연세대학교 물리학실험실(Yonsei Phylab)

2-8. 빛의 굴절 및 편광실험

(Last Updated 2009/11/24)

1. 실험목적

빛의 성질인 직진성과 반사의 법칙을 확인하고 횡파이며 전자기파이기 때문에 생기는 빛의 편광현상을 관찰한다.

2. 원 리

A. 빛의 직진성과 반사의 법칙

규칙적인 반사는 거울과 같은 평면에 입사될때 일어나고, 반사후 빛의 방향은 입사광선의 방향에의해 결정된다. 반사후 광선의 진행방향은 다음과 같이 반사의 법칙에 의해 결정된다.

[그림1] 페르마의 원리

"규칙반사가 일어날때"

① 입사각과 반사각은 같고,
② 반사광선은 입사면 내에있다.

여기서 입사면이란 입사광선과 거울의 법선으로 이루어지는 평면을 말한다.

반사의 법칙은 다음과 같은 페르마의 원리에 의해 설명된다.

'빛이 한점에서 다른점으로 전파되어가는 경로는 걸리는 시간이 최소가되는 경로이다.'

B. 빛의 굴절과 전반사

(1) 빛의 반사와 굴절

빛이 두 매질의 경계면을 통과할때 직진하지 않고 꺽어지는 현상을 굴절이라 한다. 빛의 굴절 역시 페르마의 원리에 의해 설명될 수 있는데 [그림1]과 같이 빛은 최소시간 경로로 전파된다.

[그림2] 빛의 반사와 굴절

굴절후 광선의 방향은 굴절의 법칙(또는 스넬의 법칙)에 의해 결정되는데 수식적 표현은 다음과 같다.
n = sini/sinr = v₁/v₂ = n₂/n₁ = sinΘ_c
여기서 n:매질의 상대굴절률, i:입사각, r:굴절각, v₁,v₂는 각각 매질Ⅰ,Ⅱ에서의 빛의속도, n₁,n₂는 각 매질에서의 굴절률, Θ_c는 전반사 조건의 임계각이다.

매질의 굴절률은 n₁=c/v₁ 즉, 진공속에서의 빛의속도와 그 매질 내에서의 빛의속도의 비이다. 공기중에서의 빛의 속도는 진공중에서의 속도와 거의 같기 때문에 대부분의 경우 공기의 굴절률을 1로 간주한다.

[그림3] 전반사와 임계각

(2) 빛의 전반사

[그림3]와 같이 빛이 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 진행할때 굴절각은 입사각보다 크다. 입사각을 증가시키면 어느 임계치에서는 굴절광선이 경계면을 따라 진행하게되고, 더욱 커지면 굴절광선이 없어지고 빛은 모두 전반사된다. 즉, 임계각이란 굴절각이 90°일때의 빛의 입사각을 말하며, 입사각이 임계각보다 크면 빛은 전반사하게 된다.

C. 빛의 편광과 편광각

[그림4] 빛의편광

(1) 빛의 편광

빛은 횡파로서 그 진동은 진행 방향과 수직이다. 보통의 빛은 진행방향과 수직인 평면 내에서 모든 방향으로 진동하고 있다. 이 빛이 편광판을 통과하면 편광판의 편광축에 평행으로 진동하는 빛만 통과시키고 나머지는 모두 흡수해서 빛은 직선편광된다. 일반적으로 편광되지 않은 빛이 두 매질의 경계면에서 반사될때 반사광선은 부분편광된다. 그러나 반사각과 굴절각이 수직을 이룰때 반사광은 완전편광된다. 이때의 입사각을 편광각이라한다.

