[물리실험] 광학기구를 통한 빛의 반사와 굴절 분석 및 파동기하학 이해(예비+결과)

소개글

[물리실험] 광학기구를 통한 빛의 반사와 굴절 분석 및 파동기하학 이해(예비+결과)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

□ 실험 제목

□ 실험 목적
▲ 실험 기구 및 재료
▲ 실험 방법

□ 실험 1-색의 합성

□ 실험 2-프리즘

□ 실험 3-반사(평면과 곡면 거울)

□ 실험 4-스넬의 법칙

□ 실험 5-완전반사

□ 실험 6 - 굴절(오목, 볼록렌즈)

□ 실험 7 - 렌즈 제작자 방정식

□ 실험 8 - 겉보기 깊이

□ 실험 9 - 얇은 렌즈의 초점 거리

□ 실험 10 - 망원경

□ 실험 11 - 현미경

□ 측정값 및 결과

□ 질문 및 토의

□ 결론 및 검토

본문내용

린
▲ 실험 방법
(1) 모눈종이를 클립을 이용하여 스크린에 고정시킨다.
(2) 100mm렌즈를 대물 렌즈로 200mm렌즈를 접안 렌즈로 한다. 두 렌즈는 광학대 한쪽 끝에 둔다.
(3) 눈을 접안 렌즈에 가까이 대고 모눈종이의 눈금에 초점이 맺어지도록 대물 렌즈를 움직인다.
(4) 물체와 상이 같은 평면에 있게 접안 렌즈를 움직여 시차를 없앤다. 시차가 없으면 머리를 조금 움직여도 렌즈 중앙에 있는 상의 눈금이 물체의 눈금에 고정된다.
(5) 그림과 같이 한쪽 눈은 스크린을 보고 다른 쪽 눈은 접안 렌즈를 보면서 상의 네모 속에 있는 물체의 네모 수를 새고 측정값을 통해 계산한 배율과 비교한다.
□ 실험 11 - 현미경
현미경은 그림 30.21과 같이 두 개의 볼록 렌즈로 구성된다. 빛줄기 그림을 보면 상은 물체와 같은 평면에 있음을 알 수 있다. 상이 물체와 같은 평면을 가짐으로 상의 거리를 알 수 있게 해준다. 이 실험에서 렌즈의 두께는 다른 거리에 비해 얇다고 가정할 수 있다. 이런 경우 얇은 렌즈 공식을 사용하면 된다.
여기서 는 렌즈부터 물체까지 거리이고 는 렌즈부터 상까지 거리이다. 두 렌즈 망원경 배율은 렌즈 배율과 같다.
▲ 실험 기구 및 재료
광학대, 볼록 렌즈, 스크린
▲ 실험 방법
(1) 모눈종이를 클립을 이용하여 스크린에 고정시킨다.
(2) 200mm렌즈를 대물렌즈로 100mm렌즈를 접안 렌즈로 한다. 두 렌즈는 광학대 한쪽 끝에 둔다.
(3) 눈을 접안 렌즈에 가까이 대고 모눈종이의 눈금에 초점이 맺어지도록 대물 렌즈를 움직인다.
(4) 물체와 상이 같은 평면에 있게 접안 렌즈를 움직여 시차를 없앤다. 시차가 없으면 머리를 조금 움직여도 렌즈 중앙에 있는 상의 눈금이 물체의 눈금에 고정된다.
(5) 그림과 같이 한 쪽 눈은 스크린을 보고 다른 쪽 눈은 접안 렌즈를 보면서 상의 네모 속에 있는 물체의 네모 속에 있는 물체의 네모 수를 새고 측정값을 통해 계산한 배율과 비교한다.
□ 측정값 및 결과
▲ 실험 1 - 색의 합성
합성된 색
결 과
Red + Blue + Green
연노랑
Red + Blue
다홍색
Red + Green
노란색
Blue + Green
연두색
▲ 실험 2 - 프리즘
프리즘에 대해 빛의 입사각을 최대한 크게 하면 백색광은 각각의 파장에 따라 다른 각으로 굴절되는데 그 굴절각은 스넬의 법칙에 의존한다. 즉 상대적으로 파장이 길어질수록(진동수가 적을수록) 굴절각은 작아지는데, 가시광선 중 파장이 가장 긴 빨강색이 굴절각이 가장 작게 나타나며, 차례대로 노랑색, 녹색 파랑색이 관찰되었다. 이는 역시 스넬의 법칙에 만족하는 결과이다. 그리고 세가지 기본색(R+G+B)을 프리즘에 통과시킨 결과 프리즘으로부터 거리가 멀어질수록 빛은 분산에 의해 합성현상이 나타났다.
