빛의 반사와 굴절

목차

♤ 실험 제목
♤ 실험 목적
♤ 실험 이론
♤ 실험 기구
♤ 실험 절차
실험 1 : 평면판의 경우 광선의 경로 측정 실험.
실험 2 : 임계각 측정 실험.
실험 3 : 횡적변위 측정 실험.
♤ 질문
♤ 토의
♤ 참고 자료

본문내용

♤ 실험 제목 : 빛의 반사와 굴절 법칙


♤ 실험 목적 : 광선을 추적하여 두 매질의 경계면에서 발생하는 반사와 굴절에 관계되는 기본 법칙들의 이해를 돕는다.

♤ 실험 이론 : 빛이 매질 (1)과 (2)를 분리하는 평면표면 AB에 도달하면 일부는 매질 (1)로 되돌아가고(반사), 나머지는 매질 (2)로 들어간다(굴절). 각 광선을 입사광선, 반사광선 및 굴절광선이라고 한다. 굴절은 파의 진행속도 차이 때문에 생기는데, 파동이 속도를 달리하는 매질 속으로 들어가면 진행방향이 변하게 된다. 이는 호이겐스 원리에 의해 파면에서 생성된 구면파가 매질 속에서 속도가 달라져서 구면파들이 만드는 포락선의 방향이 꺾이기 때문이다. 빛의 경우 기준속도 vo는 진공에서의 빛의 속도 c로서 매질의 굴절률은 1보다 큰 값을 가지고 있다.

아래 그림을 보자. 각 광선과 입사점에서 세운 수선과의 사이각을 각각 입사각1, 반사각1 및 굴절각 2라고 하면 반사와 굴절에 관한 법칙은 다음과 같다.




≪ … 중 략 … ≫




실험 1 : 평면판의 경우 광선의 경로 측정 실험.

1. <그림. 6>과 같이 광학 받침대에 광원을 설치하고 회전판에 반원 모양의 아크릴을 고정된 렌즈 스테이지에 놓는다. 아크릴의 평면(현)이 광원방향이 되도록 향하게 설치한다. 이때 그 반원의 중심이 회전판의 중심과 일치해야 함에 유의한다.
2. 아크릴 반원의 현 부분을 입사광에 수직하도록, 즉 입사각이 0°가 되도록 초기 장치를 꾸민다.
3. Data Studio를 구동하여 광센서와 모션센서를 연결한다.
4. 아크릴 반원의 각을 변화시키면서 반사광과 굴절광이 형성됨을 확인한다.
5. Data Studio를 구동하고, 회전판을 돌려서 광센서와 회전모션센서로부터 반사각과 굴절각에 대한 빛의 세기와 회전각을 측정한다.
.
시간에 대해 측정된 빛의 세기와 각도를 각도에 대한 세기의 그래프로 변환시킨다.
빛의 세기의 크기가 국소적으로 최대인 각도를 보고 반사각과 굴절각을 알아낸다.
위 4~7번 과정을 되풀이 한다.
반사각을 통해 반사의 법칙을 확인하고, 스넬의 법칙과 측정된 굴절각을 이용해 아크릴의 굴절률을 알아낸다.
실험 2 : 임계각 측정 실험.
<그림. 7>과 같이 광학 받침대에 광원을 설치하되, 회전판에 반원 모양의 아크릴을 반고정된 렌즈 스테이지 위에 올려놓고 아크릴의 평면이 광센서를 향하도록 하고, 반호가 광원방향이 되도록 향하게 설치한다. 이때 그 반원의 중심이 회전판의 중심과 일치해야 함에 유의한다. 또 렌즈 플랫폼이 회전 팔과 함께 돌아가도록 반고정되는 것에 유의한다.
아크릴 반원의 현 부분을 입사광에 수직하도록, 즉 입사각이 0°가 되도록 초기 장치를 꾸민다.
Data Studio를 구동하여 광센서와 모션센서를 연결한다.
아크릴 반원의 각을 변화시키면서 반사광과 굴절광이 형성됨을 확인한다.
Data Studio를 구동하고, 회전판을 돌려서 광센서와 회전모션 센서로부터 빛의 세기와 회전 각도를 측정한다.
시간에 대해 측정된 빛의 세기와 각도를 각도에 대한 세기의 그래프로 변환시킨다.
빛의 세기가 최대인 각도를 보고 임계각을 알아낸다. (<그림. 2>에서 보듯 임계각일 때 굴절각은 90°가 되어 빛은 매질의 표면을 타고 나온다.)
굴절광이 나타나지 않는 각이 임계각임을 이해한다.
식 (3)으로부터 1/sinθc=n 을 알고, 측정된 임계각으로 구한 매질의 굴절율과 실험 1에서 구한 매질의 굴절율을 비교해 본다.
실험 3 : 횡적변위 측정 실험.
<그림. 8>과 같이 광학받침대에 광원을 설치하고 회전판에 직각 매질(여기서는 아크릴)의 수평방향이 광원방향과 수직이 되도록 설치한다. 이때 그 수평면이 회전판의 중심과 일치해야 함에 유의한다.
Data Studi

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