주제 : 물에서 빛의 굴절1. 빛의 굴절 : 빛이 진행하다가 다른 매질로 들어갈 때 그 경계면에서 진로가 꺾이는데 이러한 현상을 빛의 굴절이라 한다.▶ 굴절 현상은 서로 다른 매질 속에서의 빛의 속도가 다르기 때문에 나타난다.▷ 왜 서로 다른 매질 속에서 빛의 속도가 달라질까?빛은 원자 내부의 전자가 진동하여 발생되는 전자기파의 형태로 전달되는 에너지이다. 빛이 어떤 물질과 만나게 되면 물질 속의 어떤 전자는 진동하게 된다. 이런 방식으로 방출자의 진동이 수진자의 진동으로 전달되는 것이다.전자의 고유진동수는 전자가 원자나 분자에 구속된 정도에 달렸다. 원자나 분자마다 서로 다른 구속력을 지니고 있다. 한 원자가 얻는 에너지는 이웃해있는 원자에게 전달 될 수도 있고 다시 방출될 수도 있다. 주된 차이는 흡수되었다가 재방출될 때까지 약간 시간이 지연될 뿐이다.빛이 투명한 물질을 통과할 때 평균속도가 줄어드는 것은 이와 같은 지연시간 때문이다. 빛은 물질에 따라서 평균속도가 다르다.진공 속에서의 (우주공간이든 분자 사이의 공간이든) 빛의 평균 속도는 초속 300,000킬로미터이다. 우리는 빛의 평균속도를 c라고 부른다. 공기 중에서 빛은 이 속도 보다 약간 더 느린 속도를 지니지만 거의 c와 같다. 물속에서는 진공 속에서의 속도의 75% 즉 0.75c의 속도를 지닌다. 유리 속에서는 유리의 종류에 따라 다르겠지만 대략 0.67c의 속도를 지닌다. 다이아몬드에서는 진공에서의 속도의 절반도 안되는 0.41c의 속도를 지닌다. 빛이 이런 물질에서 다시 진공으로 나올 때 빛은 원래의 속도 c를 지니게 된다.■ 유리에 입사된 빛은 분자에 진동을 일으켜서 연속적으로 흡수와 재방출을 반복한다. 빛은 이런 식으로 물질을 통과하여 반대편으로 진행한다. 흡수와 재방출 사이의 시간지연으로 인해 빛은 유리에서 늦게 진행한다.2. 굴절의 법칙(스넬의 법칙)vvλλ빛이 굴절률 n1 인 매질1에서 굴절률 n2 인 매질2로 진행할 때 굴절각과 입사각의 사인값의 비는 항상 일정한데 이 값을 매질1에 대한 매질2의 굴절률이라고 합니다. 두 매질에 대하여 입사각이 어떠한 값을 갖더라도 sinθ/sinθ의 값은 항상 일정한 값을 나타내는데 이것이 바로 스넬의 법칙입니다.Snell's Law :==== n또는 n?sinθ= n?sinθ로 표시할 수 있습니다. 이것은 상대 굴절률이다.절대 굴절률은 빛이 진공 중에서 어느 매질 속으로 진행할 때 진공에 대한 굴절률을 그 매질의 절대 굴절률이라고 한다.(진공의 절대 굴절률을 1로λλ보고 공기의 절대 굴절률은 1보다 약간 크지만 무시하고 보통 1로 한다. 물의 굴절률 ≒, 유리의 굴절률 ≒)※ 빛의 진동수는 그 빛의 광원에 따라 서만 결정되고, 파장은 빛이 통과 하는 매질 속에서 빛의 속력에 따라 결정된다.제1매질에서 굴절률이 더 큰 제2매질을 지나는 빛의 파장(λ)은 제2매질에서 더 짧아진다. 왼쪽 그림에서 보는 것과 같이 파장이 짧아짐을 볼 수 있다.물 질굴절률물 질굴절률공 기1.00027(≒ 1)벤 젠1.50물1.333얼 음1.31에틸알코올1.36메틸알코올1.3294유 리1.5∼1.9석 영1.46다이아몬드2.42글리세린1.47설탕물(30%)1.38설탕물(80%)1.49※ 물질의 밀도가 크다고 굴절률도 큰 것은 아니다.(물은 알코올보다 밀도는 크지만 굴절률은 더 작다. 