빛의 굴절과 반사, 회절, 간섭, 렌즈의 초점거리 예비- 결과 보고서

소개글

빛의 굴절과 반사, 회절, 간섭, 렌즈의 초점거리 예비- 결과 보고서에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1.실험목적
2.이론 및 원리
3.실험장비 및 기구
4.실험방법
5.실험결과
6.결론 및 토의
7.Reference

본문내용

=0인 경우는 극소가 아니라 가장 큰 극대가 된다.
⑵ 영(Young)의 간섭실험
토마스 영(Tomas Young)은 빛에 대한 간섭효과를 발견하여 빛의 파동설을 세웠다. 간섭이란 두 개의 파동이 서로 중첩되어 어떤 공간에 에너지가 균일하게 분포되지 않고, 어느 점에서는 극대가 되고 다른 점에서는 극소가 되는 현상을 말한다. 간섭을 일으키기 위해서는 두 개 이상의 파동이 같은 속도, 진동수, 파장 및 상대적 위상이 일정하게 유지되어야 한다.
이중슬릿에 의한 빛의 간섭
위 그림에서와 같이 두 개의 슬릿 S1, S2에서 나온 빛의 간섭을 생각해 본다. 슬릿을 통과한 광선은 회절하여 두 개의 구면파가 서로 겹쳐서 진행한다. 입사광선이 단색광이면 이 두파가 스크린 위에 도달할 때(P) 그 위상차에 의하여 밝고 어두운 간섭무늬를 만들게 된다.
dsinθ=nλ(n=0,1,2,…) -----------(3) [극대]
dsinθ=(n+1/2)λ(n=1,2,…) ------(4) [극소]
따라서, 실험에서 우리는 D와 x를 측정하여 레이저 빛의 파장 λ를 구할 수 있다.
그리고 차수 n이 높아짐에 따라 중앙에서의 문양까지의 거리가 증가함에 따라 각도는 증 가한다. 또 한편으론, 이중슬릿 실험의 경우에는 일반적으로 빛의 변화각이 작으며 d가 D보다 훨씬 작다면 두 광파의 경로는 D와 거의 같게 된다. 이때 로 둘 수 있으며 전체식을 파장 에 대한 식으로 (n은 차수)로 표현 가능하다. 본 실험에서는 주어진 반도체 레이저의 사용 파장과 m차 밝은 무늬 또는 어두운 무늬간의 거리 x, 그리고 슬릿과 스크린간의 거리 D를 알 수 있으므로 사용된 회절판의 슬릿의 간격도 알 수 있다.
이중슬릿에 의한 프라운호퍼 회절 무늬
⑶ 다중슬릿에 의한 회절
다중슬릿(회절격자)에 의한 빛의 회절은 영의 이중슬릿 실험분석과 유사하다. 이 회절격자는 스펙트럼을 연구하는 데 간단하고 가장 유용한 기구이다. 이 격자는 잘 닦여진 반사나 전송면 위에 균일하게 간격을 둔 미소평행선인 그릿(grid)으로 이루어져 있는데, 요셉 프라운호퍼(1787～1826)에 의해 광범위하게 사용되었다. 오늘날 보통 1센티당 10,000개 정도의 선을 가지는 격자들이 흔히 사용되고 있으며 빛의 파장을 정확히 측정하는데 사용되고 있다.
다중슬릿에 의한 빛의 회절
위 그림에서 보는 바와 같이 평행광선이 회절격자에 입사된다고 가정하자. 또, 슬릿의 폭이 충분히 좁기 때문에 각각의 슬릿은 격자 뒤의 먼곳에 있는 스크린을 넓은 각도 범위에서 비춰주고 있다고 가정하여 간섭이 다른 모든 슬릿으로부터의 빛들과 일어난다고 하자. 각각의 슬릿에서 직진하는 (θ=0)빛들은 서로 보강 간섭을 일으켜 중앙에 밝은 반점을 만들게 된다.인접한 슬릿들로부터 빛들의 광로차가 정확히 파장의 정수배 즉 , △ℓ=nλ(n은 정수)를 만족하는 값 θ에서도 보강간섭이 생긴다. (직관적으로 보면, 파동이 서로 정수배가 되지 않으면 서로 상쇄되어 어중간한 강도를 가질 것이다.)
