[물리실험2]기하광학 실험 예비레포트
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분야
hwp(1) 실험 목적
빛의 굴절과 반사를 이해하고 렌즈를 응용할 수 있다. 실험을 마치고 나면 조교가 내는 문제를 풀어 합격 판정을 받아야 한다.
(2) 실험 기구
기하광학실험 set(레이저 광선 상자, 다양한 렌즈들), 레이저 포인터 3개, 분무기, 일반 렌즈 1개
(3) 이론 및 예비 보고서
다음의 개념에 대해 이해하고 정리해온다.
굴절 법칙(스넬의 법칙), 전반사, 렌즈 공식
1. 굴절 법칙(스넬의 법칙)
파동이 흡수가 없는 등방성의 두 매질의 경계면에서 굴절할 때 입사 및 굴절파의 파면 법선의 방향에 관해서 성립하는 법칙이다. 그림에서 보듯이, 굴절률 n _{1`} ,n _{2}의 두 매질 ①, ②의 경계면상의 O점에 입사하는 빛의 방향을 AO, 굴절하는 빛의 방향을 OA´, 경계면이 법선을 HOH´라 했을 때, AO, HO를 포함하는 면(입사면)과 A´O, OH´를 포함하는 면(굴절면)은 일치하며, AO, AO´는 HOH´의 반대쪽에 있고, 또 ∠AOH(입사각i) 와 ∠A´OH´(굴절각r)의 사이에는 {sini} over {sinr} = {n _{2}} over {n _{1}}의 관계가 있고, 매질①에 대한 매질②의 상대 굴절률은 입사각 i에 관계없이 일정하다.
2. 전반사
빛이 굴절률이 큰 매질에서 굴절률이 작은 매질로 진행할 때 입사각이 임계각보다 클 경우 경계면에서 전부 반사되는 현상이다. 일반적으로 굴절률이 큰 매질에서 굴절률이 작은 매질로 진행하면 경계면에서 일부는 투과해 나가고 일부는 반사된다. 그러나 입사각을 점점 증가시키면 특정한 각 이상이 되었을 때 투과하는 빛은 전혀 없고 전부 경계면에서 반사한다. 이것을 전반사라고 하며, 이때의 입사각을 ‘임계각’이라고 한다. 아래 그림에서 A, B, C 광선의 경우 일부는 반사하고 일부는 투과해 나가지만 D의 경우에는 밖으로 투과해 나가는 광선이 전혀 없다. 이때의 입사각이 임계각이라고 할 수 있다.
3. 렌즈 공식
(1) 볼록 렌즈
빛의 굴절을 이용한 광학 장치로서, 볼록 렌즈와 오목 렌즈가 있다. 볼록 렌즈는 중앙 부분이 두꺼운 것을 말하며, 오목 렌즈는 중앙 부분이 얇고 가장자리가 두꺼운 렌즈를 말한다. 렌즈의 공식은 다음과 같다. 물체에서 렌즈까지의 거리를 a, 상에서 렌즈까지의 거리를 b, 초점 거리를 f라고 할 때 △ABO∽A′B′O이고 △O′OF′∽△AB′F′이므로 h : h′=a : b, h : h′=f : (b-f) 여기서 a, b, f 사이의 관계식을 구하면 {1} over {a} + {1} over {b} = {1} over {f} `,`m= {A`B`} over {AB} = {b} over {a}이와 같은 관계식은 얇은 렌즈의 공식이라고 하고 m을 배율이라고 한다. 실상인 경우 b > 0이고, 허상의 경우 b < 0이 된다. 렌즈의 공식을 사용할 때에는 4가지 사항을 주의해야한다.
① 렌즈가 볼록 렌즈이면 f는 양(+)으로 한다.