반사와 굴절

빛은 전파하는 물질에 따라 다른 속도와 방향으로 반사되고 이동하거나 굴절되어 많은 흥미로운 광학 현상을 일으킵니다.

광선이 유리 블록의 표면에 부딪히면 그 일부가 계면에서 방향을 바꾸어 그것이 시작된 매체로 되돌아갑니다. 이것이 성찰입니다. 그리고 나머지 빛은 계면에서 방향을 바꾸고 에너지와 운동량을 보존하기 위해 유리 블록을 통해 이동합니다. 이것이 굴절입니다.

현미경과 같은 광학 시스템에서 볼 수 있는 렌즈는 반사와 굴절을 사용하여 사람의 눈으로 인식할 수 있는 이미지를 만듭니다.

여기에서는 먼저 반사와 굴절의 원리와 매개변수에 대해 설명합니다. 그런 다음 공기와 물이 두 매체인 시스템에서 이러한 현상을 시연할 것입니다. 다음으로, 렌즈가 이미지를 생성하는 방법을 연구한 다음 광학 분야의 몇 가지 응용 분야에 대해 연구할 것입니다.

반사와 굴절의 원리와 매개 변수를 이해하기 위해 물과 공기의 두 가지 매체를 선택하겠습니다.

주목해야 할 첫 번째 주요 매개변수는 "굴절률", 'n'으로, 이는 빛이 이동하는 매질의 특성입니다. 진공 상태에서의 빛의 속도 'c'와 매질에서의 빛의 속도 'v' 사이의 비율로 정의됩니다. 공기의 n이 물보다 낮기 때문에 빛은 공기에 비해 물을 통해 더 느리게 이동합니다.

이제 물과 공기라는 두 매체가 계면을 따라 서로 접촉한다고 가정해 보겠습니다.

이제 빛이 물에서 공기로 이동하여 계면에 닿을 때 일부는 계면에서 반사되고 나머지는 두 매체의 굴절률에 따라 달라지는 각도로 굴절되거나 구부러집니다. 반사와 굴절은 모두 입사각 또는 ?i.

이것은 입사광과 첫 번째 매체 내부의 공기-물 계면에 대한 수직 사이의 각도인 물에 의존합니다. '반사각'은 반사광과 첫 번째 매체인 물 내부의 동일한 법선 사이에서 측정되며 입사각과 같습니다. 반면 '굴절각' 또는 ?r은 굴절된 빛과 두 번째 매체인 공기에서 공기-물 계면에 대한 수직 사이의 각도입니다.

따라서 굴절각은 입사각과 두 매체의 굴절률에 따라 달라집니다. 굴절의 법칙 또는 스넬의 법칙은 이러한 모든 매개변수 간의 관계를 제공합니다.

이제 입사각이 천천히 증가하면 한 지점에서 빛이 물-공기 계면을 따라 나타나고 굴절각은 90도가 됩니다. 이 입사각을 '임계각'이라고 합니다. 첫 번째 매체의 굴절률이 두 번째 매체보다 큰 경우에만 발생할 수 있습니다.

이와 동일한 조건에서 입사각이 더 증가하면 광선이 매우 급격하게 굴절되어 실제로 빛이 발생한 첫 번째 매질로 완전히 다시 반사됩니다. 이러한 현상을 전체 내부 성찰(Total Internal Reflection)이라고 합니다.

반사와 굴절에 영향을 미치는 매개변수를 검토한 후 물리학 실험실에서 이러한 원리를 검증하는 실험을 수행하는 방법을 살펴보겠습니다. 광선이 있는 특수 굴절 탱크를 포함하여 필요한 모든 재료와 장비를 모으십시오.

굴절 조의 절반을 물로 채웁니다. 광선을 켜고 광선을 물로 채워진 탱크의 절반으로 향하게 합니다.

각도기를 사용하여 광선의 입사각 또는 광선과 공기-물 계면에 대한 수직 사이의 물에서 측정된 각도를 측정합니다. 또한 광선과 공기-물 계면에 수직인 각도 사이의 공기에서 측정된 굴절 각도 또는 각도를 측정합니다.

