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탐구보고서 : 빨간색 레이저가 제일 잘 보이는 색은?
1. 탐구주제
빨간색 레이저포인터가 제일 잘 보이는 색은?
2. 실험동기
예전에 학교 발표수업에서 사용했던 레이저 포인터를 며칠 전에 여기저기 비추며 가지고 놀다가 갑자기 이런 생각이 들었다. 빨간색 레이저포인터가 제일 잘 보이는 색은 무엇일까? 하는 궁금증에 과학탐구 실험주제로 정해보았다.
그리고 레이저포인터가 얼마나 멀리까지 뻗어나갈 수 있는지도 실험해 보았다.
3. 탐구를 통해 알고 싶은 점
- 레이저포인터의 원리는 무엇일까?
- 어떤 색깔에서 레이저포인터가 제일 잘 보일까?
- 어두운 곳에서도 같은 결과가 나올까?
- 레이저포인터는 얼마나 멀리 뻗어 나갈 수 있을까?
4. 준비물
?레이저포인터, 색종이, 고정테이프, 반사판, 줄자, 디지털카메라, 종이와 연필
5. 실험 방법 및 절차
① 한쪽 벽면에 색종이들을 고정 시킨다.
② 레이저 포인터를 각 색종이의 중앙에 비추어 본다.
③ 눈으로만 확인하지 않고, 사진을 찍어둔다.
④ 어두운 곳에서 같은 방법으로 실험한다.
⑤ 넓고 거리감이 있는 공간을 찾아 반사판을 만들고, 거리를 10걸음씩 늘려가며 늘어난 거리에서 레이저 포인트를 반사판에 비춘다.
6. 탐구결과 예상
- 같은 빨간색에서는 안보일 것 같다.
- 밝은 곳에서는 은박지가 빛을 반사해서 가장 잘 보일 것 같다.
- 어두운 곳에서는 검정색이 더 잘 보일 것 같다.
- 레이저는 빛이니까 100걸음까지는 희미하게 보일 것 같다.
7. 실험과정
① 한쪽 벽면에 색종이들을 테이프로 고정시킨다.
② 일정한 거리와 각도를 유지하며 레이저 포인터를 각 색종이의 중앙에 비춘다.
③ 좀 더 명확히 알아보기 위해 사진을 찍어둔다.
④ 불을 끄고 주위를 어둡게 한 다음 같은 방법으로 실험한다.
⑤ 색깔별 실험사진
<준비물> …(생략)
<색깔별 실험 과정>
⑥ 넓고 거리감이 있는 공간을 찾아 반사판(흰색종이)을 설치한다.
⑦ 거리를 10걸음씩 늘려가며, 늘어난 거리에서 레이저 포인트를 반사판에 비춘다.
⑧ 거리별 실험사진
밝은 곳에서는 반사판에서 포인터의
흔적을 찾기가 어려워 해가 저문
후에 실험했다.
※ 거리별 실험은 혼자하기엔 무리가 있어서 친구의 도움을 받았다.
※ 내 한 걸음의 보폭은 평균 70cm로 했다.
<거리 실험 준비>
8. 실험결과
① 색깔별 실험결과
<빨간색> <파란색>
<검정색> <흰색>
<노란색> <은박지>
가장 잘 보임
잘 보임
보통
안 보임
가장 안 보임
빨간색
?
파란색
?
검정색
?
흰색
?
노란색
?
은박지
?
※ 가장 잘 보이는 색은 빨간색, 가장 안 보이는 색은 검은색이었다.
② 어두운 곳에서 실험결과
<빨간색> <파란색>
<검정색> <흰색>
<노란색> <은박지>
가장 잘 보임
잘 보임
보통
안 보임
가장 안 보임
빨간색
?
파란색
?
검정색
?
흰색
?
노란색
?
은박지
?
※어두운 곳에서도 빨간색이 가장 잘 보이고 검정색이 가장 안 보였다.
