빛의 성질 실험

개요

빛은 어둠을 밝혀주고, 그 열로서 기온을 오르내리게 할 뿐만 아니라 그 외에도 다양한 성질로 우리 일상에 커다란 영향을 끼친다. 몇 가지 실험관찰을 통해 빛의 다양한 특징들을 알아보기로 한다.

빛이 나아가는 방향

빛은 직진하는 성질을 갖는다. 몇 가지 실험을 통해 빛이 직진하는 특성을 확인해 본다.

준비물

손전등, 어둠 상자, 50㎝ 정도의 고무 호스, 촛불 등을 준비하자,

실험관찰

① 어두운 방 안에서 손전등을 비추어 보자. 향을 피우거나 밀가루 먼지를 일으킨 다음 손전등을 비추어 보자. ② 어둠 상자를 만들어 한쪽 벽면에 네모, 세모, 동그라미 등의 구멍을 만든 다음 햇빛을 비춰 보자. ③ 1m 정도의 거리를 두고 촛불을 켠 다음 고무 호스를 똑바로 펴서 촛불을 들여다 보자. 호스의 중간 부분을 약간 구부러지게 한 다음 촛불을 보자.

결과

① 벽이나 천정에 직선으로 가 닿은 손전등 불빛이 매우 밝게 보인다. 뿌연 향불 연기나 먼지 속에서 보면 빛이 직진하는 모습을 좀더 분명하게 볼 수 있다. ② 어둠 상자에 뚫어 놓은 여러 가지 모양의 구멍을 통과한 햇빛은 반대편 벽에 그 모양대로 비친다. 이것 햇빛이 곧게 나아가기 때문에 나타나는 현상이다. ③ 고무 호스를 똑바로 펴서 보면 촛불이 보이지만, 호스를 구부리면 아무것도 보이지 않는다. 직진하는 햇빛이 구부러진 호스를 통과하지 못한다는 사실을 보여준다.

물체의 위치와 그림자의 크기

빛은 직진하며 투과하지 못한 물체는 그림자를 생기게 하며, 빛과 물체와의 거리에 따라 그림자의 크기가 달라진다. 그림자가 생기는 원리와 물체와 빛의 거리에 따라 그림자의 크기가 달라지는가를 알아본다.

준비물

전지와 연결된 꼬마전구, 둥근 솜뭉치를 씌운 작은 막대, 가로 세로 40×50 정도의 널빤지를 준비한다.

실험관찰

① 널빤지를 햇빛을 향해 세워 보자. ② 꼬마전구를 켜고 1.5m 앞에 널빤지를 세워 놓은 다음 솜뭉치 달린 막대를 꼬마전구 가까이 세워 보자. 반대로 막대를 널빤지 가까이 옮겨 보자. ③ 이번에는 솜뭉치 막대를 꼬마전구와 널빤지 중간쯤에 세워 놓은 다음 꼬마전구를 막대 가까이 이동시켜 보자. 반대로 막대와 떨어진 곳으로 옮겨 보자.

결과

① 널빤지는 그림자를 드리운다. 이와 같이 햇빛이 곧게 나아가다가 어떤 물체에 막혀 더 이상 나아가지 못하면 어둡게 되는데, 이 부분이 햇빛을 막은 물체의 그림자이다. ② 그림자의 크기는 광원의 위치에 따라 달라질 수도 있다. ③ 그림자의 크기는 물체의 그림자가 생기는 곳에 따라서도 달라질 수 있다.

돋보기로 햇빛 모으기

밝은 부분이 최소일때, 빛이 한점으로 모이는 초점이 종이위에 있는 것이다. 초점을 지나가면 물체에서 나온 빛은 뒤집힌다. 돋보기로 햇빛을 모아 보는 실험을 해보자. 또 빛에 의한 밝기나 따뜻하기는 어떤지 알아본다.;준비물

돋보기, 흰 종이

실험관찰

햇빛이 쬐는 곳에서 돋보기로 흰 종이 위에 돋보기의 그림자를 비추어 보자. 빛이 모인 곳을 알 수 있는 위치에서 다음 사항을 살펴보자.① 그림자의 모양이나 그림자가 생긴 곳의 특징을 살펴보자.② 돋보기를 기울여 햇빛이 돋보기에 비스듬히 닿게 하면, 빛이 모인 부분은 어떻게 되는지 관찰해 보자.③ 흰 종이를 돋보기에 가까이 하거나 멀리 하면 빛이 모인 부분은 어떻게 되는가를 본다. 이 때 돋보기와 종이 사이의 거리도 알아보자.