굴절률이 더 크면 광학적으로 밀하다고 한다.)3. 프리즘에 의한 빛의 굴절일반적으로 한 매질의 굴절률은 어느 정도 빛의 진동수에 따라 변한다. 즉 진동수가 크면 클수록 굴절률도 커진다. 한 진동수 이상의 진동수를 포함하는 빛은 굴절될 때 각 진동수에 해당하는 여러 개의 빛으로 분산된다.빛이 법선과 이루는 각인 i 와 r 은 각각 입사각과 굴절각을 나타낸다. n는 파장과 관련이 있기 때문에 입사되는 백색광은 굴절에 의해 각 색깔로 분리되며, 이 때 빨간색 선이 가장 적게 보라색 선이 가장 많이 굴절된다.※ 결과적으로 굴절률을 표시할 경우에는 사용한 광원의 진동수(또는 파장)와 기온-기압을 표시해주어야 정확한 굴절률을 나타내는 것이다.4. 전반사두 매질의 경계에서 빛이 굴절이 일어나죠. 그런데 밀한 매질(빛의 속도가 느린물질, 유리나 다이아몬드 같이 단단한 )에서 소한 매질로 빛이 달려 나갈 때 너무굴절이 심하게 일어나다가 보니까 뚫고 나가지를 못하고 도로 튕겨 반사하는 일이 생깁니다. 이런 현상을 전반사라고 합니다. 굴절이 하나도 없고 100 % 반사하므로 반사라고 하는 것이죠. 처음으로 전반사가 일어난 각도를 임계각이라고 합니다.임계각의 사인 값 = 1 / 굴절률빛이 굴절률이 큰 매질에서 그 보다 굴절률이 작은 매질로 입사하는 경우(n
파동의 반사와 굴절1. 파동의 표시가. 파 동 : 물질의 어느 한 곳에서 생긴 진동(흔들림)이 다른 곳으로 퍼져나가는 것을 파동이라고 한다.진동이 얼마나 자주 일어나는가는 진동수로 표현된다. 만일 1초에 한번 진동하면 진동수는 1초에 1진동이며, 1초에 2번 진동하면 1초에 2진동이라고 한다.고요한 수면에 손가락을 넣으면 물결이 일어나 퍼져 나가지만 종이배는 물결과 같이 이동하지 않고, 제자리에서 위아래로 출렁거린다.파동이 전파할 때 매질은 이동하지 않고, 단지 흔들림만 퍼져 나간다.? 파장(λ): 매질의 한점이 1회 진동하는 동안 파동이 진행한 거리? 진폭(A): 진동중심에서 마루나 골까지의 거리? 진동수(f): 단위시간동안 진동한 횟수? 주기(T): 한번 진동하는데 걸리는 시간진동수의 단위는 1886년에 라디오파를 증명해보인 Heinrich Hertz의 이름을 따서 헤르Wm(Hz)라고 한다. 1초에 1진동을 1Hz라고 하고, 1초에 2진동을 2Hz라고 한다. 큰 진동수는 KHz로 측정되고 더 큰 진동수는 MHz로 표현된다. AM 라디오파는 KHz로 방송되며, FM 라디오는 MHz로 방송된다. 예로서 AM 라디오 960KHz 방송국은 1초에 960,000번 진동하는 라디오파를 보낸다. 이러한 라디오파의 진동수는 라디오 방송국 송신탑의 안테나에서 전자들이 진동하는 횟수이다.진동수와 주기는 서로 역의 관계이다. 즉 진동수(f) = 1/주기(T)파장(λ)의 단위는 m이다. 주기(T)의 단위는 s(초)이다.같은 모양의 그래프라도 x축을 무엇으로 하느냐에 따라서 그 의미가 달라진다.그림(가)에서는 주기를 알 수 없고, 그림(나)에서는 파장을 알 수 없다.진폭은 원래 자리에서 가장 많이 벗어난 곳까지의 거리이므로 위의 마루와 골의 반이다. 마루에서 골까지는 진폭이라 하지 않고 파고라 한다.나. 파동운동 : 우리 주위의 대부분의 정보는 파동의 형태로 온다. 파동운동으로 두 점 사이에서 물질의 이동 없이 에너지를 파원으로부터 수신하는 곳까지 전달할 수 있다. 