전남대 일반물리실험2 기하광학 결과보고서

문서 내 토픽

1. 스넬의 법칙과 굴절

빛이 투명한 매질에 각도를 이루며 입사하면 굴절된다. 스넬의 법칙(sin θ₁/sin θ₂ = n₂/n₁)은 굴절률이 낮은 물질에서 높은 물질로 진행할 때 경계면의 수직선 쪽으로 굴절하고, 반대의 경우 수직선에서 멀어지는 쪽으로 굴절한다. 실험에서 입사각 30도, 45도, 60도에서 측정한 결과 굴절률이 약 1.46~1.53 범위로 스넬의 법칙이 성립함을 확인했다.
2. 전반사 현상

빛이 굴절률이 큰 물질에서 작은 물질의 경계면으로 진행할 때, 입사각이 임계각보다 크면 빛이 경계면을 투과하지 못하고 모두 반사한다. 임계각은 sin θc = n₂/n₁로 계산되며, 실험에서 입사각 42도일 때 전반사가 발생하는 것을 관찰했다.
3. 렌즈 공식과 초점거리

얇은 렌즈 방정식(1/f = 1/s + 1/s')은 물체와 렌즈 사이의 거리, 렌즈와 상의 거리, 초점거리 사이의 관계를 나타낸다. 볼록렌즈의 초점거리는 양수(25cm), 오목렌즈는 음수(-25.5cm)로 표시된다. 두 렌즈 조합 실험에서 계산 결과와 실제 결과의 오차는 약 0.02로 근접했다.
4. 렌즈의 수차와 보정

렌즈의 중앙을 통과하는 빛과 외곽을 통과하는 빛의 굴절률 차이로 초점이 맞는 거리가 달라지는 현상이다. 수차를 줄이는 방법은 렌즈 가장자리를 차단하거나 두 개 이상의 렌즈를 조합하는 것이다. 고급 카메라는 수차 감소를 위해 여러 장의 렌즈를 사용한다.

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1. 스넬의 법칙과 굴절

스넬의 법칙은 광학의 기초를 이루는 중요한 원리로, 빛이 서로 다른 매질을 통과할 때의 굴절 현상을 정량적으로 설명합니다. 이 법칙은 n₁sin(θ₁) = n₂sin(θ₂)의 간단한 수식으로 표현되지만, 광학 기기 설계와 자연 현상 이해에 매우 실용적입니다. 무지개, 신기루, 광섬유 통신 등 다양한 현상의 원인을 설명하며, 현대 기술 발전에 필수적인 역할을 합니다. 다만 이 법칙은 기하광학 범위 내에서만 적용되며, 파동 광학 관점에서는 더 깊은 이해가 필요합니다.
2. 전반사 현상

전반사는 빛이 광학적으로 더 밀한 매질에서 덜 밀한 매질로 이동할 때 임계각 이상에서 발생하는 현상으로, 광학 기술에서 매우 중요합니다. 광섬유 통신, 프리즘 망원경, 광학 센서 등 현대 기술의 핵심 원리이며, 에너지 손실 없이 빛을 전달할 수 있다는 점에서 효율성이 뛰어납니다. 전반사의 임계각은 두 매질의 굴절률에만 의존하므로 예측 가능하고 제어하기 쉽습니다. 이 현상은 자연에서도 물 속 공기 거품의 반짝임 등으로 관찰되며, 광학 설계에서 필수적인 고려 사항입니다.
3. 렌즈 공식과 초점거리

렌즈 공식(1/f = 1/s + 1/s')은 렌즈의 기본 특성을 나타내는 핵심 방정식으로, 물체 거리, 상 거리, 초점거리 간의 관계를 정확히 설명합니다. 이 공식을 통해 카메라, 현미경, 망원경 등 광학 기기의 설계와 성능 예측이 가능합니다. 초점거리는 렌즈의 굴절력을 나타내는 가장 중요한 매개변수이며, 렌즈의 곡률과 재료의 굴절률로 결정됩니다. 다만 이 공식은 얇은 렌즈 근사 조건에서만 정확하며, 두꺼운 렌즈나 복잡한 광학계에서는 더 정교한 분석이 필요합니다.
4. 렌즈의 수차와 보정

렌즈의 수차는 이상적인 렌즈 공식으로부터의 편차로, 구면수차, 색수차, 코마수차, 비점수차 등 여러 종류가 있습니다. 이러한 수차들은 광학 이미지의 품질을 저하시키므로 고성능 광학 기기에서는 반드시 보정해야 합니다. 수차 보정은 여러 렌즈를 조합하거나 비구면 렌즈를 사용하여 달성되며, 현대 카메라와 망원경의 고해상도 성능은 정교한 수차 보정 기술의 결과입니다. 다만 완벽한 수차 제거는 불가능하므로 용도에 맞게 최적화된 타협점을 찾는 것이 실무적 접근입니다.