물리학실험 - 빛의 반사와 굴절

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물리학실험 - 빛의 반사와 굴절
■ 실험 목적
반사와 굴절의 법칙을 이해하고 굴절률을 계산한다.

■ 이론
빛은 한 매질에서 다른 매질로 들어갈 때 경계면에서 반사나 굴절이 일어난다. 경계면의 법선과 입사광선이 이루는 각도를 , 반사각을 , 굴절각을 로 하자(그림 3 참조). 그러면 호이겐스의 원리로부터 반사의 법칙과 굴절의 법칙이 얻어짐을 보일 수 있다.

▶ 반사의 법칙
반사각 은 입사각 와 같다. 이는 빛의 파장에 관계없이 성립할 뿐만 아니라, 두 매질이 어떤 매질이든지 항시 성립한다. 즉,
=
이 관계를 반사의 법칙이라 한다.

▶ 굴절의 법칙
진공 속에서 각을 이루며 매질 로 빛이 입사할 때 그 매질의 굴절률을 라 하면(그림 2 참조)
…①
로 식이 성립한다. 이것을 굴절의 법칙 또는 Snell의 법칙이라고 한다.
마찬가지로 진공 속에서 매질 b로 빛이 각 을 이루며 입사했을 경우에도 매질 b의 굴절률을 라고 하면
…②
이다(그림 3 참조).
따라서 ②/①을 하면 다음 식을 얻을 수 있다.
…③

③식으로부터 매질 a에서 매질 b로 빛이 입사하는 경우의 상대 굴절률 을 얻을 수 있다(그림 1 참조).

▶ 전반사
굴절률이 큰 물질에서 굴절률이 작은 매질로 빛이 입사하는 경우를 생각하자.=90 ̊(즉, )인 경우의 입사각 를 라고 쓰자(그림 4 참조). 이때의 입사각 을 임계각(critical angle) 이라 하고, 다음과 같은 관계식이 성립한다.

…④

입사각 가 임계각 이상이 되면 굴절광이 사라지고 전반사를 한다.(그림 5 참조)

■ 실험 기구 및 장치
인터페이스, 컨트롤 박스, 광학원판, 광원(레이저), 레이저받침, 반원형 렌즈(아크릴 프리즘), 모기향

■ 실험 순서

▶ 반사의 법칙
① 실험 기구들을 알맞게 연결한다. 이 때 주의해야 할 점이 앞에서 언급한 아크릴 프리즘을 중심에 놓는다는 것이다.
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