3. 기구 및 장치

[그림5] 기구 및 장치도

(1) 광원(전구:12V,10W)
(2) 실험 받침대(70㎝ Optic Bench)
(3) 원형각도계(Rotating Ray Table), 각도계 받침대(Rotating Ray Table Base)
(4) 지지대(Component Holder) 4개, 회전지지대(Rotating Component Holder)1개
(5) 반원통형 렌즈(Cylinderical Lens)
(6) 스크린(Viewing Screen), 십자화살모양(Crossed Arrow Target)
(7) 슬릿(Slit), 슬릿 가리개(Slit Mask)
(8) 편광기(Polarizer)
(9) 만능거울(평,볼록,오목 포함된 거울: Universal Mirror)

4. 실험 방법

A. 빛의 직진성

[그림6] 빛의 직진성 장치도
(1) 실험실을 빛의 경로를 잘 볼수있을 정도로 충분한 암실을 만든다.

(2) [그림6]와 같이 광원을 한쪽 끝에 놓고, 슬릿(지지대에 부착), 원형각도계(경사진 부분이 앞쪽으로 향하도록 각도계받침대 위에 올려놓음), 스크린(회전지지대에 부착)의 순서로 실험장치를 꾸미고 광원을 켠다. 슬릿을 통하여 광로가 하나만 나타나도록 슬릿의 위치를 좌우로 잘 조정한다.(필요하다면 '슬릿매스크'를 슬릿 바로뒤에 사용해도 된다.)

(3) 각도판위의 광선이 원형각도계의 "0"위치에 오도록 각도계를 돌려 잘 조절하고 광로를 잘 관찰한다.

(4) 빛은 직진하는가? 슬릿 으로부터 멀어짐에 따라 광선의 폭과 선명도는 어떻게 변하는가?

B. 반사의 법칙

[그림7] 빛의 반사법칙 장치도
(1) 앞의 실험에서 회전지지대, 스크린을 떼어내고 [그림7]와 같이 만능거울을 원형각도계 위에 올려놓고 광원을 켠다. 여기서 입사하는 빛은 각도판 Normal"(0°) 이란 표시가 있는 굵은선에, 거울의 반사면은 "Component"란 표시가 있는 굵은선에 정확히 맞추어 지도록 한다.

(2) 이때의 입사각과 반사각은 무엇인가? 이때의 입사면은 무엇이며, 반사광선은 입사면내에 있는가?

(3) 각도판을 한쪽 방향으로 10°씩 돌려가며 입사각과 반사각을 기록한다. 각 경우의 입사면은 무엇이며, 반사광선은 입사면내에 있는가?

(4) 각도판을 반대 방향으로 10°씩 돌려가며 입사각과 반사각을 기록한다. 각 경우의 입사면은 무엇이며, 반사광선은 입사면내에 있는가?

C. 빛의 반사와 굴절

[그림8] 빛의 반사와 굴절

(1) [그림8]과 같이 각도판위에 반원통형 렌즈(Cylinderical Lens)를 올려놓고 광원을 켠다. 여기서 빛은 각도판의 "Normal"이란 표시가있는 굵은선에, 프리즘의 평면은 "Component"란 표시가 있는 굵은선에 정확히 맞춘다.

(2) 이때의 입사각과 굴절각은 무엇인가? 이때의 입사면은 무엇이며, 굴절광선은 입사면내에 있는가?

(3) 각도판을 한쪽 방향으로 10°씩 돌려가며 입사각과 굴절각을 기록한다. 각 경우의 입사면은 무엇이며, 굴절광선은 입사면내에 있는가?

(4) 각도판을 반대 방향으로 10°씩 돌려가며 입사각과 굴절각을 기록한다. 각 경우의 입사면은 무엇이며, 굴절광선은 입사면내에 있는가?

(5) 위의 데이타를 이용하여 반원통형 렌즈의 굴절률을 구할수있다. 굴절률은 얼마인가?

D. 빛의 전반사와 분산

[그림9] 빛의 전반사와 분산

(1) [그림9]과 같이 반원통형 렌즈와 회전지지대(Rotating Component Holder)를 각도판위에 올려놓고 광원을 켠다. 여기서 반원통형 렌즈를 놓는 방향이 앞의 (3)실험과 반대임에 유의하라.

(2) 각도판을 회전시켜가며 다음의 질문에 보고서를 작성한다.