파동에서 물질동수(f)× 파장(λ)2. 파동의 종류 : 매질의 진동 방향에 따라 횡파와 종파로 나뉜다.가. 횡파 : 파동이 진행하는 방향과 매질이 진동하는 방향이 서로 수직인 파동예) 현(줄)의 진동, 전파, 빛, 지진파의 S파나. 종파 : 파동이 진행하는 방향과 매질이 진동하는 방향이 서로 나란한 파동예) 음파(소리), 초음파, 지진파의 P파3. 파동의 전달http://steacher.com.ne.kr/wp/main.html(인터넷 연결)가. 파동의 반사파동이 진행하다가 장애물을 만나 진행 방향이 바뀌어 되돌아가는 현상파동의 반사는 빛의 반사와 마찬가지로 입사각과 반사각이 같다.파동의 반사는 모든 종류의 파에서 나타난다.파동의 반사 현상의 이용 : 메아리, 해저 지형이나 물의 깊이 조사, 레이더에 의한 비행기 위치 조사, 초음파 진단장치, 속도 측정기? 소한 매질에서 밀한 매질로 이동할 때 변위가 반대가 된다. 즉, 파장이λ(180°)만큼 변한다. (고정단 반사)(A)(B)ex) 공기에서 물로 진행할 때,공기에서 유리로 진행도중 반사하는 경우? 밀한 매질에서 소한 매질로 이동할 때 그 경계면에서의 반사는 위상의 변화가 없다. (자유단반사)(C)(D)반사파의 경우 그림(A)는 고정단과 비슷하고, 그림(C)는 자유단과 유사하다.그림(c)와 그림(d)를 보면 투과할 때는 어떤 경우라도 위상의 변화가 없음을 알 수 있다. 굵은 줄로 들어가면 파장이 짧아져 속도가 늦어지고, 가는 줄로 들어간 경우는 파장이 길어져 속도가 빨라진다.투과할 때 파장의 길이가 변하지만, 줄의 진동수는 처음 줄을 흔들 때 결정된 대로 변화가 없다.파동에서 진동수는 반사나 굴절하여도 변하지 않는다. 이런 과정에서 변하는 것은 속도인데, 속도가 빨라지면 파장이 길어진 것이고, 속도가 늦어지면 파장이 짧아진 것이다.이것을 우리가 걸을 때와 비유하면, 진동수는 1초 동안에 발을 움직이는 횟수이고, 파장은 보폭과 비슷하다. 그래서 진동수가 같은데 파장이 길어지면 빨라지고, 진동수는 같은데 파장이 짧아지면 늦어진다 대해서도 성립하는 법칙이다.? 같은 평면 내에 있고, 입사각을 i, 굴절각을 r라고 하면 sin i/sinr=n(일정)이라는 관계가 성립한다.? 이 경우에 n을 입사쪽 매질에 대한 굴절쪽 매질의 굴절률이라고 한다.? 매질1에 대한 매질2의 굴절률====다. 파동의 회절파동이 진행하다가 장애물을 만나면 그 주위를 돌아서 진행하거나 좁은 틈을 통과한 파동이 넓게 퍼져 나가는 현상회절에 의한 현상 :건너편 벽에서 하는 말을 들을 수 있다.문틈으로 들어오는 소리를 들을 수 있다.회절은 파장이 길고 틈이 좁을수록 잘 일어난다.라. 파동의 간섭똑 같은 2개의 파동이 하나의 매질에서 전파되어 중첩(서로 겹쳐지는 현상)될 때 같은 위상으로 중첩되면 합성파의 변위가 커져서 강하게 나타나고, 서로 반대의 위상으로 중첩되면 파동이 상쇄되어 약하게 된다. 이와 같이, 똑같은 두 파동이 중첩되어 더욱 강해지거나 약해지는 현상을 파동의 간섭이라 한다.▣ 파동의 간섭조건? 보강간섭파동1 합쳐진 파동 파동2? 상쇄간섭파동1 합쳐진 파동 파동24. 파동의 전파가. 파면: 파동의 마루나 골을 연결한 선 또는 면. 즉, 매질의 위치나 운동 상태가 같은 점들을 연결한 선이나 면. 파동을 파면의 모양에 따라 원형파, 직선파, 구면파, 평면파 등으로 나누기도 한다.? 