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1. 탐구 동기
방학동안 친구들과 모여 ‘할로우 맨’이라는 영화를 보게 되었다.
미국 정부에서 최고의 과학자들을 구성해 투명인간 실험에 대한 일급 비밀 프로젝트를 추진하던 중 과학자 한명이 실험 대상으로 올라 투명인간이 되면서 자기가 보이지 않자 처음에는 프로젝트가 성공 했다고 좋아하지만 나중엔 인간의 본성을 드러내며 나쁜짓을 하고 다니는 내용이다.
이 때 투명인간에 대한 궁금증이 생겼다. 그래서 투명인간이 어떻게 가능한지 집으로 돌아와 인터넷으로 찾아보았다.
투명 인간의 원리는 빛의 굴절을 이용한 것이다. 사람의 굴절률과 공기의 굴절률을 길게 하면 사람의 모습이 우리 눈에 보이지 않아 ??투명 인간??이 된다.
그러나 투명 인간의 원리에는 모순이 있다. 바로 ??눈??이다. 투명 인간이라도 사물을 보려면 눈이 있어야 한다. 즉 투명 인간의 눈에 사물의 모습이 굴절돼 맺혀야 물체를 볼 수 있는 것이다. 따라서 다른 부분은 모두 투명하더라도 눈은 불투명할 수밖에 없다. 만약 눈까지 투명하다면 그 사람은 눈이 없는 투명 인간임에 틀림없다.
그래서 나는 투명인간을 실험 할 수는 없으니까 빛의 굴절을 이용한 눈속임에 대한 실험을 하기로 했다.
2. 탐구내용
① 물에서 빛은 어떻게 굴절되는가?
빛의 굴절을 우리가 가장 가까이서 겪을 수 있는 것이 물에서의 굴절이다. 물을 담은 컵에 젖가락을 꽃아놓으면 젓가락이 휘어져 있는 것처럼 보이는것도 빛의 굴절 때문이다..
빛이 공기에서 물로 비스듬히 진행되면 물에서의 빛의 속도가 공기에서 보다 느리기 때문에 빛의 진행 경로는 법선 쪽으로 꺾이게 된다.
빛이 공기에서 물로 입사할 때의 굴절각은 항상 입사각 보다 작으며 두 물질의 경계면에서 빛의 경로가 굴절된다. 같은 물질의 경우 입사각이 달라지면 굴절각은 달라지지만 굴절률은 일정하다.
물 속에 있는 물체는 빛의 굴절에 의해 실제 깊이 보다 …(생략)
얕아 보인다. 이는 물 속의 물체에서 반사되어 나오는 빛이 수면에서 굴절되어 우리 눈에 들어오기 때문이다.
② 다이아몬드에서의 빛의 굴절
다이아몬드가 반짝이는 이유는 빛이 진행하다가 현재의 매질과 다른 매질로 들어 갈 때 굴절되는 현상 때문이다. 빛이 굴절된다는 것은 빛의 경로가 직선으로 나가다가 꺽이게 되는 것을 현상을 말한다.
물질에는 소한 매질(딱딱하지 않음)과 밀한 매질(딱딱함)이 있는데 빛이 이 두 물질간을 이동할 때는 그 진행속도에 차이가 생겨 굴절되는 것이다. 제 1매질이 진공일 때 제 2매질의 굴절률을 절대 굴절률(보통 말하는 굴절률이며 공기와의 굴절률도 마찬가지이다)이라 하고 굴절률진공이 아닌 매질사이의 굴절률을 상대 굴절률이라 한다. 또 빛의 색깔에 따라서도 굴절되는 정도가 틀리게 되는데 비온 뒤의 무지개가 나타나는 현상이나 다음과 같은 프리즘을 예로 들 수 있으며 파장이 짧을수록 굴절이 심하게 일어난다 볼록렌즈나 오목렌즈가 빛이 모이고 퍼지는 현상도 이러한 굴절의 법칙을 이용한 것을 알 수 있다.
굴절과 같은 성질로 전반사 현상이 있는데 빛이 밀한 매질에서 소한 매질로 들어갈 때 입사각의 변화에 따라 굴절각이 물질의 경계면을 지나치게 되어 밀한 매질로 반사하게 된다. 이러한 현상을 전반사라 하는데 밀한 정도가 더 할수록 작은 입사각에서 전반사가 일어난다. 즉 그림에서와 같이 다이아몬드에 입사된 빛은 전반사 현상이 심하게 일어나기 때문에 빛이 다이아몬드 안에서 빠져 나오지 못하고 전반사에 전반사를 거쳐서 조그만 양의 빛이 들어가더라도 반짝이게 되는 것이다.
③ ‘사라지는 카드 실험’
준비물: 카드2장, 노란색 셀로판지, 일반비닐, 투명한 컵 2개, 물
1. 카드 한 장은 셀로판지로, 다른 한 장은 일반 비닐로 싼다.
2. 물이 담긴 2개의 비커에 카드를 넣은 뒤 카드의 모습을 관찰한다.
*결과： 일반 비닐로 싼 카드는 잘 보이지만, 셀로판지로 싼 카드는 물 속에서 사라진 것처럼 보인다.
④ 왜 카드가 사라지는 것일까??
빛은 앞으로 나아가다 다른 물질을 만나면 꺾이는 성질이 있다. 이러 현상을 ??빛의 굴절??이라 한다. 물 잔 속에 쇠 젓가락을 넣으면 꺾여 보이는 것도 빛의 굴절 때문이다. 공기 중으로 나아가던 빛이 물을 만나 꺾인 것이다.
셀로판지는 물보다 굴절률이 크다. 빛이 2개의 물질 중 굴절률이 큰 물체에 닿게 되면 ??전반사??가 일어난다. ??전반사??란 특정 각도 이상이 되면 빛을 모두 반사시키는 현상을 말한다. 이 실험에서 셀로판지로 싼 카드가 보이지 않는 것은 전반사 현상 때문이다. 즉 빛을 모두 반사시키기 때문에 카드의 모습이 보이지 않게 되는 것이다.
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