YTN 사이언스 TV에서 방송된 전반사와 관련된 실험

2013년 3월 28일에 YTN사이언스 TV 방영된 스팀패트롤프로에서
빛과 관련된 실험을 촬영했습니다.

TV 방송에 소개 되었네요.

  

 

제가 찍고 싶었던 분광기만들기는 못하고
전반사에 대한 내용과 자외선 청사진만 촬영을 했네요

촬영에 앞서 전반사에 대한 실험은 기존실험에 한가지 더 추가해 보았습니다.
컵2개를 겹쳐서 안쪽에 있는 그림이 사라지게 하는 실험에서

바깥쪽 컵에 구멍을 뚫고 빨대를 붙여서 공기를 넣었다 뺐다 하면서 관찰할 수 있게 했습니다.

자세한 내용은 아래 동영상을 보시면 됩니다.

https://youtu.be/ZbpEjAiN8-s

5:17 초 원리를 설명한 부분을 좀 더 자세히 설명해 보겠습니다.

1. 수조 아래쪽에서 들어간 빛이 물을 지나고 공기층을 지날 때 입사각이 특정 각도보다 커지면 전반사가 일어 납니다. 그래서 특정각도 보다 큰 위치에서 보면 거울표면을 보는 것처럼 전반사 되어 나오는 빛을 보게 되는 거지요. 그럼 코팅지 안에 있는 그림이 보이지 않고 거울 표면 처럼 반짝이는 모습을 보게 됩니다. 

아래 사진은 전반사가 되는 각도에서 촬영해 보았습니다.

밑에 받치고 있는 손가락을 자세히 보면 컵 표면에서 거울처럼 반사되는 걸 볼 수 있습니다. 바깥쪽 컵 표면이 거울처럼 작용하기 때문에 손가락 방향도 보면 거울에 반사되는 것처럼 대칭되어 보입니다.

즉 컵 아래쪽에서 입사한 빛이 컵 표면에서 전반사 되어 눈으로 들어오는 거지요. 그래서 바깥쪽에서 반사되는 강한 빛을 보게 됩니다. (컵 표면이 거울처럼 반짝이는 원인을 생각해 봤습니다.)

(수조 아래쪽에 있는 광원에서 나온 빛은 왼쪽 면에서 전반사를 한 다음 위쪽으로 나옵니다. 따라서 수조 위쪽에서 보면 아래쪽에 있는 물체가 거울처럼 왼쪽면에 반사되어 보일 겁니다.)

하지만 전반사는 특정각도에서만 일어 납니다. 정면에서 보면  컵 안쪽에 그림을 볼 수 있습니다. 

2. 그리고 한가지 더  전반사와 굴절 때문에 음영지대가 일어나 생기는 현상입니다.(본다는 것에서 접근하면 이것이 주된 원인입니다.)

정면에서 컵 안쪽 그림을 볼 수 있다는 것은, 어째거나 컵 안쪽 그림에 빛이 도달한다는 것을 의미 합니다. 그럼 그림에 도달한 빛은  난반사가 일어나 사방으로 빛이 폭탄 터지듯 반사되어 나오게 됩니다. 그 빛 중에 일부가 우리 눈으로 들어오면 희미하지만 컵 안에 그림을 볼 수 있습니다.

(위에서 설명한 1번 바깥쪽에서 들어가서 전반사되어 거울처럼 보이는 것은 일단 생각하지 않겠습니다. 컵 안에서 나오는 빛만 생각하겠습니다.) 

정면이나 입사각이 특정각도 보다 작게 밖에서 들어간 빛은 안쪽 컵 그림에 도달하게 되고, 그림에서 반사되어 모든방향으로 나올 겁니다. 공기에서 물로 들어갈때는 전반사가 일어나지 않기 때문에 모든 각도에서 그림을 볼 수 있습니다.

만약 물속에 잠수해서 그림을 본다면 안쪽 컵에 그려진 그림을 어느각도에서 든지 모두 보게 될 겁니다.

중요한 것은 이 빛이 물을 통과해서 다시 공기로 나올때 생깁니다.

물에서 공기로 나올 때 특정각도보다 커지면 다시 전반사가 일어나 특정각도(임계각 이상)에서는 우리눈으로 빛이 도달하지 않습니다.

아래 컵 그림에 검은 부분을 확대해서 빛의 경로를 작도한 모습입니다. 안쪽 컵에 그려진 그림은 수조안 물 속이 아니라, 수조 밖에 공기에 있는 그림과 같지요.