평면파 : 파면의 모양이 직선 또는 평면인 파동? 구면파 : 파면의 모양이 곡선이나 구면인 파동파원? 직선파는 한 방향으로만 전파되는 파동입니다.? 원형파는 사방으로 균일하게 퍼져 나가는 파동입니다.? 전달되는 에너지는 전파거리에 따라 점점 작아지게 되므로 진폭도 파원으로부터 거리가 멀수록 작게 됩니다.나. 호이겐스의 원리(파동 전파의 원리) : 파면위의 각 점이 새로운 파의 파원이 되며 이 파원에서 나온 2차적인 구면파에 공통으로 접하는 면이 다음 순간의 파면이 된다.- 파의 각 지점이 새로운 파원이 된다. -바다에서 파도가 밀려오는 것을 관찰해보면 파의 높은 부분, 즉 마루를 이루는 곡선이 그 형태를 조금씩 바꾸면서 움직이는 것을 1842년 오스트리아의 물리학자 크리스티안 요한 도플러가 처음으로 이 현상을 설명했다.▣ 도플러 효과의 예를 들면 다음과 같다.? 사람이 피리를 부는 곳으로 다가가고 있을 때는 피리 음이 높게 들리다가 그 장소를 지나쳐서 멀어지면 음의 높이가 낮아진다.? 지구에서 멀어져가는 별에서 나오는 빛은 스펙트럼의 적색(진동수가 작고 파장이 김) 쪽으로 이동하고 지구로 다가오는 별일 경우 스펙트럼에서 보라색(높은 진동수와 짧은 파장) 쪽으로 치우쳐 나타난다. 이런 효과를 이용해 별의 운동을 연구하거나 이중성(double star)을 찾아낼 수 있다. 또한 이 효과는 현대 우주이론의 중요한 요소이다.→ 적색이동▣ 스피드건의 원리는 무엇일까요?흔히 스피드 건이라고 불리는 속도 측정기는 경찰관이 자동차의 과속 여부를 측정하거나 야구 경기에서 투수가 던진 공의 속도를 측정할 때 사용합니다. 생긴 모양이 마치 권총과 비슷하다고 해서 총이라는 뜻의 Gun(건)을 이름에 붙였을 뿐입니다.스피드 건이 속도를 측정하는 원리는 도플러 효과를 이용한 것으로, 이러한 도플러 효과는 소리의 경우뿐만 아니라, 모든 파동 현상에서 관측할 수 있습니다.스피드 건은 이러한 도플러 효과를 이용하여 다가오는 차를 향하여 스피드 건에서 일정한 진동수의 초음파를 발사합니다. 그러면 초음파는 다가오는 차에 반사되어 다시 스피드 건으로 돌아옵니다. 이 때 반사되어 돌아온 초음파의 진동수는 도플러 효과에 의해서 처음에 발사했던 초음파의 진동수보다 높아지게 됩니다. 스피드 건은 바로 이 진동수의 변화량을 정확히 측정해서 속도를 계산하고 계기판에 표시하는 것입니다.5. 파동의 독립성두 파동이 서로 반대방향을 진행하다 중첩될 때, 겹치는 순간만 파형이 변하고 서로 지나치고 나면 원래의 모양을 그대로 유지하는 성질.참고문헌- 더불어 생각하는 과학교실http://my.dreamwiz.com/sunghundai/ms/chapter12/chapter12_title.htm- 수학 없는 물리. 폴 휴이트. 1994. 에드텍- 은 곳은 속도가 빠르고 얕은 곳은 속도가 느리다. 그래서 깊은 곳과 얕은 곳의 경계에서 파동이 굴절하게 된다.실험 : 물결파의 전달목 표 : 물결파 투영 장치로 물결파가 어떻게 진행하는가를 알 수 있다.준 비 : 물결파 투영 장치, 전등, 물, 긴 막대, 작은 나무 도막, 흰 종이과 정1. 물결파 투영 장치의 물결통에 아래 그림과 같이 물을정도 넣고 수평이 되게 하자.2. 물결통 위의 전등에 불을 밝히고, 아래의 흰 종이에 물결무늬가 잘 보이도록 조정하자.3. 