③ 거리별 실험결과
<10걸음> <20걸음> <30걸음>
<40걸음> <50걸음> <60걸음>
※ 거리가 점점 멀어질수록 작고 또렷하던 포인터는 점점 흐려지고 커졌다.
※ 거리가 점점 멀어질수록 포인터를 반사판에 조준하기가 굉장히 어려웠다.
9. 탐구결과
색깔별 실험에서 뜻밖에도 빨간 색종이에서 가장 밝게 보였다.
내 생각으로는 같은 색이니까 레이저의 빨간색이 묻혀서 거의 안보일 것이라 예상했는데, 결과는 오히려 빨간색에서 가장 밝게 보였다.
잘 보이는 순서: 빨간색 > 노란색 > 은박지 > 흰색 > 파란색 > 검정색
어두운 곳에서의 실험에서도 역시 빨간 색종이에서 가장 밝게 보였다. 어두운 곳에서는 흰색이 노란색보다 더 밝게 보였고, 파란색과 검정색은 차이가 없어 보였다.
잘 보이는 순서: 빨간색 > 흰색 > 노란색 > 은박지 > 파란색 > 검정색
거리 실험의 결과는 점점 멀어질수록 초점이 흐려지고, 조준하기도 힘들어져서 50걸음에서 희미하게 관찰되고 그이후의 거리에서는 포인터의 흔적을 찾을 수 없었다. 포인터를 조준 가능한 거리를 계산해봤을 때,
50(걸음) X 70cm(한 걸음 평균길이) = 3500cm(약 35미터)
거리 실험은 굉장히 어려움이 많았다. 처음 생각엔 밝은 낮에 반사판을 설치하고 거리를 늘려가며 포인터를 비추면 비교가 될 것이라 생각했는데, 낮에는 거리가 멀어질수록 포인터의 흔적을 찾기도 어렵고, 포인터를 조준하기가 힘들었다. 물론 어두운 시간에도 거리가 멀어질수록 조준하기 힘들기 마찬가지였으나 반사판에 보이는 포인터의 흔적을 찾는 일은 저녁이 더 쉬웠다.
거리가 멀어지면서 포인터를 조준한 각이 조금만 틀어져도 반사판을 벗어나거나 초점이 맞질 않았기 때문이다.
10. 그 외 인터넷을 통해 알게된 점
★ 레이저 포인터의 원리는?
레이저 포인터의 중요 부품은 LD(LASER DIODE)와 LENS입니다.
나머지는 LD에 전원을 공급하거나, 스위치, 건전지 케이스 등등 입니다.
LD는 반도체입니다. LD에 전원을 인가하면, 기가 통하면, 전기가 빛에너지로 변환합니다. 그때의 색깔은 파장에 의해서 결정되고, 파장은 반도체의 구성을 어떻게 하느냐에 따라 달라집니다.
퍼져 나오는 빛을 직진하게 하기 위한 부품이 LENS입니다. 포인터 밖으로 나올 때 반도체의 매질 밀도 차이로 파장이 각기 다른 빛의 성분의 굴적 각이 틀리기 때문에 이를 보정해 주기 위해 사용하는 것으로 생각됩니다. 이 LENS는 CL이라고 부르는 것으로 CL의 초점거리에 LD CHIP이 오게 위치하면 평행빔이 나옵니다.
★ 레이저포인터는 대개 왜 빨간색일까요?
레이저는 어떤 물질의 에너지 상태를 이용하느냐에 따라서 파장 곧 색깔이 달라집니다. 현재 가장 쉽게 싸게 만들 수 있는 것은 헬륨네온 레이저로 이것은 빨강입니다. 이것은 연필 크기 정도로 싸게 만들 수 있습니다. 다른 물질을 쓰면 다른 빛깔의 빛이 나옵니다.
질화갈륨이라는 반도체를 이용하면 파랑을 낼 수 있습니다.
아르곤 레이저는 초록에서 파랑이 나오는데 이 장치는 아주 크며 값도 아주 비쌉니다.
