중2 과학/광원/빛의 반사/빛의 합성/빛의 굴절/거울과 렌즈

숲 속의 길을 걷다 보면 나무 사이로 햇빛이 곧게 나아가는 것을 볼 수 있다. 이처럼 빛은 곧게 나아가는 성질이 있는데, 이를 빛의 직진이라고 한다. 빛이 나아가는 길에 물체가 있으면 직진하는 빛은 물체에 막혀 나아가지 못하므로 물체의 뒤쪽에 그림자가 생긴다. 그림자는 빛이 직진하기 때문에 생기는 현상이다.

우리는 어떻게 물체를 볼 수 있을까? 우리가 물체를 보기 위해서는 빛이 있어야 하고, 그 빛이 우리 눈에 들어와야 한다. 태양이나 전등과 같은 광원은 스스로 빛을 내기 때문에 볼 수 있고, 나무나 책과 같은 물체는 광원에서 나온 빛을 반사하기 때문에 볼 수 있다. 이렇게 광원에서 나오거나 물체에서 반사된 빛이 우리 눈으로 들어오면 우리는 물체를 보게 된다.

분수 근처에서 무지개를 볼 수 있는 것은 햇빛이 물방울에 의해 여러 가지 색의 빛으로 나누어지기 때문이다. 백색광인 햇빛이나 전등 빛은 한 가지 색의 빛으로 보이지만 프리즘을 통과시키면 여러 가지 색의 빛으로 나누어진다. 이처럼 빛이 여러 가지 색의 빛으로 나누어지는 현상을 빛의 분산이라고 한다. 빛의 분산 현상을 통해 햇빛은 여러 가지 색의 빛으로 이루어져 있음을 알 수 있다. 컴퓨터 모니터에서 만들어진 여러 가지 색의 빛을 확대해 보면 빨간색, 초록색, 파란색 빛이 나타난다. 빨간색, 초록색, 파란색 빛은 여러 가지 색의 빛을 만드는 기본이 되는 빛으로, 이 세 가지 색의 빛을 빛의 3원색이라고 한다. 빛의 3원색을 이용하면 여러 가지 색의 빛을 만들 수 있다. 빨간색, 초록색, 파란색 빛이 모여 햇빛과 같은 백색광이 만들어지고, 빨간색, 초록색 빛이 모여 노란색의 빛이 만들어진다. 이처럼 두 가지 이상의 빛을 합하여 다른 색의 빛을 얻는 것을 빛의 합성이라고 한다.

빛의 합성은 텔레비전, 컴퓨터 모니터, 휴대 전화 등의 영상 장치에서 다양한 색의 빛을 표현하는 데 이용된다. 영상 장치의 화면은 빨간색, 초록색, 파란색 빛을 내는 수많은 화소로 이루어져 있는데, 각 화소에서 나오는 빛이 합성되어 다양한 색이 만들어진다. 빛의 합성을 이용한 예는 회화에서도 찾을 수 있다. 물감을 섞지 않고 원색의 물감을 작은 점으로 찍어 표현하면 밝은 색의 그림이 만들어진다.

거울로 햇빛을 반사시키면 햇빛의 진행 방향이 바뀌므로 거울을 이용하면 빛을 원하는 곳에 보낼 수 있다. 직진하던 빛이 물체에 부딪칠 때 방향을 바꾸어 되돌아 나아가는 현상을 빛의 반사라고 한다. 이때 거울 면에 수직인 선을 법선이라 하고, 입사 광선과 법선이 이루는 각을 입사각, 반사 광선과 법선이 이루는 각을 반사각이라고 한다. 빛이 반사할 때 입사 광선, 반사 광선, 법선은 한 평면 위에 있고, 입사각과 반사각의 크기는 항상 같다. 이를 빛의 반사 법칙이라고 한다.