물결통의 한 점을 가볍게 친 다음 물결파의 모습을 살펴보자. 또, 긴 막대로 물결파를 만들어 보자.결 과- 물결파의 모양은 어떠한가?설 명(한 점을 치면 원의 형태이며, 긴 막대로 치면 직선 모양의 파가 진행한다.)- 물결파의 무늬가 밝고 어둡게 보이는 이유는 무엇인가?설 명(물결파의 마루 부분에 비춰진 빛은 스크린에 모아져서 밝은 부분이 되고, 골 부분에 비춰진 빛은 흩어져서 어두운 부분이 된다.)4. 물결통에 작은 나무 도막을 놓은 다음 물결파가 진행하는 모습을 살펴보자.- 장애물 뒤에서도 물결이 생기는가?설 명(생긴다.)정 리1. 한 점에서 물결을 일으키면 어떤 모양의 물결파가 생기는가?설 명(그 점을 중심으로 원의 형태로 물결파가 퍼져 나간다.)2. 긴 막대로 물결을 일으키면 어떤 모양의 물결이 생기는가?설 명(직선 모양의 물결파가 전파된다.)3. 이 물결파는 장애물 뒤로도 전달되는가?설 명(전달된다.)탐구명물결파동의 반사와 굴절일시200 년 월 일 교시1학년 반 번 조 성명 : ( )탐구목표물결파의 반사와 굴절현상을 관찰 할 수 있다.준비물물결파 투영장치(넓은 사각 수조와 OHP), 유리판(사각,오목,볼록형), 파라핀 막대주의사항1. 물의 깊이가 일정하도록 수평을 유지해야 한다.2. 물의 양은 반사물체의 높이보다 충분히 낮아야 하고, 굴절실험은 플라스틱판보다 2-3mm 정도 높은 수면을 유지하도록 한다.3. 수조를 이용할 때는 주변에 스폰지를 넣어 반사파의 발생을 줄여야 관찰이 쉽다.4. 많은 .
디지털카메라의 원리1. 디지털카메라의 원리일반 35mm 카메라와 다른 점은 필름이 있어야 할 곳에 대신 CCD라는 반도체부품이 빛을 받아들인다. 디지털카메라의 핵심인 전하결합소자(CCD)가 바로 광전효과를 이용해 빛을 전류로 바꾸는 광센서이다. CCD가 빛에 반응하여 사진을 저장하게 되는 것이다.※ 광전효과 : 금속에 전자기파(빛)을 쪼였을 때 금속의 표면에서 전자가 튀어나오는 현상을 말한다.이 실험에서 빛이 밝다는건 광자의 수가 많다는 뜻이고 빛의 진동수가 높다는건 빛의 에너지가 높다는 뜻이 된다. 그러므로 쪼여주는 광자의 수가 많아지면 튀어나오는 전자의 수가 많아지고 광자의 에너지가 높아지면 튀어나오는 전자의 속도가 빨라지게 된다. 이런 현상을 아인슈타인은 광량자설로 설명했고 결국 이 이론으로 노벨상(1905년)을 받았다.(올해가 100주년의 해)2. 광전효과 실험은 어떻게?가. 광전효과 실험장치를 사용한 실험◇ 검전기의 금속판에 자외선이 쪼여지면 금속판의 전자가 뛰어나가고 검전기는 (+)전기로 대전된다. 그래서 왼쪽 그림처럼 금속박이 벌어진다.◇ 이것이 광전효과 실험이다. 일반적으로 금속박검전기를 사용해서 실험을 한다는 것은 불가능하다고 생각되었다. 그러나 광전효과실험장치로 실험을 하게 되면 쉽게 광전효과 실험을 하게 됨을 경험하게 된다.나. 광전류 측정장치를 사용한 실험광전류 측정장치를 사용하면 쉽게 광전효과 실험을 할 수 있다. 색에 따른 광전류를 측정하기 때문에 디지털카메라의 원리를 쉽게 설명할 수 있어서 좋다. 학생들도 직접 눈으로 전류의 양을 확인할 수 있고 또한 그 변화를 비교할 수 있어서 색상별의 차이를 쉽게 확인 가능하다.※ 주의 : 아직 센서가 정밀한 것이 나오질 않아서 이론적인 수치와 다소 차이가 있다. 다만 광밝기에 따른 전류값의 차이를 관찰할 따름이다.