그 밖에도 물질에 따라 어떤 여러 가지 색을 얻을 수 있습니다. 다만, 그런 장치는 크고 비싸서 가지고 다닐 수 없습니다.
※ 레이저광선과 빛의 차이
레이저광선은 보통 빛에 비하여 매우 순수하며 퍼지지 않고 곧바로 진행하는 빛이다. 물체를 태울 때 나는 빛이나 형광등에서 나오는 빛은 고온으로 가열된 원자나 분자 하나하나에서 자유로이 발생하는 빛이며, 이러한 빛은 같은 종류의 원자나 분자에서 나오는 빛이라도 무수히 다른 파장의 빛을 포함하고 있다. 그리고 개개의 원자나 분자에서 나오는 빛은 서로 관련성이 없는 여러 가지 빛의 모임이다.
그러나 레이저광선은 한 종류의 파장만을 가진 빛이며 위상(位相)이 고른 연속된 빛이다. 이 빛의 스펙트럼을 분광프리즘으로 조사해 보면 아주 가는 1개의 선스펙트럼이 된다. 즉, 레이저광선은 위상이 고른 단색광(單色光)이며 이런 빛을 코히어런트광 또는 코히어런트가 좋은 빛이라고 한다. 레이저광선을 렌즈로 집속하면 매우 작은 넓이(빛의 파장을 단위로 하여 측정할 수 있을 정도)로 집광할 수 있다.
이것에 비해 보통 빛은 렌즈로 집속해도 광원(光源)으로부터 나오는 빛의 진행방향이 여러 가지이므로 초점 근처에 광원의 상(像)이 나타나서 레이저광선과 같이 작은 넓이에 집광할 수 없다. 이 초점 근처에 나타나는 광원의 상을 아주 작게 하려면 광원을 렌즈로부터 무한히 먼 곳에 두거나 광원을 점으로 볼 수 있을 정도로 작게 해야 한다. 그러나 이렇게 하면 렌즈 초점에서의 광량(光量)은 아주 작아진다. 따라서 보통 빛에서는 아주 작은 점에 큰 광량을 모으는 것은 대단히 어렵다. 렌즈로 집광한 레이저광선의 초점면 상에서의 단위면적당 빛에너지는 대단히 크다.
예를 들면, 레이저광선의 순간출력이 10 kW인 루비레이저의 출력광을 렌즈로 집광하면 렌즈의 초점면에서의 빛에너지 밀도는 1011W/cm2 정도가 된다. 이것은 태양 표면의 에너지 밀도가 10 4W/cm2인 것과 비교하여 엄청나게 크다. 또 레이저광선은 나비가 좁은 선스펙트럼을 가지고 있고 사인파인 광파이므로 간섭현상이 일어나기 쉬운 성질을 가지고 있다.
간섭을 받기 쉬운 성질은 홀로그래피를 생각할 때 중요하다. 레이저광선의 특징은 ① 단색성이 뛰어나며, ② 위상이 고르고 간섭현상이 일어나기 쉬우며, ③ 퍼지지 않고 직진하며 집광성(集光性)이 좋고, ④ 에너지 밀도가 크다는 것이다.
http://100.naver.com/100.nhn?docid=725241
★ 일반 레이저 쇼에서는 어두운 곳에 쏜 레이저의 경로가 보이는데, 왜 레이저 포인터의 빛의 경로는 어두운 곳에서 보이지 않을까요?
어떤 물체가 보인다는 것은 빛이 물체에 반사되어 우리 눈의 신경을 자극한다는 것입니다. 즉, 우리 눈에 물체에 반사된 빛이 들어와야만 우리가 느낄 수 있는 것입니다.
우주가 검은 이유는 아시나요? 같은 원리인데 우주에 빛이 없어서 까만가요? 그렇지 않죠? 태양빛이 분명히 지구로 오고 있자나요.
