광 법칙 또는 브루스터 법칙이라고 한다.

 

 

실험방법

 

필요부품

광선판, 레이저 1개, 투명 플라스틱 반원통형 렌즈, 편광판, 보조스크린

 

실험순서

1) 그림 2-2와 같이 90-90선과 반원통형 렌즈 평면이 일치하도록 정렬한다.

2) 레이저를 켜고 조사된 광선이 광선판의 0-0 중심선을 따라 진행하도록 정렬한다. 경계면에서 꺾인 빛이 0-0선을 따라 진행되도록 레이저를 미세하게 조정한다. (수평면이 입사면이 된다.)

3) 반사한 광을 관찰할 수 있는 곳에 스크린을 놓고, 반사광선이 편광판을 통과하도록 편광판을 설치한다

4) 광선판을 회전시키면서 반사광 세기에 변화가 일어나는지를 관찰하고 기록한다.

5) 유리판을 돌리면서 반사광이 사라지는 위치가 존재하면 그 위치를 기록한다. 입사각은 0-0선을 기준으로 렌즈가 회전된 각과 같다. 브루스터각에서 수평 편광된 광은 반사되지 않는다.

>참조 : 반사광이 완전히 사라지지 않는다면 입사광이 완전히 수평 편광되어 있지 않기 때문이다. 따라서 반사광이 최소가 되는 위치에 유리판을 고정하고 편광판을 살며시 돌려 반사광이 사라지도록 한다.

6) 실험을 여러번 되풀이한다.

 

질문

1) 반사광이 사라지는 이유는 무엇인가?

 

2) 브루스터 각은 얼마인가?

 

3) 입사각이 브루스터 각보다 크게 하면 반사광의 세기에 어떠한 변화 일어나는가?

 

4) 해변에서 착용하는 선글라스는 편광판을 사용하여 파도에서 반사하는 빛의 눈부심을 방지한다. 선글라스에 사용되는 편광판의 투과축은 어느 방향인가?