색 상빨 강노 랑초 록파 랑전류값82.2486.7979.1175.533. 색분해 실험물감의 3원색은 빨강(MAGENTA), 노랑(YELLOW), 파랑(CYANINE)이다. 이 3원색이 혼합되어 다양한 색상을 나타낸다. 그렇기 때문에 칼라로 인쇄된 잡지를 휴대용 현미경으로 확대시켜서 보면 3원색이 혼합되어있는 것을 관찰할 수 있다.< 색 분해결과 모형 >4. 색 혼합장치를 이용한 실험※ 회전 혼합 : 두 개 이상의 색을 회전판에 적당한 비례의 넓이로 붙여서 1분에2000-3000번의 속도로 회전하여 원판색이 혼색되어 보이게 하는 혼합 방법을 말한다. 이를 멕스웰원판이라고 하며, 이렇게 해서 생긴 혼색을 회전 원판 혼색이라고 한다. 두 색이 실제로 혼합 되는 것이 아니라 무채색이 반사하는 반사광이 혼합되는 것이다. 따라서 유채색과 무채색의 혼합은 평균 채도로 보이지만 유채색과 유채색, 그중에서도 보색이나 반대색은 무채색으로 보인다.
황토에 대한 생물학적 분석1. 황토/맥반석/부레옥잠/숯은 붕어의 생존능력에 어떤 영향을 미칠까? 물에서 붕어의 생존/활동/호흡수 비교실험종류황토맥반석숯부레옥잠생존일수5.83일4.87일3.40일4.03일운동능력가장 활발활발둔함활발호흡수123회118회88.67회115.33회황토에서 생존일수와 운동능력 그리고 호흡수도 가장 좋은 것으로 나타났고, 그 다음으로는 맥반석에서의 활동이었다. 가장 생장에 어려운 조건으로는 숯으로 나타났다. 그동안 우리가 수족관환경으로 구성해왔던 부레옥잠과 숯보다도 황토와 맥반석이 의미 있는 우수함을 나타냈다.2. 실험종류별 수족관의 수질개선에 과학적 영향은 어떠할까?황토가 환경기준 중에서도 상수원의 수준에 근접해있음을 알 수 있었다. 금붕어의 호흡수나 운동능력에 있어서는 황토>맥반석> 부레옥잠>숯의 결과를 보였다. 또한 생존일수에서는 맥반석>황토>부레옥잠>숯의 결과를 보였다. 실험전/실험후 물의 과학적 분석결과 (단위 : ㎎/L)분류검체명생물학적산소요구량(BOD)부유물질량(SS)3급수 국가수질기준실험전실험후실험전실험후BODSS황 토1.3010.272.4367560이하60이하맥반석1.3042.272.43129.3360이하60이하숯1.3029.502.4312260이하60이하부레옥잠1.3022.072.4355.1060이하60이하검사업체명 : 전라북도 보건환경연구원/전주시 상수도사업소(2004.03.10/2004.04.21)『황토와 맥반석은 부유물질에서 기준치를 초과하면서도 왜 금붕어가 오래살고 더욱 활발하게 움직였을까?』 그것은 금붕어가 먹어도 이상이 없는 부유물질이라는 결론을 내릴 수 있었다. 황토와 맥반석에서 가장 활발했고, 가장 오래 살았기 때문이다.3. 실험종류별로 묶어서 환경을 구성할 경우 금붕어의생존에 어떤 영향을 미칠까? 묶음별 금붕어 호흡수/생존일수 비교실 험 방 법호 흡 수생존일수정 수 기90.503.00황토+맥반석126.706.67황토+부레옥잠84.004.67맥반석+부레옥잠97.005.33맥반석+숯86.305.00부레옥잠+숯86.004.33황토와 맥반석에서 가장 오랜 생존기간을 보였다. 일반적으로 혼합수에서 단일수인 정수물 보다도 생존기간이 길었다.4. 적합한 환경구성을 위한 황토 측정실험 황토수에 의한 pH 변화날짜구분처음1일2일3일4일5일6일7일8일9일10일산성수질5.866.086.566.786.816.987.017.027.047.047.04