빛의 굴절

빛의 굴절

 

■ 빛의 굴절

빛은 통과하는 매질이 바뀌면 속도도 변합니다. 빛은 진공 중에서는 초속 30만km의 속도로 진행하고 공기 중에서는 이보다 약간 낮은 속도로 진행하며, 물속에서는 약 3/4의 속도로 진행합니다. 유리 속에서는 이보다 속도가 더 느려집니다. 이렇게 매질마다 속도가 달라지는 이유는 빛이 매질 속을 지날 때 매질을 이루고 있는 분자와 상호 작용하며 지나가기 때문입니다. 이것은 다음과 같이 일렬로 늘어선 사람들과 악수를 하며 지나가는 상황에 비유할 수 있습니다.

▲ 분자와 상호 작용하는 빛(출처: 에듀넷)

이처럼 빛은 매질마다 다른 속도로 진행하기 때문에 빛이 한 매질에서 다른 매질로 비스듬하게 진행할 때는 그 경계면에서 진행 방향이 꺾이게 되는데 이러한 현상을 '굴절'이라고 합니다. 공기에서 물 또는 유리처럼 빛의 속력이 감소하는 매질로 들어갈 때는 입사각에 비해 굴절각이 작아지고 물 또는 유리에서 공기와 같이 속력이 증가하는 매질로 들어갈 때는 굴절각이 커지게 됩니다.

▲ 속력이 감소하는 매질로 들어갈 때와 속력이 증가하는 매질로 들어갈 때(출처: 에듀넷)

다음과 같이 해안가의 (가) 지점에서 (나) 지점까지 최대한 빨리 뛰어가는 경기를 한다고 생각해 봅시다. 만약 두 지점이 모두 땅 위에 있다면 두 지점 사이의 직선 거리를 선택하는 것이 가장 빠른 길일 것입니다. 그러나 두 지점 사이에는 바다가 놓여져 있습니다. 일반적으로 땅 위를 뛸 때가 물속을 뛸 때 보다 속도가 더 빠릅니다. 따라서 (가)에서 (나)까지 직선 경로(A)를 따라가는 것보다는 점선(B)으로 표시된 것처럼 땅 위에서 뛰는 거리를 조금 더 늘려 주면 물속에서 뛰는 거리가 줄어들게 되므로 더 빨리 (나) 지점에 도달할 수 있게 됩니다. 이 상황은 빛이 공기 중에서 물속으로 진행하는 경우에도 똑같이 적용됩니다.

▲A와 B중 누가 더 빠를까(출처: 에듀넷)

■ 물속에 있는 물체가 더 크게 보이는 이유

빛의 굴절 때문에 물체의 위치나 크기가 달라져 보이는 현상은 우리 생활 곳곳에서 발견할 수 있습니다. 물속에 손을 담그면 물속에 담그기 전보다 손의 크기가 커 보이는 현상을 관찰할 수 있습니다. 손이 물속에서 커 보이는 이유는 빛이 물에서 나와 공기로 이동하면서 굴절하기 때문입니다. 물속에 있는 물고기가 더 크게 보이는 것도 바로 이런 이유 때문입니다. 물고기에서 반사된 빛이 물속을 지나 공기 중으로 나올 때 빛이 굴절해서 오기 때문에 물고기가 수면 가까이로 당겨져 보이게 되어 고기가 더 커 보이게 되는 것이지요.

그런데 물총새는 물 위 상공에 머물러 있다가 총알처럼 날쌔게 물속으로 뛰어들어 먹이를 잡습니다. 사람의 눈은 170° 내외의 시각 범위를 가지고 있는데 비해 물총새는 320°가 넘는 시각 범위를 가지고 있습니다. 그렇기 때문에 물총새는 고공을 날다 물속의 고기를 발견하면 곧장 수직낙하를 합니다. 이때 물총새가 가진 넓은 범위의 시각은 수면으로 빠르게 접근했을 때 시야가 좁아지는 것을 막아 주고, 물속에 있는 사물을 볼 때 생기는 굴절의 효과도 줄여 주어 물고기를 쉽게 잡을 수 있도록 해 줍니다. 만약 물총새가 사람과 같은 시각 범위를 가지고 있어서 만약 물속을 45° 각도로 들여다본다면 물총새도 예외 없이 굴절의 효과로 인해 물고기를 놓치게 될 것입니다.

그렇다면 우리가 작살로 물고기를 잡을 때는 어떻게 해야 할까요? 빛이 물로 들어갈 때 굴절하기 때문에 물고기가 보이는 곳에 작살을 던지면 물고기가 맞지 않습니다. 눈에 보이는 위치보다 약간 ㅇ래로 던져야 물고기를 잡을 수 있습니다.

▲ 작살로 물고기를 잡을 때(출처: 에듀넷)

 

 

 

[자료출처: 에듀넷]