거울은 빛의 반사를 이용하여 물체의 모습을 비추어 보는 도구이다. 이때 거울에 비친 물체의 모습을 상이라고 한다. 상의 모양과 크기는 거울 면의 모양에 따라 다르게 나타난다. 우리가 생활에서 사용하는 거울은 거울 면의 모양에 따라 평면거울, 볼록거울, 오목거울로 나눌 수 있다. 거울 면이 평평한 평면거울은 실물과 같은 크기의 상을 볼 수 있어 무용실이나 가정의 전신거울로 사용한다. 거울 면이 볼록하게 나온 볼록거울은 실물보다 작은 상을 볼 수 있고 넓은 범위를 볼 수 있어 구부러진 도로에 설치하는 안전거울이나 자동차 측면거울로 사용한다. 거울 면이 오목하게 들어간 오목거울은 실물보다 큰 상을 볼 수 있어 화장거울이나 충치를 보는 치과용 거울로 사용한다. 평면거울에 의한 상은 어떻게 생기는 것일까? 평면거울에 물체를 비추면 물체의 한 점에서 나온 빛이 거울에서 반사된다. 이때 반사 광선은 만나지 않고 반사 광선을 이은 연장선이 만나며, 이곳에 실물과 같은 크기의 상이 생긴다. 그러면 나란한 빛이 볼록거울과 오목거울에 입사하면 반사 광선은 어떻게 진행할까? 나란한 빛이 볼록거울에 입사하면 반사 광선은 넓게 퍼지고, 오목 거울에 입사하면 반사 광선은 한 점에 모인다. 볼록거울에 물체를 비추면 항상 실물보다 작고 바로 선 상이 생긴다. 또, 오목거울에 물체를 비추면 실물보다 크게 보이기도 하고 작게 보이기도 한다. 물체가 거울과 멀리 있는 경우 실물보다 작고 거꾸로 선 상이 생기고, 물체가 거울과 가까이 있는 경우 실물보다 크고 바로 선 상이 생긴다.

공기 중에서 물속으로 진행하는 빛은 두 물질의 경계면에서 꺾여서 나아간다. 이처럼 빛이 어느 한 물질에서 다른 물질로 진행할 때 진행 방향이 꺾이는 현상을 빛의 굴절이라고 한다. 이 때 두 물질의 경계면에 수직인 선을 법선이라 하고, 법선과 입사 광선이 이루는 각을 입사각, 법선과 굴절 광선이 이루는 각을 굴절각이라고 한다. 빛이 공기 중에서 물속으로 진행할 때 굴절각은 입사각보다 작고, 입사각이 커질수록 굴절각도 커진다. 빛이 굴절하는 정도는 물질의 종류에 따라 다르다. 빛이 공기 중에서 물속으로 진행할 때보다 공기 중에서 유리로 진행할 때 더 크게 굴절한다. 빛의 굴절에 의한 현상은 우리 주변에서 쉽게 볼 수 있다. 물속의 물체가 실제보다 떠올라 보이는 것은 빛이 물속에서 공기 중으로 나올 때 굴절하기 때문에 나타나는 현상이다.

렌즈는 빛의 굴절을 이용하여 물체의 상을 확대하거나 축소하는 도구이다. 이때 렌즈에 의한 상은 렌즈의 모양에 따라 다르게 나타난다. 우리가 생활에서 사용하는 렌즈는 그 모양에 따라 볼록렌즈와 오목렌즈로 나눌 수 있다. 가운데 부분이 바깥쪽보다 두꺼운 볼록렌즈를 통해 멀리 있는 물체를 보면 실물보다 작고 거꾸로 선 상이 보이고, 가까이 있는 물체를 보면 실물보다 크고 바로 선 상이 보인다. 볼록렌즈는 가까운 곳이 잘 보이지 않는 눈의 이상을 교정하는 안경, 현미경, 굴절 망원경에 사용한다. 가운데 부분보다 바깥쪽이 두꺼운 오목렌즈를 통해 물체를 보면 렌즈와 물체 사이의 거리에 관계없이 실물보다 작고 바로 선 상이 보인다. 오목렌즈는 먼 곳이 잘 보이지 않는 눈의 이상을 교정하는 안경에 사용한다. 광축에 평행한 빛이 볼록렌즈에 입사하면 굴절 광선은 한 점에 모이는데, 이 점을 초점이라고 한다. 또, 오목렌즈에 입사하면 굴절 광선은 한 점에서 나아가는 것처럼 넓게 퍼진다. 볼록렌즈에 의한 상은 어떻게 생기는 것일까? 물체의 한 점에서 나온 빛은 볼록렌즈를 통과하여 굴절한다. 이때 물체가 렌즈와 멀리 있는 경우 굴절 광선이 만나는 곳에 실물보다 작고 거꾸로 선 상이 생기고, 물체가 렌즈와 가까이 있는 경우 굴절 광선의 연장선이 만나는 곳에 실물보다 크고 바로 선 상이 생긴다. 오목렌즈를 통해 물체를 보면 물체와 렌즈 사이의 거리에 관계없이 항상 실물보다 작고 바로 선 상이 생긴다.