전반사 실험-사라지는 글씨

주변의 도구들을 이용하여 빛의 전반사와 관련한 다양한 현상들을 확인할 수 있다. 다음에서 제시하는 다양한 전반사 관련 실험들에 대해 각각의 현상이 일어나는 원리에 대해 알아보기로 하자.

전반사의 정의 : 아래 그림과 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.

활동 : 사라지는 글씨

1. 활동준비

A4용지, 유성펜(파란색, 붉은색), OHP필름, 코팅 필름, 코팅기, 사각수조, 물

2. 만들고 해보기 

가. 실험과정

1) A4 용지에 빨간색 유성 펜으로 글씨를 크게 쓴 후, 그 위에 용지와 같은 크기의 OHP 필름을 올려놓는다.

2) OHP 필름 위에 파란색 유성 펜으로 또 다른 글씨를 쓴다.

3) 종이와 필름을 겹친 상태로 코팅 용지 속에 넣고 코딩한다.

  * 코딩 기계가 없는 경우 접착식 OHP 필름을 이용하여 접착시킨다. 종이와 OHP 필름 사이에 물이 새어 들어가지 않도록 접착식 OHP 필름의 테두리를 여유 있게 남겨 A4 용지 뒤쪽까지 접착시키거나 투명테이프로 마감 처리한다.

4) 수조에 물을 채운 후 과정 3)의 코팅 용지를 수직으로 넣는다.

5) 수조 위 여러 각도에서 글씨를 관찰한다.

6) 빨간색 글씨와 파란색 글씨는 어떻게 보이는가?

  → OHP 필름에 쓴 파란색 글씨는 수면 위와 아래에서 모두 보이지만, A4 용지에 쓴 빨간색 글씨는 수면 위에서는 보이지 않고 수면 아래에서만 보인다.

나. 정리

위와 같은 현상이 읽어나는 까닭은 무엇인가? 

 파란색 글씨는 코팅 용지에서 물로 진행하면서 한번만 굴절하지만, 빨간색 글씨는 그 이전 OHP 필름에서 코팅 용지로 진행하는 과정에서 굴절하는 과정이 한 번 더 있다. 이런 이유로 물에서 공기로 진행하는 빛의 입사각은 빨간색 글씨가 파란색 글씨보다 더 크다. 이런 차이로 인하여 수면에서 파란색 글씨는 반사와 굴절을 모두 하는 반면에 빨간색 글씨는 반사만(전반사) 한다.