결과

① 어두운 둥근 그림자 속에 밝은 부분이 생긴다. 이 밝은 부분이 햇빛이 모인 곳이다.② 돋보기와 종이를 나란하게 하여 햇빛을 수직으로 닿게 하면, 밝은 부분은 둥글게 비친다. 돋보기나 종이를 기울이면 밝은 부분의 모양은 비뚤어진다.③ 돋보기의 크기에 따라 다르기는 하지만 보통 돋보기와 종이 사이가 9cm쯤일 때 밝은 부분이 가장 작고, 7cm, 3cm로 가까이 해 가면 밝은 부분은 점차 커진다. 또 15cm·20cm로 멀리 해도 밝은 부분은 커진다. 그러나 밝은 부분이 커질 때, 그 밝기는 줄어든다. 30cm쯤으로 떼면, 둥근 어두운 그림자 둘레에 조금 밝은 부분이 고리 같은 모양으로 비친다.

빛의 반사 실험

거울면으로 들어오는 빛을 입사 광선, 들어온 빛이 거울면에 닿아 반사되어 나가는 빛을 반사 광선, 거울면에 대하여 그은 법선과 입사 광선이 이루는 각을 입사각, 거울면에 대하여 그은 법선과 반사 광선이 이루는 각을 반사각이라고 한다. 입사각과 반사각은 항상 같다. 빛은 잔잔한 호수면, 매끈한 금속 표면, 거울 등에 닿으면 반사한다. 빛이 반사할 때 빛이 비치는 방향과 반사되어 나가는 방향에 어떤 규칙이 있는지 알아본다.

준비물

손전등, 각도기, 직육면체 어항, 거울, 향, 셀로판 테이프, 유리판, 성냥 등을 준비한다.

실험관찰

빈 어항 바닥에 거울을 놓고 어항 뒤쪽에 각도기를 붙인다. 빛이 잘 보이도록 어항 속에 향을 피워 놓고 유리판으로 덮는다.① 빛을 거울에 비스듬히 비추어 광선이 거울에 들어가는 각도와 반사하는 각도를 살펴보자.② 빛을 거울 바로 위에서 비출 때는 어떻게 비추는지 관찰해 본다.

결과

① 빛을 비스듬히 비출 경우 거울을 향해 들어가는 광선이 거울과 이루는 각도는 반사한 광선이 거울과 이루는 각도와 동일하다.② 빛을 거울을 향향 수직으로 비추면 빛은 수직으로 반사하여 들어온 광선과 같은 수직으로 나아간다.

빛의 굴절 실험

물 속을 비스듬히 통과하는 빛은 굴절 현상을 일으킨다. 물속에서 굴절현상을 일으키는 빛의 특성을 알아본다.;준비물

손전등, 물을 반쯤 채운 수조

실험관찰

① 물이 든 수조 속에 손을 수직으로 넣었을 때 일어나는 현상과 그 원인을 알아보자.② 손전등을 수면에 비스듬히 한 번 비추어 보고, 수직으로도 한 번 비추어 본 다음 어떤 현상이 일어나는지 살펴보자.

결과

① 물 속의 손은 실제보다 더 커 보이는데 이것은 물 속의 손에서 나온 빛이 물과 수조면을 통과하면서 꺾이기 때문이다. 이때 물과 둥근 수조의 면이 볼록렌즈와 같은 구실을 하게 된다.② 비스듬히 비출 때 빛은 수면에서 먼 쪽으로 꺾여 들어가고, 수직으로 비출 때 빛은 꺾이지 않고 물 속으로 곧게 들어간다. 이처럼 빛이 다른 물질을 통과할 때 굴절하는 것은 물질에 따라 빛이 그 물질을 지나가는 빠르기가 다르기 때문이다.

굴절의 법칙

(스넬의 법칙) 네덜란드의 수학자 스넬은 빛의 굴절 법칙을 발견했다. 즉 입사 광선과 두 물질의 경계면에 대한 법선이 이루는 각을 입사각, 굴절되어 들어가는 각과 법선이 이루는 각을 굴절각이라고 한다. 굴절의 각도는 입사각과 굴절각 사이의 관계비로 알아볼 수 있다.

볼록렌즈와 오목렌즈 실험

①렌즈를 통과하는 빛은 렌즈의 두꺼운 쪽으로 꺾여 나아가며, 렌즈의 가장자리와 가운데 부분의 두께의 차이가 클수록 빛이 꺾이는 각도도 커진다. 즉 오목렌즈는 바깥, 볼록은 안쪽이다. 볼록렌즈와 오목렌즈에 각각 빛을 투과시켜 보면 어떤 현상이 일어나는지 살펴보자.

