구술면접-최소시간의 원리

바쁠수록 돌아간다. - 빛과 파동(05학년도 건국대 수시 1학기 기출문항)

다음 제시문 (가)와 (나)를 읽고 물음에 답하시오.

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[제시문 (가)]

빛의 속도는 통과하는 물질에 따라 다르다. 예를 들어 유리나 물을 통과할 때 빛의 속도는 더 느리다. 물이 가득 찬 욕조에서 자신의 다리가 휘어 보이는 것을 본 적 있는가? 이러한 착시 현상은 빛이 물에 들어갈 때 속도가 감소하면서 공기 중과는 약간 다른 방향으로 바뀌어 통과하기 때문이다. 빛이 물에서 나와 공기 중으로 돌아갈 때 빛의 방향은 또 바뀐다. 이 같은 현상은 유리잔 속에 일부분이 담긴 연필에서도 관찰할 수 있다.

 

[제시문 (나)]

빛이 어떤 물체에 입사하면 그 물체를 통과하거나 또는 튕겨져 나오고 때로는 흡수된다. 또 이 모든 현상이 동시에 일어나기도 한다. 망원경, 카메라, 현미경 등 여러 광학기기의 원리를 이해하기 위해 빛의 경로가 물체를 통과하거나 튕겨 나오면서 어떻게 변하는지 정확히 알 필요가 있다. 광학의 원리 가운데 ‘최소 시간의 원리’가 있다. 이에 따르면 빛은 한 곳에서 다른 곳으로 전파될 때 최소 시간이 걸리는 경로를 택한다. 이를 이용하면 빛이 여러 가지 다른 물질을 지날 때 어떻게 경로를 바꾸는지 쉽게 이해할 수 있다.

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1) 제시문 (가)는 어떤 현상을 설명한 것인가?

 

2) 아래 그림처럼 빛이 공기 중의 P지점에서 물속의 Q지점으로 전파되는 경우를 생각하자.

 

 

 

 

 제시문 (나)에서 언급한 최소 시간의 원리에 따르면 다음 그림의 a, b, c중 어떤 경로를 택하겠는가? 또 그 이유는 무엇인가?

 

3) 파도가 하얗게 보이는 이유를 설명하시오. (2005년 서울대 수시 2학기 지역균형선발 조선해양공학) 

 

 

 

 

예시 답안

1) 제시문 (가)에서 설명하는 것은 빛의 굴절 현상입니다. 빛이 굴절하는 이유는 빛의 진동수는 변하지 않으나(진동수 불변의 법칙) 매질에 따라 속도가 달라지기 때문입니다. 따라서 빛은 매질에 따라 파장도 달라집니다. 

 

2) 문제의 그림에서 빛의 경로는 를 따릅니다. 왜냐하면 빛은 물보다 공기 중에서 더 빠르기 때문입니다. 빛이 P에서 Q로 전파하거나 Q에서 P로 전파할 때 속도가 빠른 공기 중에서는 이동거리가 길고 속도가 느린 물 속에서는 이동거리가 짧습니다. 이는 마치 해안가의 해상 구조요원이 물에 빠진 사람을 발견했을 때 택하는 경로와 같습니다. 구조 요원은 속도가 느린 물 속에서 수영하는 거리를 최소화하기 위해 백사장을 최대한 긴 거리로 빨리 달려 뛰어 듭니다.

 

그리고 P지점에서 볼 때 Q지점에 있는 물체가 실제보다 떠올라 보이는 이유는 물 속에서 공기 중으로 전파되는 빛이 굴절돼 시야로 들어 올 때 각도가 달라지기 때문입니다. 빛이 굴절하지 않는다면 Q에서 출발한 빛은 사람 눈에 직선으로 입사하겠지만 실제로 경로 c를 통해 입사하므로 우리의 대뇌는 물체가 더 얕은 곳에 있는 것처럼 인식합니다. 

 

3) 발광체인 사물이 하얗게 보이는 것은 여러 파장의 빛이 한꺼번에 복사돼 관찰자에게 보이기 때문이고 발광체가 아닌 사물이 하얗게 보이는 이유는 반사나 굴절을 통해 여러 색깔의 빛을 관찰자에게 보내기 때문입니다. 그러므로 발광체가 아닌 파도는 태양광선에 의해 반사되거나 굴절돼 우리 시야에 들어와 하얗게 보입니다. 특히 파도에 수많은 기포가 존재할 경우 빛이 공기와 물의 경계면에 입사하는 각도가 다양해 난반사가 더 잘 일어나 더욱 하얗게 보이는 것입니다. 투명한 비닐이나 포장용 랩 등을 구겼을 때 희게 보이는 것도 같은 이유입니다.