이제 입사각이 증가함에 따라 광선이 공기-물 계면을 따라 나타나는 지점에 도달합니다. 이 입사각은 전체 내부 반사에 대한 임계각이므로 기록해 두십시오.

그런 다음 광원을 시계 반대 방향으로 회전하여 입사각을 계속 높입니다. 굴절된 빔은 이제 물에 완전히 반사되어 전체 내부 반사를 보여줍니다.

그런 다음 빔이 물 속으로 이동하기 전에 먼저 탱크의 공기 절반으로 들어가도록 광원을 이동합니다. 다양한 입사각에 대해 새로운 광선 경로에 대한 프로토콜을 반복하고 해당 굴절각을 기록합니다.

이제 빛의 반사와 굴절을 활용하여 물체의 실제 및 가상 이미지를 생성하는 렌즈에 대해 이야기해 보겠습니다. 볼록한 렌즈든 오목한 렌즈든 모든 렌즈에는 초점 거리 'f'가 있는데, 이는 무한히 먼 거리에서 오는 광선이 렌즈를 통과한 후 초점이 맞춰지는 렌즈로부터의 거리입니다. 볼록 렌즈의 경우 f는 양수이고 오목 렌즈의 경우 f는 음수입니다.

물체가 렌즈 앞에 놓이면 이미지가 만들어집니다. 'Thin Lens Equation'은 초점 거리 'f', 피사체와 렌즈 사이의 거리 'o', 렌즈와 이미지 사이의 거리 'i' 사이의 수학적 관계를 제공합니다.

이 수학적 이미지 거리 'i'는 렌즈에 의해 형성된 이미지가 실제인지 가상인지를 알려줍니다. 수학적으로 계산된 'i'가 양수이면 형성된 이미지는 실제가 되고 음수이면 이미지는 가상이 됩니다.

볼록 렌즈의 경우 물체 거리 'o'가 초점 거리 'f'보다 크면 수학적으로 계산된 이미지 거리 'i'가 양수가 되고 실제 이미지가 형성됩니다. 이는 카메라나 현미경으로 캡처한 이미지와 같이 물체에서 나오는 광선의 물리적 수렴 때문입니다.

그러나 물체 거리 'o'가 초점 거리 'f'보다 작으면 수학적으로 계산된 이미지 거리 'i'가 음수가 되어 가상 이미지가 형성됩니다. 이는 광선이 수렴하는 것처럼 보이지만 실제로는 물리적으로 발산하고 우리의 눈은 광선의 원점을 구성하기 때문입니다. 이것은 확대된 가상 이미지가 형성되는 돋보기의 경우 관찰됩니다.

오목렌즈의 경우 물체에서 나오는 광선이 렌즈를 통과하여 항상 발산합니다. 따라서 계산된 'i'는 항상 음수이고 생성된 이미지는 항상 가상입니다.

이 섹션에서는 간단한 볼록 렌즈와 오목 렌즈를 사용하여 실제 이미지와 가상 이미지의 형성을 검증합니다. 필요한 재료, 즉 볼록렌즈, 오목렌즈, 흰 종이 한 장, 작고 독특한 물체, 종이를 수직으로 고정할 클램프

먼저 물체와 종이 사이에 볼록렌즈를 놓습니다. 그들이 모두 일렬로 있고 같은 높이에 있는지 확인하십시오.

물체의 선명한 이미지가 용지에 나타날 때까지 물체와 용지를 이리저리 움직입니다. 종이에 보이는 이 이미지는 화면에 캡처할 수 있으므로 실제 이미지입니다.

이제 렌즈에서 물체까지의 거리와 렌즈에서 종이까지의 거리를 측정합니다. thin lens equation을 사용하여 렌즈의 초점 거리를 결정합니다.

