[실험보고서 예비 및 결과] 빛의 속도 측정 실험

소개글

[실험보고서 예비 및 결과] 빛의 속도 측정 실험에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

나 보다 data를 몇 개 줄이기로 하였다.
우선 빛의 속도를 측정하는 실험에선 Lissajous figure를 관찰하지 않기로 하였다. 실험 기구에서 우리가 사용하는 볼록렌즈로는 빛을 매우 정밀하게 한곳으로 모을 수 없었고, 또한 거울의 반사상이 매우 정확하게 맺히지 못하고 난반사가 매우 많이 일어나기 때문이다. 따라서 의 위상차를 만들어낼 만큼 거울을 뒤로 이동시 빛의 세기가 매우 작아질 뿐만 아니라 상이 또렷하게 detector에 감지되지 않기 때문이다. 따라서 우리는 적당한 값의 위상차를 잡고 그 것을 ocsilloscope에서 dual상태에서 두 파의 위상차를 눈금을 보고 읽기로 하였다.
두 번째 실험이었던 임의의 물질의 굴절률과 그 물질 속에서의 빛의 속도를 측정하는 실험 또한 약간의 변화를 주었다. 우선 실험은 한 가지만 가기로 하였다. 물질이 아크릴일때 만 실험을 하기로 하였다. 실제 물을 통과하는 실험은 물속에서 빛의 세기가 그리 세지 않기 때문에 너무나 많은 빛이 산란되어 detector에 측정될 만큼 큰 세기가 되지 않기 때문이다. 따라서 아크릴만을 가지고 실험을 하기로 하였다. 그리고 이 실험역시 위상차를 임의로 정해 놓고 그 위치에 맞게 거울을 움직였다. 하지만 앞에 실험에서 보다 산란이 더 많이 일어날 거라 예상이 되기 때문에 위상차는 앞의 실험보다 더 작은 값을 하기로 하였다.
그래서 실험 data는 총 두개만 얻게 되었다. 그리고 구하는 값은 총 세 개로서 우선 공기중의 빛의 속도()와 임의 매질의 굴절률() 그리고 임의의 매질에서의 빛의 속도()이다. 다음의 값을 사용하여서 구할 수 있다. 여기서 는 우리가 사용한 광원이 빛의 frequency이고, 는 임의로 정한 위상차이다. 그리고 pre-report에서 약간의 수정된 식을 사용하도록 하겠다.
2.data
(1)공기 중에서의 빛의 속도
X: 광원에서 만드는 빛.
Y: 거울에 반사되어 들어온 빛.
: 초기 위상차가 0인 지점.
: 위상차가 일 때의 거울의 지점.
(hz)
(m)
(m)
(rad)
(m)
0.3405
0.7060
0.3655
(2)아크릴을 지날 때의 빛의 세기
: 초기에 아크릴을 놓기 전 위상차가 0이 지점.
: 그림처럼 설치하고 위상차가 가 날 때 거울의 위치.
: 빛이 진행해야할 매질의 길이.
: 빛이 위상차.
(hz)
(m)
(m)
(rad)
(m)
(m)
0.5510
0.8010
0.2920
0.2500
0.5510
0.8130
0.1720
0.2620
3.calculations
아래의 식을 사용하여 우리가 원하는 빛의 속도, 임의 매질의 굴절률, 임의 굴절속에서의 빛의 속도를 구할 수 있다.
빛의 진동수가 3자리이기 때문에 제일 작은 유효숫자를 맞추기 위해서 세 자리로 통일 하겠다.
(1)공기중의 빛의 속도
(hz)
(m)
(m)
(rad)
(m)
0.3405
0.7060
0.3655
(2)매질의 굴절률
(hz)
(m)
(m)
(rad)
(m)
(m)
