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탐구 주제 : 망원경은 원리와 구조로 되어있는 것일까?
탐구하게 된 동기 : 얼마 전 집에 있는 망원경으로 남산타워를 본 적이 있었다. 우리 집과 그 곳의 거리가 먼데도 불구하고 남산타워가 또렷이 잘 보였다. 순간 나는 그 남산타워를 보게 해준 망원경이 어떤 원리와 구조로 되어 있는지 궁금하여 이번 기회에 망원경을 주제로 탐구를 하게 되었다.
탐구를 통하여 알아보고 싶은 점 :
① 망원경은 어떤 원리로 먼 곳의 사물이 가깝게 보이는 걸까?
② 망원경의 구조는 어떻게 되어 있을까?
③ 망원경의 종류는 어떤 것들이 있을까?
탐구 실행 방법
▷탐구 실행 절차 : 첫째 날은 망원경의 원리를 살펴보았다. 그리고 마지막 날은 구조와 종류에 대해 알아보았다.
▷탐구 기간 : 8월 22일 - 8월 23일까지
▷탐구 대상 : 망원경
▷탐구 방법 : 인터넷이나 책들을 통하여서
탐구 내용 :
① 망원경의 원리
1. 망원경의 원리(갈릴레오식 망원경)
볼록 렌즈에는 가까이 있는 물체를 확대하는 기능과 먼 거리에 있는 물체나 풍경을 그대로 축소하여 상을 맺는 두 가지 기능이 있다. 그러나 확대경은 아주 가까이 있는 물체만을 확대할 수 있을 뿐 멀리 있는 물체는 확대할 수 없다. 그럼 멀리 있는 물체를 확대해서 보려면 어떻게 하면 될까? 그것은 볼록 렌즈의??결상 기능??과??확대기능??을 이용하면 아주 간단하다. 먼저 볼록 렌즈(대물렌즈)의 결상 기능을 이용하여 상을 만들고, 이것을 확대경(접안렌즈)으로 확대해서 보면 된다. 이렇게 하면 멀리 있는 물체를 맨눈으로 보는 것보다 훨씬 크게 볼 수 있다. 이것이 망원경의 가장 간단한 원리이다. 대물렌즈의 초점거리가 길면 맺히는 상의 크기도 커지는데 그만큼 배율도 높아진다. 또한 접안렌즈의 확대율이 클수록(초점 길이가 짧을수록) 배율이 높아진다.
② 망원경의 구조
대물렌즈 - 굴절 망원경의 앞쪽 끝에 달려 있는 대물렌즈는 일종의 볼록 렌즈이다. 볼록 렌즈로는 햇빛을 모아 종이를 태울 수도 있고 물건을 확대…(생략)
해서 볼 수도 있다. 돋보기 안경도 볼록 렌즈이다. 또한 멀리 있는 풍경을 가까이 보이도록 상을 맺어 주기도 하여 카메라 렌즈로도 사용한다. 망원경에서는 볼록 렌즈의 이런 기능을 모두 이용한다. 망원경의 대물렌즈에는 렌즈 두 장이 접착되어 있다. 요즘의 거의 모든 망원경은 여러 수차를 줄이기 위해 이처럼 두 장 이상의 렌즈로 만들고 있다. 대물렌즈는 렌즈를 어떻게 구성하느냐에 따라 여러 가지로 구분되는데 수정렌즈와 형석 렌즈, 초저 분산렌즈로 구분이 된다.
반사경 - 반사경은 반사 망원경에서 대물렌즈와 똑같은 역할을 한다. 반사경은 반사효과를 크게 하기 위해 오목하게 깎은 유리 표면에 알루미늄으로 코팅하여 만든 거울이다. 반사경은 표면의 곡률에 따라 평평하면 `평면경`, 오목하면`오목 면경`, 볼록하면 `볼록 면경`이라고 한다.
두 가지 모두 물체의 바른 영상을 얻기에는 적당하지 않으나 한 장의 평면거울과 달라서 작은 평면거울을 여러 가지 각도로 세워 놓은 것과 같은 기능을 갖는 것으로서 특수한 목적에 사용되고 있다.
예를 들면, 평면거울보다 훨씬 넓은 범위를 바라볼 수 있게 한 백미러의 볼록 거울이나, 빛을 한 곳으로 모으는 집광기(集光器)의 오목거울 등은 그 대표적인 예이며, 이 밖에 반사망원경이나 슈미트카메라 등, 정밀한 광학기계에도 널리 이용되고 있다.
