// EXP.11 — REFLECTION & REFRACTION
REFLECT
REFRACT
빛은 경계에서
튕기고, 꺾이고, 갈라집니다.
서로 다른 두 물질이 만나는 경계에서는 반사와 굴절이 동시에 일어납니다. 입사각과 두 매질을 직접 바꿔가며 반사 법칙과 스넬 법칙을 확인하고, 굴절광선이 완전히 사라지는 전반사와 백색광이 무지개로 갈라지는 분산까지 관찰해보세요.
θ₁ = θ₁′ — 반사각은 입사각을 그대로 따라간다
빛이 서로 다른 두 물질의 경계에 닿으면 일부는 튕겨 나오고(반사), 일부는 경계를 넘어가며 방향이 꺾입니다(굴절). 둘 중 하나만 일어나는 게 아니라 언제나 함께입니다. 밤에 창밖을 볼 때 바깥 풍경과 내 얼굴이 겹쳐 보이는 것이 바로 이 두 가지를 동시에 보고 있는 것입니다.
법선을 기준으로 잰 입사각과 반사각은 언제나 같습니다. 입사각을 어떻게 바꿔도 두 각도가 똑같이 움직이는지 확인해보세요. 이것이 반사 법칙이고, 거울이 상을 만드는 원리입니다.
굴절률 n 은 빛이 진공에서보다 얼마나 느려지는지를 나타냅니다. n 이 클수록 빛이 느립니다. 파면 모드로 바꿔 보면 꺾이는 이유가 눈에 보입니다. 파면이 경계에 비스듬히 닿으면 한쪽 끝이 먼저 느려지고, 그래서 파면 전체가 방향을 틉니다.
n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂
이때 진동수는 변하지 않고 속력과 파장만 함께 줄어듭니다. 느린 물질로 들어가면 법선 쪽으로 꺾이고, 빠른 물질로 나가면 법선에서 멀어집니다.
빠른 물질 쪽으로 나갈 때(예: 물에서 공기로) 입사각을 키우면 굴절광선이 점점 경계면에 눕다가, 어느 각도에서 완전히 사라집니다. 그 각도가 임계각이고, 그보다 크면 빛이 하나도 넘어가지 못하고 전부 반사됩니다.
θc = sin⁻¹ (n₂ / n₁)
이것이 전반사이고, 광섬유가 빛을 멀리 보내는 원리입니다. 매질 1을 물, 매질 2를 공기로 놓고 입사각을 48도 근처에서 천천히 움직여보세요.
굴절률은 색깔마다 조금씩 다릅니다. 파장이 짧은 보라색이 가장 크고 파장이 긴 빨간색이 가장 작아서, 같은 각도로 들어가도 색마다 꺾이는 정도가 달라집니다. 광원을 백색광으로 바꾸면 굴절광선이 무지개로 갈라집니다.
실제 차이는 1도도 되지 않을 만큼 작습니다. 그래서 화면에서는 각도 차이를 과장해 그렸고, 얼마나 과장했는지 옆 패널에 적어두었습니다. 표에 나오는 숫자는 과장하지 않은 실제 값입니다.