준비물

얇은 볼록렌즈 1개, 두꺼운 볼록렌즈 1개, 얇은 오목렌즈 1개, 두꺼운 오목렌즈 1개, 손전등

실험관찰

① 두 개의 볼록렌즈에 손전등을 비추어 보자.② 두 개의 오목렌즈에 손전등을 비추어 보자.

결과

① 렌즈의 가운데 부분이 두꺼우므로 빛을 한 점으로 모으는 성질이 있다. 렌즈의 가운데를 통과하는 빛은 곧게 나아가고 양끝을 통과하는 빛은 렌즈의 중심 쪽으로 꺾여 한 점으로 모인다. 또 가장자리와 가운데 부분의 렌즈의 두께 차이가 클수록 빛이 꺾이는 각이 커져 빛이 모이는 점이 렌즈와 가까워진다.② 렌즈의 가장자리 부분이 두꺼우므로 빛을 흩어지게 하는 성질이 있다. 렌즈의 가운데를 통과하는 빛은 곧게 나아가고 양끝을 통과하는 빛은 렌즈의 바깥쪽으로 꺾여 빛이 넓게 퍼진다.③ 가장자리와 가운데 부분의 렌즈의 두께 차이가 클수록 빛이 꺾이는 각이 커진다.

볼록렌즈를 지나는 빛

돋보기는 볼록렌즈의 하나인데 볼록렌즈를 지난 빛은 어떻게 나아갈까? 또, 볼록렌즈의 두께가 다르면 빛의 진행 방향은 어떻게 바뀌는지 볼록렌즈를 써서 조사해 본다.

준비물

슬릿, 볼록렌즈(얇은 것과 두꺼운 것), 자

====실험관찰===- ① 얇은 볼록렌즈를 평행 광선에 직각으로 놓자.② 얇은 볼록렌즈를 평행 광선에 비스듬히 놓아 보자.③ 두꺼운 볼록렌즈를 평행 광선에 직각으로 놓아 보자.④ 두꺼운 볼록렌즈를 평행 광선에 비스듬히 놓아 보자. 이때 빛은 각각 어떻게 나아가는지 관찰해 본다.

결과

렌즈를 지난 빛은 렌즈의 중심을 지나는 선 위의 한 점을 향하여 나아간다. 렌즈에서 빛이 모이는 점까지의 거리는 두께가 두꺼울수록 짧다. 이것은 두께가 두꺼운 렌즈를 지나는 빛은 크게 굴절하고, 두께가 얇은 렌즈를 지나는 빛은 작게 굴절하기 때문이다. 빛을 비스듬히 비출 때, 빛은 중심 축에서 벗어난 한 점에 모이듯이 나아간다. 렌즈에서 빛이 모이는 점까지의 거리는 두께가 얇은 쪽이 길고, 두꺼운 쪽이 짧다. 렌즈의 중심을 지나고 렌즈에 수직인 선을 렌즈축이라 한다. 축에 나란한 빛이 렌즈를 지나 축과 만나는 점을 초점이라 하며, 렌즈의 중심에서 초점까지의 거리를 초점 거리라 한다. 초점 거리는 렌즈의 크기나 두께에 따라 결정된다.

오목렌즈를 지나는 빛

오목렌즈를 지난 빛은 어떻게 나아갈까? 또, 오목렌즈의 두께가 다르면 빛의 진행 방향은 어떻게 바뀌는지 오목렌즈를 써서 조사해 본다. 여기서 두께는 오목한 정도이다.

준비물

슬릿, 오목렌즈(얇은 것과 두꺼운 것), 자

실험관찰

① 얇은 오목렌즈를 평행 광선에 직각으로 놓자.② 얇은 오목렌즈를 평행 광선에 비스듬히 놓아 보자.③ 두꺼운 오목렌즈를 평행 광선에 직각으로 놓아 보자.④ 두꺼운 오목렌즈를 평행 광선에 비스듬히 놓아 보자. 이때 빛은 각각 어떻게 나아가는지 관찰해 본다.