(수조 왼쪽 바깥쪽에 있는 광원에서 나온 빛은 수조의 상단으로는 나오지 않습니다. 따라서 수조 상단에서는 수조 왼쪽 바깥쪽에 있는 물체를 볼 수 없습니다. 안쪽 플라스틱 컵에 그려진 그림은 위 작도처럼 수조 바깥쪽 공기층에서 들어오는 빛과 같습니다. 따라서 수조 위쪽에서는 보이지 않습니다. 참고로 수조 안에 잠수해서 본다면 모든 방향에서 볼 수 있습니다.)

그러면서 빛이 도달하지 않는일종의 음영지대가 생깁니다. (원리는 조금 다르지만 지구 내부 구조 알아 볼때 p파가 도달하지 않는 음영지대가 생기는 것과 비슷합니다.)

(본다는 것으로 생각해 보면 전반사 된 빛은 보이지 않습니다. 따라서 그림이 보이지 않는 이유는 굴절로 인해 음영대가 생겼기 때문이라고, 굴절로 설명하는 것이 더 정확한 표현일 수도 있겠네요. 하지만 전반사가 일어나지 않으면 음영대가 생기지 않기 때문에, 굴절과 전반사가 복합적으로 일어나는 현상이라고 생각합니다. )

만약 안쪽 컵 표면 그림 위치에서 점광원을 만들어서 불을 켜고 관찰해 보면, 빛이 어떻게 도달하는지 알 수 있습니다. 

아래 그림처럼 광원 반대쪽에서 보면 특정 각도 이상 위쪽으로는 빛이 나오지 않습니다. 따라서 관찰자 입장에서는 광원을 볼 수 없습니다.  따지고 보면 위쪽 작도 그림이랑 같습니다. 

물속에 광원을 넣기 힘드니까 물 대신 투명아크릴판을 이용해서 음영지대를 확인해 볼 수 있습니다.

추가로 수조 안쪽에서 빛이 나오면 모든 방향에서 볼 수 있습니다.

아래 컵 그림에 검은 부분을 확대해서 빛의 경로를 작도한 모습입니다. 바깥쪽 컵에 그려진 그림은 결국 물 속에 있는 그림과 같지요.

(바깥쪽 플라스틱 컵에 그린 그림은 수조 안쪽 광원에서 나오는 빛과 같은 경로를 따라 갑니다. 따라서 수조 위쪽 어디에서든 그림을 볼 수있게 됩니다. 단 입사각이 커질 수록 투과되는 빛이 줄어 들어 희미해 지고, 원래 위치보다 더 떠 보입니다. )

추가 : 컵 1개만 가지고도 쉽게 위 상황을 확인해 볼 수 있습니다.

컵을 수조처럼 생각하면 컵 안쪽벽에 손가락을 넣어 보고, 컵 바깥쪽에 손가락을 가져가 보면서 어떻게 보이는지 비교해 보면 됩니다. 위 시뮬레이션과 같은 결과가 나타납니다.

한가지 더. 

손가락에 물을 묻혀서 컵 바깥쪽에 대면 손가락과 컵 사이에 공기층이 사라지기 때문에 바깥쪽에 물이 묻은 손가락을 볼 수 있습니다. 아래 사진에서 손가락 왼쪽에 보면 바깥쪽에 붙여 놓은 스티커가 있는데 계속 보이는게 신기해서 추가 실험하다가 알아냈습니다. 바깥쪽에 있어도 손가락과 컵 사이에 공기층이 없으면 보이게 할 수 있습니다. 
 그래서 바깥쪽 컵과 안쪽 컵 사이에 물이 들어오게 해서 공기층을 사라지게 하면 안쪽 컵에 있는 그림도 볼 수 있게 됩니다. 

 

위 작도는 굴절률이 (1.5)인 유리를 가지고 한 작도입니다.

물의 굴절률(1.3)으로 하면 위쪽으로도 일부 빛이 나옵니다. 그래도 음영대가 생기기 때문에 수조의 위쪽 음영대 부근에서는 그림을 볼 수 없습니다. 

자세한 설명은 2015년 현장과학학회에서 발표했던 아래 내용을 참고하세요. 아래 내용 중 아래쪽에 추가실험 내용을 참고하시면 됩니다. 

http://sciencelove.com/2073

레이저없이 하는 굴절실험 - 2015 현장과학학회 발표자료

 

<참고문헌>

위에 그린 빛의 시뮬레이션은 아래 링크에 있는 프로그램을 사용하였습니다.

https://phydemo.app/ray-optics/ko/

광선 광학 시뮬레이션 - PhyDemo