장치대 - 장치대는 경통을 다리와 연결시켜주고 흔들리지 않게 경통을 고정시켜주어 안정감있게 관측할 수 있도록 도와준다. 배율이 10배만 넘어가도 장치대 없이는 망원경을 사용하기가 곤란하다. 망원경 시야 속의 풍경이나 별상이 심하게 흔들리기 때문이다. 장치대는 별을 따라 경통의 방향을 자유자재로 움직일 수 있도록 해주는 두 개의 회전축이 있다. 회전축을 어떻게 구성하느냐에 따라 경위대식과 적도의식으로 나눌 수 있다
다리 - 망원경에서 경통과 장치대를 튼튼하게 받쳐 주는 기둥 역할을 하는 것이 바로 `다리`이다. 다리가 흔들림이 없이 견고해야 망원경의 성능이 충분히 발휘된다. 모양에 따라 기둥형 다리와 삼각대, 고정형 다리로 나뉜다
접안렌즈 - 대물렌즈가 만들어 주는 별상을 확대하여 선명하게 볼 수 있도록 해준다. 종류로는 호이겐스식과 람스덴식, 케르너식, 올소스코픽식(아베식), 플뢰슬식, 네글러식 등이 있다.
탐색경 - 성운을 관측하려면 그 성운이 어디에 있는지 찾아서 망원경 시야 안으로 넣어야 하는데 망원경은 시야가 너무 좁아서(배율이 너무 높아서) 조그만 성운을 직접 찾기란 매우 어렵다. 그래서 시야가 넓은 저배율 망원경으로 그성운이 어디쯤에 박혀 있는지 찾아내야 하는데, 이런 일을 하는 저배율 망원경이 바로 탐색경이다.
기타부품 - 반사경집, 사경, 사경집, 접안부, 탐색경 지지대. 이슬 방지통, 경통 밴드, 적경축/적위축, 적경축 잠금 장치/적위축 잠금 장치, 균형추, 적위 미동 손잡이/적경 미동 손잡이, 적경 눈금고리/적위 눈금고리, 모터 구동장치, 조작기, 극축 망원경, 고저 미동나사/좌우 미동나사, 위도 눈금판, 보관 선반, 천정프리즘, 초점 확대기, 암시야 조명 장치/명시야 조명장치, 선 필터/문 필터, 태양 투영장치
③망원경의 종류에는 어떤 것들이 있나
<굴절 망원경>
빛을 굴절시켜서 한 점에 모으고, 상을 맺게 하는 볼록렌즈의 원리를 이용한망원경을 "굴절 망원경"이라고 한다. 굴절 망원경에는 갈릴레이시과 케플러식이 있는데, 일반적으로 굴절 망원경이라고 하면 케플러식을 말한다. 갈릴레이식은 현재 거의 사용하지 않는다. (갈릴레이식, 케플러식)
<반사 망원경>
굴절 망원경이 빛의 굴절 성질을 이용하는 것이므로 반사 망원경은 당연히 빛의 반사 성질을 이용하는 것이다. 오목하게 파인 반사경은 대물렌즈와 똑같이 상을 맺는 결상 기능과 확대 기능을 모두 갖고 있다. 그래서 반사 망원경은 입사한 빛을 `오목 반사경`으로 반사시켜서 빛을 모으고 상을 맺게 한후 접안렌즈로 그 상을 확대해서 보여 준다.
일반적으로 반사 망원경에는 두 개의 반사경이 사용되는데 그 각각을 `주경`,`부경`이라고 부른다. 주경은 굴절 망원경에서 대물렌즈와 같은 역할을 하고, 부경은 주경이 모아 주는 빛의 진행 방향을 바꾸어 주는 역할을 한다.(뉴턴식, 세그레인식)
<반사 굴절망원경>
반사굴절 망원경은 반사식과 굴절식의 장점을 살려서 만든 것으로 `특수 광학계`라고도 한다. 일반적으로 반사 굴절식 망원겨은 반사 망원경의 원리를기본적으로 이용하고 여기에 덧붙여, 수차를 없애기 위해 굴절 망원경의 원리를 응용한 망원경이다. 이 광학계는 지금까지의 망원경 중에서 성능이 가장 뛰어나고 종류도 매우 많다. 그 중에서도 `슈미트 광학계`와 `막스토프 광학계`가 가장 많이 사용되고 있다.
(슈미트 카메라, 슈미트 카세그레인식, 막스토프식)
탐구를 통하여 알게 된 점과 느낀 점 : 평소 망원경의 원리가 궁금했었는데 알게 되어서 기분이 뿌듯하다. 하지만 자료가 많이 있지 않고 망원경의 원리 같은 경우에도 요즘에는 거의 사용하지 않는 갈릴레오식을 알아낸 것이 별로 좋지 않다. 하지만 거의 같은 원리라고 생각한다. 망원경이라고 해서 그다지 종류가 많지도 않고 간단한 사물인줄 알았는데 그것이 아니었다. 생각보다 많은 물품들이 이 망원경에 들어가고 광학의 기초이론도 이 망원경에 들어가 있다는 것을 알고 참 신기했다. 광학이라는 것은 참 신기한 것 같다. 별 것 아닌 것 같아도 이렇게 훌륭한 일을 하다니 말이다. 기회가 된다면 천체망원경을 구입해서 별들을 보고 싶다.
망원경의 구조와 원리, 종류를 알게 되어서 기쁘고 특히 망원경의 원리는 앞으로 더 알아내고 싶다. 갈릴레오식이 아니라 요즘에 많이 사용하고 있는 식으로 말이다.
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