▲ 실험 3 - 반사(평면과 곡면 거울)
a. 평면거울 : 반사각이 입사각과 같다
b. 오목거울 : 초점 F에서 만난다.
▲ 실험 4 - 스넬의 법칙
입사각
굴절각
굴절률
32°
21°
1.48
30°
20°
1.46
44°
28°
1.48
평균
1.47
상대오차
2.00％
상대오차 =
▲ 실험 5 - 완전반사
실험결과 입사광선과 반사광선 사이에 85°의 각이 생겼으며 이 각의 반인 42.5°가 임계각이 된다. 스넬의 법칙을 이용한 임계각은 41.81°이며, 상대오차는 1.62％이다. 입사각이 임계각과 같거나 더 큰 경우에 빛은 완전히 반사된다. 이러한 광선은 마치 완전 반사면에 입사된 것처럼 경계면에서 반사된다.
렌즈에서 양쪽 곡면의 중심을 이은 선을 렌즈의 축인 광축이라 하며, 이 축 위에 각 렌즈 고유의 초점이 있다. 볼록렌즈의 경우 광축과 평행하게 들어오는 빛은 렌즈를 통과한 후 초점에 모이게 된다. 오목렌즈의 경우에는 위의 그림과 같이 초점에서 렌즈로 향하는 빛과 같은 각을 이루며 퍼지게 된다. 그러나 볼록 렌즈나 오목 렌즈의 어느 경우에도 렌즈의 중심을 통과하는 빛은 렌즈를 통과한 후에도 방향을 바꾸지 않고 똑바로 진행한다.
□ 질문 및 토의
▲ 실험 3 - 반사(평면과 곡면 거울)
1. 입사각과 반사각의 관계는?
- 평면거울의 경우 거울면에서의 법선을 그어 그 법선과 입사광선이 이루 는 각을 입사각, 반사광선과 이루는 각을 반사각이라 한다. 곡면거울의 경우에는 거울면에서 접선을 그어 그 접선의 법선과 각각 이루는 각을 입사각, 반사각이라 한다. 입사각과 반사각은 같다.
2. 평면 거울에 대해 세 가지 색들이 왼쪽에서 오른쪽으로 방향을 바꾸는가?
- 그렇다. 오른쪽의 파랑색 광선은 거울면에서 반사후 왼쪽으로, 왼쪽의 붉 은색 광선은 거울면에서 반사후 오른쪽으로 방향을 바꾸었다.
3. 곡면거울에서 초점거리와 곡률반경과의 관계는?
- 곡률반경은 초점거리의 2배이다.
4. 평면거울의 곡률반경은?
- 평면거울의 경우 초점이 무한대 즉, 입사하는 빛이 평행하면 반사하는 빛 또한 평행하게 진행하며 초점이 생기지 않는다. 그러므로 곡률반경도 무한대이다.
▲ 실험 4 - 스넬의 법칙
1. 사방육면체에 들어오는 빛줄기에 대한 나가는 빛줄기의 각은?
- 들어오는 빛줄기의 각과 나가는 빛줄기의 각은 같다. 왜냐하면 굴절각은 매질의 성질과 입사각에 의존하게 된다. 먼저 공기중에서 사방육면체로 빛은 한번 굴절되고 사방육면체에서 공기중으로 다시 한 번 빛이 굴절하 게 된다.
▲ 실험 5 - 완전 반사
1. 들어가는 빛의 각이 임계각 보다 조금 작은 각에서 조금 큰 각으로 변할 때 반사되는 빛의 밝기는 어떻게 되는가?
- 임계각 보다 작은 각에서는 반사와 굴절이 같이 일어난다. 그러나 임계각보다 큰 각에서만 완전 반사가 일어난다. 그러므로 빛의 밝기는 밝아진다.
2. 붉은빛과 보랏빛 중 어느 것의 임계각이 큰가?
- 임계각은 아크릴의 굴절률에 반비례한다. 아크릴의 굴절률은 가시광선의 진동수가 증가함에 따라 커진다. 붉은빛에 비해 보랏빛의 진동수가 더 크므로 아크릴의 굴절률도 보랏빛에서 상대적으로 더욱 크다. 굴절률이 커지면 임계각은 작아지므로 보랏빛의 임계각이 더욱 작다. 즉 붉은빛의 임계각이 더 크다.
□ 결론 및 검토
빛의 반사와 굴절에 대해 알아보는 실험이었다.

키워드

광학기구,   빛의반사,   빛의굴절,   파동기하학,   파동,   파동역학,   기하학,   빛