[일반물리실험2] 9. 기하광학

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[일반물리실험2] 9. 기하광학에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

돋보기) 2번 렌즈
두 렌즈 모두 빛이 퍼져나가는 것을 관찰할 수 있었다. 일반 렌즈보다는 원통형 렌즈인 돋보기를 사용했을 때 빛이 더 잘 모여서 밝게 보였다.
(4) 레이저 광선 상자에 전원을 연결하라. 이 광원은 일반 레이저 포인터와 어떤 점이 다른가? 광선 상자와 원통형 렌즈를 이용해서 다시 위와 같은 그림을 만들어 보라.
위의 실험에서 사용했던 레이저와 달리 레이저 광선 상자를 사용했을 때는 빛이 지나가는 경로가 더욱 선명하게 보였다. 그렇기 때문에 위와 같은 그림과 유사한 모습을 관찰할 수 있었다.
(5) 일반 레이저와 달리 빛이 지나가는 길이 확연하게 보이는 이유는 무엇인가?
광선 상자의 레이저가 비스듬하게 아래를 향해 나오기 때문에 바닥에 닿은 점이 선처럼 길게 늘어져서 나아갈 수 있다. 그렇기 때문에 지나가는 경로를 확연하게 관찰할 수 있었다.
2. 스넬의 법칙과 전반사
(1) Sheet와 적당한 물체를 사용해서 스넬의 법칙이 맞는지 확인하라.
30도 45도 60도
굴절률이 각각 과 인 두 매질이 있을 때 입사각을 , 굴절각을 라 하면 스넬의 법칙은 로 나타낼 수 있다. 일반적인 렌즈의 굴절률은 약 1.50, 공기의 굴절률은 1.0이므로 이다. 입사각이 30도일 때, 굴절각이 20도 이므로 이다. 입사각이 45도 일 때, 굴절각이 약 17도이므로 이다. 입사각이 60도 일 때, 굴절이 약 34도이므로 이다. 세번의 실험 모두 스넬의 법칙을 만족했다.
(2) 물체의 표면에서 빛이 반사하는 현상을 관찰하라. 각도에 따라 빛의 반사량은 어떻게 바뀌는가?
위의 실험을 통해서 반사의 원리에 따라 입사각이 커질수록 반사각도 일정하게 커진다는 것을 알 수 있었다. 입사각이 클수록 빛의 반사량도 더욱 많아진다는 것도 알 수 있었다.
(3) 전반사 현상을 직접 확인할 수 있도록 물체와 광원을 배치해보라.
전반사 현상은 밀한 매질에서 소한 매질로 빛이 진행할 때 빛이 굴절하지 않고 반사되는 현상으로 왼쪽의 사진과 같이 물체와 광원을 배치했을 때 직접 관찰할 수 있었다.
3. 렌즈의 기본 기능
(1) set 안에 포함된 1~5의 볼록 렌즈와 오목 렌즈에 대해 각 렌즈의 초점거리를 구하라.
(초점거리(f): 평행광이 들어왔을 때, 렌즈와 초점까지의 거리. 오목렌즈처럼 초점이 렌즈 뒤에 있는 경우에는 값으로 표시한다.)
1번 2번 3번
렌즈
초점 거리 (cm)
1번
18
2번
14
3번
23
4번
36
5번
-21
4번 5번
(2) 선택문제: 렌즈를 통과한 5개의 광선이 항상 같은 점에 모이는가? 그렇지 않은 경우, “렌즈의 수차” 때문이라고 말한다. 렌즈의 수차를 줄이는 가장 쉬운 방법은 렌즈의 가장 자리를 통과하는 광선은 차단하고 중앙 부분만 사용하는 것이다. 또 다른 방법은 두 개 이상의 렌즈를 조합하는 것이다. 시험 삼아 작은 반원 렌즈를 하나 놓고 또 다른 렌즈 하나를 놓아 수차가 줄어들도록 만들어보라. (고급 카메라일수록 수차를 줄이기 위해 여러 장의 렌즈를 사용한다.)
작은 반원 앞에 2번 렌즈를 두어 수차를 줄일 수 있었다.
4. 렌즈 조합
(1) 첫 번째 렌즈를 사용하여 초점을 만든 후, 두 번째 렌즈를 통해서 다시 초점을 만들어 보라. 렌즈 공식을 써서 두 번째 초점의 위치를 예측하고, 실험 결과와 맞는지 확인하라.
의 거리는 24cm, 1번 렌즈의 초점 거리는 18cm이므로 로 나타내면, 로 이론값과 일치하지 않았다.
Discussion
이번 실험을 통해 레이저 포인터와 레이저 광선 상자의 차이점, 각 렌즈의 특징과 초점 거리 등을 새롭게 알 수 있었다. 특히, 일반물리2 수업시간에 배웠던 전반사, 스넬의 법칙, 렌즈 공식을 응용해보는 실험이었기 때문에 각 개념을 이해하는 데 큰 도움이 되었다.
4번 실험에서 두 번째 초점 위치를 알아내는 과정에서 오차가 발생하였다. 3번 실험에서 측정한 렌즈 초점거리를 가지고 실험을 진행하였는데, 3번 실험 자체에서 오차가 발생해서 4번 실험까지 이어진 것 같다. 레이저의 빛이 퍼져서 정확한 초점 위치를 측정하는데 어려움이 있었다. 또한, 초점 거리가 너무 길어서 바닥에 아이패드나 공책을 덧대서 사용했는데 그 과정에서 굴곡이 생겼던 것도 오차의 원인이 될 수 있을 것 같다.
이번 ‘기하광학’ 실험은 앞선 실험이었던 수면파 실험, 전자기파 실험에서 사용되었던 반사, 굴절 등의 원리를 ‘빛’에서도 적용해볼 수 있어서 좋은 경험이 되었다. 이 뿐만 아니라 빛의 다른 성질에서도 더 자세히 알아보고 싶다.

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일반물리실험,   기하광학