이 실험에서 알아볼 내용

법선을 기준으로 각을 읽고, 임계각 바로 아래·같은 값·바로 위에서 달라지는 빛의 경로를 비교하세요.

교과와 단원

물리학 개념 · 빛의 굴절 · 확장 탐구. 공개 참고 자료의 원리를 바탕으로 만든 학습 모형입니다.

탐구 질문과 해설

1. 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 갈 때, 임계각의 아래·같음·위는 어떻게 다를까요?

임계각보다 작으면 굴절광이 매질 2로 진행합니다. 같으면 굴절각이 90°가 되는 경계 조건이며, 그림의 굴절 방향은 경계면을 따릅니다. 더 크면 전반사하여 매질 2 내부로 진행하는 굴절광이 없습니다.

2. 두 매질의 굴절률이 같으면 방향이 꺾이거나 전반사가 일어날까요?

스넬 법칙에서 굴절각이 입사각과 같아 같은 방향으로 진행합니다. 이 모형의 굴절률이 같은 두 매질 사이에는 경계 반사도 없으며 임계각이 정의되지 않습니다. 입사각만 크게 한다고 전반사가 일어나는 것은 아닙니다.

모형의 가정과 실제 현상과의 차이

균일하고 빛을 흡수하지 않는 보통의 투명 매질 두 개가 평평한 경계에서 만난다고 가정합니다. 모든 각은 경계면에 수직인 법선에서 잽니다. 스넬 법칙 n₁sinθ₁=n₂sinθ₂와 반사각=입사각을 사용합니다. n₁>n₂일 때 임계각 θc=arcsin(n₂/n₁)가 존재하며, 입사각이 임계각보다 클 때 전반사가 일어납니다. 정확히 임계각에서는 굴절각 90°의 경계 조건으로 별도 표시합니다. 이때 경계면을 따르는 선은 극한 방향의 표현이며 매질 2 내부로 진행하는 통과 광선은 아닙니다. 굴절률이 같으면 경계 반사를 표시하지 않습니다. 설정한 굴절률은 하나의 진동수를 가진 빛에 대한 값입니다. 매질이 바뀌어도 진동수는 같고 속력과 파장은 굴절률에 따라 달라집니다. 편광, 실제 반사율·투과율, 분산과 거친 표면의 효과는 계산하지 않습니다. 광선의 색과 굵기는 경로를 구분하기 위한 표시로 빛의 실제 세기를 나타내지 않습니다. 전반사는 굴절에서 이어지는 확장 탐구로 구성했습니다.

참고 자료

• OpenStax · 스넬 법칙과 굴절 ↗
• OpenStax · 임계각과 전반사 ↗