그런 다음 종이를 옆으로 놓고 렌즈와 물체 사이의 거리가 렌즈의 초점 거리보다 작아질 때까지 물체를 렌즈에 더 가깝게 이동합니다. 렌즈를 통해 보고 이미지를 관찰하십시오.

볼록 렌즈를 오목 렌즈로 교체하십시오. 오목 렌즈를 통해 보고 확대된 가상 이미지를 관찰합니다.

이제 실험 프로토콜을 완료했으므로 얻은 데이터를 분석하는 방법을 검토해 보겠습니다. 첫 번째 실험에서는 물-공기 계면에서 입사각과 굴절각을 측정했습니다.

스넬의 법칙을 사용하고 이러한 각도에 대한 값을 공기의 굴절률과 함께 방정식에 대입하면 1.33이 나오는 물의 굴절률을 계산할 수 있습니다.

그런 다음 다양한 입사각 및 굴절각에 대해 이 계산을 반복할 수 있습니다. 계산된 모든 굴절률의 평균은 물의 굴절률을 보다 정확하게 측정합니다.

또한 Snell의 법칙을 사용하여 전체 내부 반사에 대한 임계각을 계산할 수 있습니다. 이것은 굴절 각도가 90도와 같을 때의 입사각입니다. 이 방정식을 재배열하여 임계각을 풉니다.

물의 굴절률에 대해 이전에 계산된 평균을 사용하여 Snell의 법칙은 임계 입사각이 48.8도라고 예측합니다. 이것은 실험적으로 측정된 각도에 매우 가깝기 때문에 Snell의 법칙을 검증합니다.

광선이 공기에서 물로 투사될 때, 빛이 이제 낮은 지수의 매질에서 높은 지수로 이동하기 때문에 48.8도 이상의 각도에서도 내부 전반사가 발생하지 않습니다.

렌즈를 사용한 실험에서 얇은 렌즈 방정식은 렌즈에서 11.02cm의 물체 거리와 약 9.21cm의 이미지 거리에서 렌즈의 초점 거리가 약 5.02cm임을 보여줍니다.

볼록 렌즈를 통해 물체를 관찰하는 경우, 초점 거리보다 작은 거리에서 물체의 확대 버전이 관찰됩니다. 이 이미지는 화면에서 캡처할 수 없으므로 이 이미지는 가상 이미지입니다. 마찬가지로, concave lens를 사용할 때 물체의 확대된 가상 이미지가 관찰됩니다.

광학 장치, 특히 광학 렌즈는 사진에서 의료 이미징, 인간의 눈에 이르기까지 모든 생활 분야에서 사용됩니다.

광섬유는 전화 신호 전송과 같은 오늘날의 많은 응용 분야에서 데이터 전송에 사용됩니다. 이러한 섬유는 코어, 클래딩, 보호용 외부 코팅 또는 완충액 및 기타 강화층으로 구성됩니다.

클래딩은 내부 전반사(total internal reflection) 방법을 사용하여 코어를 따라 광 펄스의 형태로 데이터를 안내합니다. 이러한 데이터 전송 특성을 통해 의사가 사용하는 광섬유 카메라는 인체의 제한된 공간을 볼 수 있습니다.

현미경 검사는 현미경을 사용하여 육안으로는 볼 수 없는 물체를 보는 분야입니다. 광학 또는 광학 현미경 검사는 샘플을 통해 굴절되거나 샘플에서 반사되는 가시광선을 단일 또는 여러 개의 렌즈를 통해 통과시켜 샘플을 확대하여 볼 수 있도록 하는 것을 포함합니다. 결과 이미지는 눈으로 직접 감지하거나 디지털 방식으로 캡처할 수 있습니다.

방금 JoVE의 반사 및 굴절에 대한 소개를 시청했습니다. 이제 굴절의 원리, 스넬의 법칙, 전체 내부 반사, 그리고 렌즈의 이론과 렌즈가 이미지를 만드는 방법을 이해해야 합니다. 언제나 그렇듯이 시청해 주셔서 감사합니다!