§1
실험 개요
빛이 매질 경계를 지날 때 진행 방향이 꺾이는 굴절은 파동이론과 페르마 원리의 직접적 결과다. 학부에서는 반원 글라스·물·플라스틱 블록 등에 광선을 입사시켜 입사각과 굴절각을 측정하고, sin θ₁ vs sin θ₂ 직선의 기울기에서 굴절률을 구한다.
§2
이론 배경
스넬의 법칙
n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂. 페르마의 최소시간 원리에서 유도. 굴절률 n = c/v.
임계각과 전반사
광학적으로 짙은 매질에서 옅은 매질로 진행할 때 sin θc = n₂/n₁. θ > θc에서 전반사 발생.
분산
굴절률은 파장의 함수: n(λ). 백색광이 프리즘에서 분산되는 이유. 정밀 측정에서는 단색 광원(나트륨 D선) 사용.
§3
실험 장치 및 시약
- — 광학 디스크 + 광원(레이저 또는 광선상자)
- — 반원형 유리·플라스틱 블록
- — 각도기 (0.5° 분해능)
§4
실험 절차
- 1.반원 블록의 평면을 디스크 중심에 정렬.
- 2.입사각을 10°, 20°, ..., 70°까지 변화시키며 굴절각 측정.
- 3.동일 절차를 다른 블록(물, 아크릴)에 적용.
- 4.내부에서 외부로 입사를 점차 키우며 임계각을 결정.
§5
데이터 처리
sin θ₁ vs sin θ₂ 그래프 직선 회귀, 기울기 = n. 임계각 측정값과 sin⁻¹(1/n) 비교.
§6
예비보고서 항목별 작성 팁
이론
스넬의 법칙 → 임계각 → 전반사 순서로 연결. 응용(광섬유)도 한 줄 언급.
§7
자주 하는 실수
- — 광선이 블록 곡면에 입사해 굴절이 두 번 일어나는 것 (반드시 평면에서 측정)
- — 각도를 법선이 아닌 표면에서 재는 것
- — 분산을 무시하고 백색광 한 가운데를 굴절각으로 잡는 것
§8
자주 묻는 질문
Q. 왜 sin θ₁ vs sin θ₂ 직선의 기울기가 굴절률인가요?
스넬의 법칙 n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂에서 n₁ = 1(공기)이라면 sin θ₁ = n₂ sin θ₂. 즉 sin θ₁이 종속변수, sin θ₂가 독립변수일 때 기울기가 정확히 n₂가 됩니다.
Q. 전반사는 왜 100% 반사인가요?
임계각을 넘으면 굴절각이 90°를 초과해야 하는데 이는 물리적으로 불가능합니다. 따라서 빛은 모두 매질 안쪽으로 반사됩니다. 거울은 흡수가 일부 있지만 전반사는 흡수도 없어 광섬유의 손실 없는 전송에 활용됩니다.
§9
참고 표준·문헌
본 가이드는 다음 표준·교과서·핸드북의 정의·식·표준 절차를 따라 작성되었습니다. 학교 양식과 표준 절차가 다를 경우 학교 양식을 우선합니다.
- [1]Hecht, E. — Optics, 5th ed., Pearson, 2017
- [2]Halliday, D., Resnick, R., Walker, J. — Fundamentals of Physics, 12th ed., Wiley, 2021