결과

렌즈를 지난 빛은 렌즈의 중심을 지나는 선 위의 한 점에서 뻗어나가는 것처럼 퍼져 나아간다. 렌즈에서 빛이 모이는 점까지의 거리는 두께가 두꺼울수록 짧다. 이것은 두께가 두꺼운 렌즈를 지나는 빛은 크게 굴절하고, 두께가 얇은 렌즈를 지나는 빛은 작게 굴절하기 때문이다. 빛을 비스듬히 비출 때, 빛은 중심 축에서 벗어난 한 점에서 퍼져나가듯이 나아간다. 렌즈에서 빛이 퍼져나가는 가상의 점까지의 거리는 두께가 얇은 쪽이 길고, 두꺼운 쪽이 짧다. 렌즈의 중심을 지나고 렌즈에 수직인 선을 렌즈축이라 한다. 축에 나란한 빛이 렌즈를 지나 축과 만나는 점을 초점이라 하며, 렌즈의 중심에서 초점까지의 거리를 초점 거리라 한다. 초점 거리는 렌즈의 크기나 두께에 따라 결정된다.

유리 속을 통과하는 빛의 굴절

빛은 공기 속에서 물 속으로 들어갈 때 굴절한다. 그러면 빛이 공기 속에서 유리 속으로 통과할 때도 굴절이 일어나는지 조사해 보자. 또, 빛이 유리 속을 통과하여 다시 공기 속으로 나올 때는 어떻게 진행하는지 알아본다.

준비물

전등, 양면이 평행한 두꺼운 유리, 각도기

실험관찰

① 빛을 유리 면에 대하여 여러 각도로 비추어 보고 빛은 어떻게 나아가는지 진행 방향의 각도를 살펴보자.② 유리 속을 통과한 빛은 다시 공기 속으로 나아가는데 유리속의 진행 방향과 공기 속으로 나아갈 때의 진행 방향을 알아보자. 유리 속에서 공기 속으로 나온 빛의 진행 방향은 처음 유리 속으로 들어간 빛의 진행 방향과 어떤 관계가 있는지 알아본다.

결과

① 수직으로 들어간 빛은 굴절하지 않고 직진한다.② 빛이 공기 속에서 유리 속으로 들어갈 때는 경계면과 먼 쪽으로 굴절하고, 유리 속에서 공기 속으로 나아갈 때는 가까운 쪽으로 굴절한다. 유리 속을 통과한 빛의 진행 방향은 처음의 방향과 평행이다.

반원 수조를 통과하는 빛의 굴절

물 속을 비스듬히 통과하는 빛에서 입사각이 커지면 전반사가 일어난다. 물속에서 굴절현상을 일으키는 빛의 특성과 빛의 전반사를 알아본다.

준비물

레이저 포인터, 옆면에 각도기가 달린 아크릴 반원통 수조

실험관찰

① 물이 든 수조 밑으로 레이저를 쏘아 각도를 바꿔가며 굴절해 나오는 빛의 경로를 관찰하자.② 각을 바꾸면 물 밑에서 입사하는 각과 공기중으로 나오는각, 물로 다시 반사되는 각을 관찰하자.

결과

① 물속의 빛은 굴절해 나온다.② 입사각이 커지면 반사하는 빛이 늘어나고, 굴절각이 90도가 된 이후부터는 모두 아래로 다시 반사한다.

빛의 분산 실험

프리즘을 지난 햇빛이 다양한 색깔로 분산되어 나타나는 것은 색깔의 각기 다른 굴절률 때문이다. 빛의 굴절 각도는 빨간색이 가장 작고, 보라색이 가장 크다. 햇빛을 프리즘에 통과시키면 무지개처럼 다양한 색으로 분산된다. 이처럼 빛이 분산되는 원인을 알아보자.

준비물

프리즘, 슬릿, 볼록렌즈, 흰 종이, 온도계

실험관찰

① 프리즘을 창가에 놓아 햇빛이 프리즘을 통과하여 흰 종이에 비춰지도록 한 다음 어떤 순서로 빛이 나타나는지 알아보자.② 프리즘을 180°로 돌리면 어떤 현상이 일어나는지 살펴보자.③ 프리즘을 통과한 빛의 굴절률과 색띠의 상관 관계를 조사해 보자.

결과

① 흰 종이 위에 나타난 색깔은 빨강, 주황, 노랑, 녹색, 파랑, 남색, 보라색이다. ② 프리즘을 180°로 돌리면 나타나는 색깔의 순서도 거꾸로 바뀐다.③ 햇빛 속에는 여러 가지 색깔의 빛이 포함되어 있는데, 각각의 빛은 색깔에 따라 굴절률에 차이가 있다. 예를 들어 프리즘을 통과한 빛 가운데 가장 두꺼운 쪽으로 나온 빛은 보라색이고 가장 얇은 쪽으로 나온 빛은 빨간색이다.