0.5510
0.8010
0.2920
0.2500
0.5510
0.8130
0.1720
0.2620
(3)매질 속에서의 빛의 속도
4.results
우리가 구한 빛의 속도는 로서 실제 빛의 세기인 에 비해서 오차가 2.01%나왔다.
그리고 매질의 굴절률은 1.29와 1.35로 이론값인 1.49의 약 13.4%, 9.40%의 오차가 생겼다. 우리가 빛의 굴절률을 구하는 식에서 약간 pre-report에서 유도한 것과 다를 것이다. 그 이유는 우선 처음 기준으로 잡은 지점(즉, 위상차를 0으로 맞춘 때, 아크릴을 넣지 않았다.)이 약간 달랐기 때문이라고 생각한다.
5.conclusion
우선 식을 약간 바꾸어서 사용하였는데, 그 이유는 초기 위상차를 0으로 잡은 지점에서 상태는 아크릴을 넣지 않은 상태였다. 즉 X로 들어가는 값은 아무것도 없는 상태였기 때문에
가 된다. 그리고 아크릴을 넣고 어떠한 일정한 위상차를 주고, 거울을 뒤로 밀었을 때, Y로 빛이 들어간다. 이다. 그리고 과 의 관계가 가 되게 측정을 하였다. 이런 식이 얻어진다. 그리고 이 식에 넣어서 임의의 매질의 굴절률을 측정하였다. 그 결과로 1.29와 1.35의 굴절률을 얻게 되었다. 약간 매뉴얼에 나온 방법대로 하지 않아서 약간의 무리가 있지만 그래도 나름대로의 방법을 찾아서 결과를 얻어 내었다고 생각한다. 뭐라고 하지 마시길...
이 실험은 빛의 파동적인 성질을 이용하여서 빛의 속도를 측정하였다. 비록 매우 정확한 실험 방법은 아니었지만, 매우 정확한 값에 가깝게 도달했음을 알 수 있다. 그리고 파동이라는 성질이 가지는 매질 속에서 속도가 달라진다는 사실을 또한 이용하여서 임의의 매질의 굴절률을 측정할 수 있었다. 이 실험은 매질 속에서 속도가 느려진다는 것을 이용하였는데, 예전 뉴턴이 생각했던 매질 속에서 빛의 속도가 빨라진다는 이론을 뒤집어 주는 좋은 실험이다.
이 실험에서 그리 크진 않지만 어느 정도 오차가 생겼다. 이 오차가 생긴 원인은 어디에 있을까. 우선 오차는 빛의 주파수에서 있다. 우선 50.1MHz의 빛이라고 했다. 이것은 가시영역의 빛이 아님에도 불구하고 실험을 위해서 조작을 가했는지, 눈에 붉은 빛으로 보였다. 더욱이 이 빛의 주파수 역시 매우 의심이 가는 부분이 아닐 수 없다. 하지만 빛의 속도가 거의 가깝게 측정되었음을 보면, 실제 주파수는 우리에게 주어진 값에 5%도 채 차이가 안날정도로 별 큰 차이가 없었을 거라 생각된다. 또 다른 오차 원인으로 굴절률 측정 시 생겼던 아크릴 판의 setting이다. 그리 큰 차이를 내지 않을 오차라고 생각된다. 빛이 아크릴 판에 입사할 때, 입사각이 0이 되지 않았다고 생각이 된다. 그리고 마지막으로 생각할 수 있는 오차요인은 매 실험마다 반복되었던 빛의 집광이다. 매우 가는 빛으로 진행되지 않았고, 렌즈에 의해서 한곳에 제대로 빛을 모을 수 없었다. 이런 것은 오실로 스코프로 리사쥬 피겨를 사용하지 않고, 좌표를 읽는데도 매우 불편함을 주었다. 그리고 실험실에서 불을 끄고 실험을 하여서 눈금 좌표를 제대로 읽지 못하였다. 이런 요인에 의해서 오차가 발생했다고 생각한다.

키워드

빛의 속도 측정 실험,   합성수지에서 빛의 속도,   굴절률