㉠ 반원통형 렌즈의 어느면에서 반사가 일어나는가?
㉡ 모든 입사각에대해 반사광이 존재하는가?
㉢ 반사광선은 반사의 법칙을 잘 만족하는가?
㉣ 모든 입사각에 대하여 굴절광선이 존재하는가?

㉤ 입사광선이 변함에 따라 반사광선과 굴절광선의 강도는 어떻게 변하는가?
㉥ 빛이 저반사가 일어나는 임계각은 얼마인가?

(3) 임계각을 이용하여 반원통형 렌즈의 굴절률을 구할 수 있다. 이값은 앞의 실험(3)-⑤ 결과와 일치하는가?

(4) 천천히 입사각을 변화 시키면서 스크린에 굴절된 빛의 색을 관찰한다. 어느각에서 부터 색의 갈라짐이 보이는가? 어느 각도에서 색의 분산이 최대가 되는가? 굴절된 빛에는 어떤 색들이 보이는가?

E. 빛의 편광

[그림10] 반사에 의한 편광

(1) [그림10]과 같이 반원통형 렌즈와 회전지지대(Rotating Component Holder)를 각도판위에 올려놓고 편광판을 회전지지대에 붙인다음 광원을 켠다.

(2) 반사광과 굴절각이 90°를 이루도록 반원통형 렌즈를 "Component"부분에 고정 시키고 각도계를 천천히 돌린다. 반사광과 굴절각이 90°를 이룰때 편광각(=빛의 입사각)은 얼마인가?

(3) 회전지지대에 붙어있는 편광판을 회전시켜가며 반사광선을 관찰한다. 반사광은 완전편광 되었는가?

(4) 반사각과 굴절각의 합이 90°인 것과 스넬의 법칙을 이용하여 반원통형 렌즈의 굴절률을 구할 수 있다. 굴절률은 얼마이며 이 값은 앞의 실험결과와 일치 하는가?

[결과보고서]

1. 결과 및 토의

A. 빛의 직진성

     (1) 각도판위의 광선은 직진하는가?
     (2) 슬릿으로부터 멀어짐에 따라 광선의 폭과 선명도는 어떻게 변하는가?

B. 반사의 법칙

     (1) 입사각과 반사각을 정의하라.
     (2) 10°씩 돌려가며 입사각과 반사각을 기록한다. 각 경우의 입사면은 무엇이며, 반사광선은 입사면내에 있는가?

입사각(i)	10°	20°	30°	45°
반사각(r)

C. 빛의 반사와 굴절

(1) 굴절광선은 입사면내에 있는가?
(2) 각 경우의 입사면은 무엇이며, 굴절광선은 입사면내에 있는가?

입사각(i)	20°	30°	45°	60°
굴절각(r)
굴절율(n)

* 원통렌즈의 굴절률(평균) n= _______.
D. 빛의 전반사와 분산

(1) 다음의 물음에 답하라.

㉠ 원통렌즈의 어느면에서 반사가 일어나는가?
㉡ 모든 입사각에 대해 반사광이 존재하는가?
㉢ 반사광선은 매질내에서 반사의 법칙을 잘 만족하는가?
㉣ 모든 입사각에 대하여 굴절광선이 존재하는가?
㉤ 입사광선이 변함에 따라 반사광선과 굴절광선의 강도는 어떻게 변하는가? ㉥ 빛이 전반사가 일어나는 임계각(θ_c)은 얼마인가? 또, 이 값으로부터 원통렌즈의 굴절률 n = 1/ sinθ_c=_______, 이 값은 위의 결과와 일치하는가?

     (2) 천천히 입사각을 변화 시키면서 스크린에 굴절된 빛의 색을 관찰한다. 어느각에서 부터 색의 갈라짐이 보이는가? 어느 각도에서 색의 분산이 최대가 되는가? 굴절된 빛에는 어떤 색들이 보이는가?

E. 빛의 편광

     (1) 반사광과 굴절각이 90°를 이룰때 편광각(=빛의 입사각)은 얼마인가?
     (2) 반사광은 완전편광 되었는가? 어떻게 알

2. 참고문헌