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[자연과학] 물리학 실험 - 빛의 반사와 굴절 법칙

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작성일18-03-02 23:41

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입사각이 이 임계각 (c보다 크면 굴절광선은 생기지 않는다.

♤ 실험 theory(이론) : 빛이 매질 (1)과 (2)를 분리하는 평면표면 AB에 도달하면 일부는 매질 (1)로 되돌아가고(반사), 나머지는 매질 (2)로 들어간다(굴절). 각 광선을 입사광선, 반사광선 및 굴절광선이라고 한다. 굴절은 파의 진행속도 차이 때문에 생기는데, 파동이 속도를 달리하는 매질 속으로 들어가면 진행방향이 변하게 된다된다. 이 현상을 전반사라고 말한다.


광선이 광학적으로 밀한 매질에서 소한 매질로 들어온다고 하자. `그림. 2`에서와 같이 입사각이 증가하면 굴절광선이 표면에 따라서 진행하게 되는 점 e에 도달하게 되고 그 때의 빛의 굴절각은 90(이다.
아크릴 반원의 각을 변화시키면서 반사광과 굴절광이 형성됨을 확인한다. 이때 그 반원의 중심이 회전판의 중심과 일치해야 함에 유의한다. 이는 호이겐스 원리에 의해 파면에서 생성된 구면파가 매질 속에서 속도가 달라져서 구면파들이 만드는 포락선의 방향이 꺾이기 때문이다 빛의 경우 기준속도 vo는 진공에서의 빛의 속도 c로서 매질의 굴절률은 1보다 큰 값을 가지고 있다아

아래 그림을 보자. 각 광선과 입사점에서 세운 수선과의 사이각을 각각 입사각(1, 반사각((1 및 굴절각 (2라고 하면 반사와 굴절에 관한 법칙은 다음과 같다.
설명

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실험결과/물리




[자연과학] 물리학 실험 - 빛의 반사와 굴절 법칙

♤ 실험 제목 : 빛의 반사와 굴절 법칙
♤ 실험 목적 : 광선을 추적하여 두 매질의 경계면에서 발생하는 반사와 굴절에 관계되는 기본 법칙들의 이해를 돕는다.
임계각은 굴절 법칙 식 (2)에서 굴절각 (2〓90°라고 놓음으로써 얻어진다.
실험 2 : 임계각 측정 실




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다.

(3)
아…(생략) 래 그림과 같이 두께가 a이고 양쪽면이 평행한 평면으로 한정된 매질 내를 빛이 통과할 때 나가는 광선의 방향이 입사광선의 방향과 평행하나 횡적으로 식 (4)와 같은 변위가 있게 된다된다.
시간에 대해 측정된 빛의 세기와 각도를 각도에 대한 세기의 그래프로 변환시킨다. 여기에서 n21은 매질 (1)에 대한 매질 (2)의 굴절률이다.
빛의 세기의 크기가 국소적으로 최대인 각도를 보고 반사각과 굴절각을 알아낸다.
위 4~7번 과정을 되풀이 한다. 아크릴의 평면(현)이 광원방향이 되도록 향하게 설치한다.
반사광선과 굴절광선은 입사광선과 입사점에서 세운 수선에 의해서 만들어지는 평면 내에 있다아
반사의 경우에는
((1〓(1 (반사의 법칙) (1)
굴절의 경우에는
(굴절의 법칙) (2)
이 성립한다.



♤ 실험 기구
-` 광원(Laser Diode) 1개, 광센서(Light Sensor) 1개, 회전모션센서(Rotary Motion Sensor) 2개, 광학받침대(1m) 1개, 회전판 및 회전 팔 1조, 아크릴 반원 1개, 직선변환대 1개, 렌즈 플랫폼 1개

♤ 실험 절차

(먼저,회전판의 회전 각도를 회전모션센서에서 측정할 때 회전판의 실제 회전각도와 회전모션센서의 기어비가 틀려 보정을 해주어야 하는데 측정치에 59~61를 나눠주면 된다된다.
반사각을 통해 반사의 법칙을 확인하고, 스넬의 법칙과 측정된 굴절각을 이용해 아크릴의 굴절률을 알아낸다.)

실험 1 : 평면판의 경우 광선의 경로 측정 실험.

`그림. 6`과 같이 광학 받침대에 광원을 설치하고 회전판에 반원 모양의 아크릴을 고정된 렌즈 스테이지에 놓는다.
Data Studio를 구동하여 광센서와 모션센서를 연결한다.
아크릴 반원의 현 부분을 입사광에 수직하도록, 즉 입사각이 0°가 되도록 초기 장치를 꾸민다. 이는 기기마다 틀리므로 회전판을 100° 회전시킨 후 Data Studio에 측정된 수치를 보고서 그 비율을 알아낸다.
Data Studio를 구동하고, 회전판을 돌려서 광센서와 회전모션센서로부터 반사각과 굴절각에 대한 빛의 세기와 회전각을 측정한다.

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