□ 실험 목표 백열 광원을 이용하여 빛의 반사법칙과 굴절현상을 관측하고, 빛의 전반사 특성을 이용하여 임계각을 측정하고 사용한 물질의 굴절율을 구한다.
□ 실험 기구 및 장치
① 광학 받침대 ② 광선 테이블과 받침 ③ 슬릿 판 ④ 슬릿 마스크 ⑤ 광학 거울 ⑥ 원통면 렌즈 ⑦ 투영판 ⑧ 백열 광원, ⑨ 부품 지지대
□ 기본 원리 빛은 한 매질에서 다른 매질로 입사될 때 그 경계면에서 반사와 굴절이 일어난다. 밑에 그림에서 보듯이, 경계면에 직각인 법선과 입사광선, 반사광선, 굴절광선이 이루는 사이 각을 각각 입사각 θ1, 반사각 θ′1, 굴절각 θ2이라 한다. 이 때 입사광선, 반사광선, 굴절 광선이 모두 면의 법선을 포함하는 동일 평면상의 존재하며, 이들 사이에는 아래와 같은 관계가 성립한다.
n1sinθ1= n2sinθ2 (1)
위의 식을 빛의 반사와 굴절 특성을 나타내는 Snell의 법칙이라 한다. 여기서 n은 빛이 진행하는 물질의 굴절률이다. 굴절률은 진공에 대한 어떤 물질의 상대 굴절률을 의미하나 진공에 대한 값과 공기에 대한 값에 큰 차이가 없으므로 실질적으로 공기 중에서의 상대 굴절률 값을 n=1로 기준하여 사용한다. 만일 굴절률이 큰 물질에서 굴절률이 작은 물질로 빛이 진행한다면, 밑에 그림에서 보듯이 어떤 입사각 θc 이상에서는 굴절광은 사라지고 전반사를한다. 이 반사를 하기 시작하는 입사각 θc를 임계각이라 하며, 다음과 같은 관계가 성립한다.
sin(θc)=n2/n1 (2)
만일 n2=1이면, 즉 진공 (또는 공기)으로 빛이 굴절하여 들어간다면 다음과 같은 계산식이 성립한다.
sin(θc)=1/n1 (3)
그럼으로, 광선이 굴절하는 매질의 굴절률이 주어지면 위의 식 (3)으로부터 그 임계각을 계산할 수 있다.
□ 실험 방법
< 빛의 반사 실험 > ① 그림과 같이 장치를 설치하여라. 단일 광선이 광선테이블 위에 수직(Normal)이라고 표시된 굵은 화살표와 일치하도록 한다. ② 거울의 반사면이 광선테이블의 Component라고 쓰여진 굵은 선에 일치하도록 한다. 거울이 잘 놓여졌다면 광선테이블의 굵은 화살표와 거울의 반사면이 서로 수직이 될 것이다. ③ 광선테이블을 돌려가며 광선을 관측한다. 입사와 반사 각도를 반사면의 수직에 대해 측정한다. ④ 광선테이블을 돌려가며 그때의 입사각과 반사각을 기록하여라. ⑤ 반대방향으로 회전시키면서 ④의 과정을 반복하여 기록한다.
< 빛의 굴절 실험> ① 그림과 같이 장치를 설치한다. 단일 광선이 광선테이블 위에 수직(Normal)이라고 표시된 굵은 화살표와 일치하도록 한다. ② 원통면 렌즈의 평면 부분을 Component라고 쓰인 굵은 선에 일치시킨다. 렌즈가 제대로 놓이면 각도 눈금의 중심부에서부터 퍼지는 방사선들이 렌즈의 원형면과 수직이 될 것이다. ③ 렌즈를 움직이지 말고 광선테이블을 돌려가며 입사각에 대한 굴절각을 관찰한다. ④ 광선테이블을 돌려가며 입사각에 대한 굴절각을 측정하여 기록한다. ⑤ 반대방향으로 회전시키면서 ④의 과정을 반복하여 기록한다.
< 빛의 전반사 실험 > ① 그림과 같이 장치를 설치한다. 하나의 광선이 원통면 렌즈의 곡면에 입사하도록 한다. ② 렌즈를 움직이지 말고 광선 테이블을 돌리면서 입사각을 증가시킨다. ③ 투영판에 비친 굴절된 빛을 관찰하며, 굴절광이 사라지기 시작하는 입사각까지 계속하여 임계각을 측정한다. ④ 굴절실험에서 측정한 굴절률을사용하여 식 (3)으로부터 임계각을 계산하여 측정값과 비교하여 본다.
□ 실험 데이터
1) 빛의 반사 측정값
입사각
반사각 1 (왼쪽)
반사각 2 (오른쪽)
0°
0°
0°
10°
10°
10°
20°
20°
20°
30°
30°
30°
40°
40°
40°
50°
50°
50°
60°
60°
60°
70°
70°
70°
80°
80°
80°
90°
90°
90°
2) 빛의 굴절 측정값
입사각
굴절각
굴절률:n=sin(θ1)/sin(θ2)
0°
0°
0
10°
6.8°
1.47
20°
13.5°
1.47
30°
20°
1.46
40°
26°
1.47
50°
31.3°
1.47
60°
36°
1.47
70°
40°
1.46
80°
42°
1.47
90°
-
-
1.47
3) 빛의 전반사 측정값
횟수
임계각
계산된 임계각
1
43°
42.9
2
42.5°
3
44°
4
43.5°
5
42°
평균
43°
공기 중에 빛의 굴절률 : 1.000293 매질의 굴절률 : 1.47 굴절각이 약 90°가 될 때 임계각이 발생하므로 이와 같이 표현 할 수 있다. 1.47 * sinx = 1 sinx = 1 / 1.47 ∴ sinx = 42.9
★ 결론 이번 실험은 직접 레이저를 발사해 반사 시켜보고 굴절 시켜보면서 반사의 법칙과 굴절의 법칙을 확인해보는 실험이었다. 처음 시작할 때의 광원의 위치와 광선테이블의 위치만 잘 고정해놓으면 나머지는 계속해서 입사각만 변화시키면서 반사각과 굴절각을 측정하기만 하면 되는 실험이었다. 굴절각을 측정할 때는 광선테이블을 무턱대고 움직여서 테이블 위에 있던 원통렌즈가 움직여 실수가 있었다. 반사의 법칙을 확인하는 실험에선 입사각과 반사각이 거의 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
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물리실험(R)-빛의 반사, 굴절의 법칙.hwp
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