d sinθ= nλ (n=0,1,2,…)---------(5) [보강간섭]
d sinθ= (n+1/2)λ (n=0,1,2,…) ---(6) [상쇄간섭]
이 식을 격자공식이라 하고 n을 무늬의 차수(order)라고 부른다. 이것은 이중슬릿의 경우와 똑같다. 그러나 이중슬릿과 다중슬릿의 회절무늬 사이에는 중요한 차이가 있다. 슬릿의 수가 많아질수록 극대는 더 예리하고 더 좁다. 즉, 격자의 선의 수가 많으면 많을수록 극대값은 예리하게 되고 더욱 정확한 빛의 파장을 측정할 수 있다. 위의 격자공식에서 θ가 90°를 넘을 수가 없으므로 가장 높은 차수는 nmax = d/λ 로 표시되므로 격자공간, d가 좀더 큰 격자가 작은 격자보다는 더 많은 차수를 발생시킨다. 즉, 스크린 상에서 더 많은 무늬를 관찰할 수 있다. 입사광이 빛의 여러가지 다른 파장을 포함한다면(백색광원의 경우) 이것을 다색성원이라 한다. 회절격자에 의해 각 파장은 각 차수내의 각에서 상을 형성하고 구성 성분 파장으로 분포시킴으로써 스펙트럼을 형성하게 될 것이다.
3.실험기구
1) 광원장치
2) 이중슬릿
3) 스크린
4) 받침대
4.실험방법
(1)광학대의 한쪽 끝에 광학장치를 설치한다.
(2)광원 앞에서 일정한 거리(D)를 두고 이중 슬릿을 설치한다. 이 때 그 거리 값을 구해 둔다.
(3)스크린상의 가장 밝은 간섭무늬의 중심으로부터 m 번째 밝은 무늬의 중심까지의 거리 간격x를 측정한다.(이 때 m은 실험자가 임의로 정한다.
(4)D를 변화시키면서 간섭무늬 간격을 측정한다.
(5)식 로부터 거리 d를 계산하여 구한다.
5.실험결과
이중슬릿과 스크린사이의 간격: 50cm
스크린사이에 나타난 회절무늬의 간격: 0.1cm
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실험결론 및 토의
이번 광학종합실험은 정말 쉬운 실험이었다고 본다. 하는거라고는 도구들을 올려다놓고 자로 거리를 측정하는거 밖에 없었으니 말이다. 하지만 그래도 손수하는 작업인지라 측정할때마다 다른값이 나오는걸 확인할 수 있다. 일단 반사는 예상대로 입사각이랑 반사각이랑 똑같이 잘 나와줬다. 근데 굴절률 측정에서 굴절률이 고르지 않는걸 볼수 있다. 아무래도 시각과 손에 의존하다보니 생긴 오차로 볼수 있다. 하지만 굴절률의 평균값이 임계각을 통하여 측정한 굴절률과 큰 차이가 나지 않아서 어느정도 제대로 된 실험이었다고 보여진다. 렌즈의 초점거리 측정의 경우는 상이 가장 선명하게 생기는 거리를 찾아야되는데 그 거리는 시각에 의존할 수밖에 없었다. 그래서 어림잡아 가장 선명해보이는곳을 거리로 선정하였기 때문에 이로 인한 오차가 분명 나타날것이다. 마지막으로 회절실험은 참 어려웠던게 슬릿이 너무 작고 , 또 슬릿과 스크린 사이의 거리를 멀리 띄어놓으면 회절로 인해 간섭무늬가 커져서 제대로 측정을 못하기 때문에 슬릿과 스크린사이의 간격을 아주 좁게 해야했다. 그로인해서 간섭무늬 사이사이의 간격을 측정하기가 매우 힘들었었다. 하지만 측정의 어려움일뿐지이지 실험방법자체가 어렵지는 않아서 모든 실험을 빨리 끝낼수 있었던 것 같다. 이제 마지막 실험을 남겨두고 있는데 마지막실험을 통해서 물리실험! 유종의 미를 거뒀으면 좋겠다.

키워드

굴절,   회절,   반사,   빛의 굴절,   간섭,   광학,   렌즈,   초점거리