전반사

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목차

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1. 1.전반사
2. 2.전반사 현상 관찰
   1. 2.11. 탐구
   2. 2.22. 결과 및 정리
3. 3.빛의 전반사와 광섬유

전반사

빛이 그림 Ⅲ-56과 같이 물에서 공기로 진행할 때에는 굴절각이 입사각보다 더 크다. 이는 빛의 속력이 물속에서보다 공기 속에서 더 빠르기 때문에 나타나는 현상이다. 입사각을 점점 더 크게 하면 굴절각도 점점 더 커지다가 굴절각이 90˚가 되는 순간이 나타난다. 이보다 입사각을 더 크게 하면 물에서 공기로 빠져나가는 빛이 사라지면서 입사한 빛이 모두 반사하게 된다. 이러한 현상을 전반사라고 한다.
다음 탐구에서 전반사 현상이 발생하기 위한 조건에 대하여 알아보자.

그림 Ⅲ-56 빛의 굴절

전반사 현상 관찰

1. 탐구

［준비물］ : 반원형 유리, 반원형 물통, 각도기 판, 광원

［과정］
(1) 각도기 판 위에 반원형 유리를 올려놓는다.
(2) 빛이 유리의 둥근 면에 입사하여 원의 중심을 지나도록 설치한다.
(3) 입사각을 0˚에서부터 점점 크게 하며 반사된 빛의 밝기 변화를 관찰한다.
(4) 굴절각이 90˚가 되는 순간의 입사각을 측정한다.
(5) 과정 (4)의 입사각보다 큰 각도로 빛을 입사시킨 후 유리의 평평한 면을 빠져나가는 빛이 있는지 관찰한다.
(6) 반원형 유리 대신 물을 채운 반원형 물통을 이용하여 과정 (1)~(5)를 반복한다.

전반사 현상 관찰

2. 결과 및 정리

(1)과정 (3)에서 반사된 빛의 밝기는 어떻게 변하는가?

입사각의 크기가 커질수록 반사된 빛은 점점 밝아진다.

(2) 전반사가 일어나는 순간의 입사각은 물과 유리 중 어디에서 더 큰가?

입사각은 물에서 더 크다.

빛의 전반사와 광섬유

그림 Ⅲ-57과 같이 빛이 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 진행할 때, 특정한 입사각에서 굴절각이 90˚가 된다. 이때의 입사각을 임계각이라고 한다. 전반사 현상은 빛이 임계각보다 큰 각도로 입사할 때 발생한다. 임계각은 두 매질의 굴절률에 의하여 결정되는데, 그 값은 다음과 같다.

여기서 i_c는 임계각, n₁은 빛의 속력이 빠른 매질의 굴절률, n₂는 빛의 속력이 느린 매질의 굴절률이다.

그림 Ⅲ-57 빛의 전반사

표 Ⅲ-3 여러 가지 물질의 굴절률

빛이 반사와 굴절을 하면 반사광과 굴절광의 세기는 모두 입사광보다 약해진다. 하지만 전반사를 하는 경우에는 입사광과 반사광의 세기가 같기 때문에 빛을 멀리까지 보낼 수 있다. 광통신에서는 빛을 이용하여 정보를 주고받으므로, 전반사 현상이 발생하는 광섬유를 사용하면 빛 정보를 멀리까지 보낼 수 있다.
광섬유는 빛을 전송시킬 수 있는 섬유 모양의 관으로, 여러 가닥을 묶어서 케이블로 만든 것을 광케이블이라고 한다. 광섬유 속에서 나타나는 빛의 전반사 성질을 이용하면 대용량의 정보를 신속하게 전달하는 광통신이 가능하다.
광섬유는 주로 유리로 만들어지며, 그림 Ⅲ-58과 같이 중앙의 코어라고 하는 부분을 클래딩이라고 하는 부분이 감싸고 있는 이중 원기둥 모양을 하고 있다. 광섬유에서 빛은 코어 속을 진행하다가 코어와 클래딩의 경계에서 전반사하여 다시 코어 속으로 진행한다.

그림 Ⅲ-57 광섬유의 구조

광케이블

굴절률

▶ 굴절률 : 매질의 특성으로, 진공에서의 빛의 속력에 대한 매질에서의 빛의 속력 비 를 의미한다(n: 굴절률, c: 진공에서의 빛의 속력, v: 매질에서의 빛의 속력). 파동이 굴절할 때 입사각, 굴절각, 파동의 속력, 굴절률 사이의 관계는 이다.

*코어(core): 광섬유의 중심에 있는 원통 모양의 투명한 유리이며, 굴절률이 클래딩보다 크다.
*클래딩(cladding) : 코어를 감싸고 있는 원통 모양의 투명한 유리이다.

관련문제

난이도 중 01.그림은 반원형 유리의 중심에 빛을 입사시킨 후 빛이 유리에서 공기로 빠져나갈 때의 입사각, 굴절각 및 임계각을 측정하는 실험을 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 〈보기〉에서 있는 대로 고른 것은?

ㄱ. 빛이 공기에서 유리로 입사할 때는 굴절하지 않는다.
ㄴ. 임계각은 그림의 입사각보다 크다.
ㄷ. 임계각보다 작은 입사각에서는 반사광이 없다.

1. 1. ㄱ
   
2. 2. ㄴ
   
3. 3. ㄱ, ㄴ
   
4. 4. ㄱ, ㄷ
   
5. 5. ㄴ, ㄷ
   

정답 및 해설

정답

3

해설

유리의 중심을 향해 공기에서 유리로 입사하는 경우 입사각은 0˚이다. 그림에서 굴절광이 있으므로 임계각은 그림의 입사각보다 크다. 반사광은 입사각에 관계없이 항상 존재한다.

난이도 중 02.그림은 세 빛 A, B, C가 물에서 공기로 진행할 때 굴절과 반사하는 모습을 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 〈보기〉에서 있는 대로 고른 것은?(단, 물에서 공기로 입사하기 전 세 빛의 세기는 모두 같다.)

ㄱ. 반사된 빛의 세기는 A가 B보다 세다.
ㄴ. 물에서 빛의 속력은 공기에서보다 빠르다.
ㄷ. 빛 C의 입사각은 임계각보다 크다.

1. 1. ㄴ
   
2. 2. ㄷ
   
3. 3. ㄱ, ㄴ
   
4. 4. ㄱ, ㄷ
   
5. 5. ㄴ, ㄷ
   

정답 및 해설

정답

2

해설

전반사가 일어나기 전에 입사각이 커질수록 반사광의 세기는 세진다. 전반사는 빛이 속력이 느린 매질에서 빠른 매질로 진행하고, 다른 매질의 경계면에서 입사각이 임계각보다 클 때 일어난다.

난이도 상 03.전반사가 일어날 조건으로 옳은 것을 고르시오.

*빛이 굴절률이 (큰, 작은) 매질에서 굴절률이 (큰, 작은) 매질로 진행할 때만 발생한다.
*빛의 입사각이 임계각보다 (커야, 작아야) 한다.

정답 및 해설

정답

큰, 작은, 커야

각주

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