우주가 검게 보이는 것은 빛이 없어서가 아니고, 빛을 반사할 그 무언가가 없기 때문이죠. 빛이 반사되어서 우리 눈에 들어와야만, 그때 우리는 거기에 무엇이 있는지 알게 되죠.
그러므로 레이저의 경우 직진의 성질을 가지고 있기 때문에 레이저가 스크린에 닿거나 그 직진하는 빛이 눈으로 직접 들어가지 않는 이상 절대 보이지 않습니다.
그러나 레이저쇼에서 그 경로가 보이는 이유는 공기 중의 먼지에 산란되는 빛이 보이기 때문입니다. 직진하는 빛이 먼지에 부딪히면서 반사되는 빛을 우리가 보는 것입니다. 다시 말해서 경로가 보인다는 것은 먼지들이 보인다는 말과 같습니다.
그럼 왜 레이저포인터에서 나오는 레이저의 경로는 보이지 않는가?
레이저 포인터에서 나오는 빛은 상대적으로 너무 약하기 때문입니다. 그래서 먼지에 반사되어도 우리 눈으로 들어오는 빛이 거의 없기 때문입니다.
11. 탐구를 통해 알게 된 점
이번 실험에서 뜻밖에도 빨간색 레이저포인터가 빨간색종이에서 가장 밝게 보였다. 내 생각으로는 같은 색이니까 레이저의 빨간색이 묻혀서 거의 안보일 것이라 예상했는데, 왜 이런 결과가 나왔는지 정말 궁금했다.
그래서 인터넷에서 여러 가지를 찾아볼 수 있었다. 어떤 물체의 색이 보인다는 것은 빛이 물체에 반사되어 우리 눈의 신경을 자극한다는 것이다. 즉, 우리 눈에 물체에 반사된 빛이 들어와야만 우리가 그 색을 인지하게 되는 것이다. 빨간색은 빨간빛을 반사하고 나머지 빛을 흡수하는 색이며, 파란색은 파란빛을 반사하고 나머지 빛을 흡수하는 색이라고 한다.
빨간색과 파란색과 초록색 등의 유채색은 "빛을 가장 많이 흡수한다 / 안한다" 의 차이가 아니라, "어떠한 색을 반사하고 나머지 빛을 흡수한다"는 차이가 있다고 한다.
그러므로 빨간빛을 내는 레이저 포인트가 빨간색종이에서 가장 잘 보이는 것이다.
12. 탐구를 마치며
바로 며칠 전에 내가 가지고 놀았던 책상위에서 굴러다니는 연필크기의 작은 레이저 포인터 하나에도 과학이 숨어있다는 걸 새삼스레 깨닫게 되었다.
레이저의 용도는 많은 곳에 쓰인다. 파괴나 절단을 하는가 하면, 환자를 치료하는 의료용으로도 쓰이고, 우리의 눈을 즐겁게 해주는 쇼도 연출한다. 그리고 지금 내가 가지고 있는 포인터처럼 교육을 위해서도 쓰인다.
방사능이 원자력발전소에서 누출되면 큰 해를 입지만 치료의 목적으로도 쓰이는 것처럼, 과학은 어떤 목적을 가지고 어떤 용도로 쓰느냐에 따라 흉기가 되기도 하고 편리한 도구가 되기도 한다.
13. 참고자료
백과사전
http://100.naver.com/100.nhn?docid=725241
http://100.naver.com/100.nhn?docid=725242
네이버 블로그 및 지식인
http://kin.naver.com/db/detail.php?d1id=11&dir_id=1102&eid=YSt2oIBdhbzbO8uWAwmP13t0I5/Gqid9
http://kin.naver.com/db/detail.php?d1id=11&dir_id=1102&eid=gkRiq7s80WD41FsbTAXYw6gyNmcyn5vH
http://kin.naver.com/db/detail.php?d1id=11&dir_id=110202&eid=Cp+mC8W6bpVrJPaGeE3sR2gPIfoLZ7z7
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