파동의 굴절

1. 파동의 굴절

1) 파동의 굴절

① 굴절

파동이 진행하는 중에 속력이 다른 매질의 경계면에 비스듬히 입사할 때 진행 방향이 변하는 것을 굴절이라고 합니다. 매질이 달라질 때 파동의 속도가 변하기 때문에 진행 경로가 바뀌어 굴절하게 됩니다. 하지만 파동이 굴절하는 경우에 파동의 속력과 파장은 변해도 파동의 진동수는 변하지 않습니다.

② 법선

서로 다른 매질의 경계면에 수직으로 그은 선을 법선이라고 합니다.

③ 입사각과 굴절각

입사파의 진행 방향과 법선이 이루는 각을 입사각이라고 하고, 굴절파의 진행 방향과 법선이 이루는 각을 굴절각이라고 합니다.

④ 파면

파동이 전파될 때 진동 상태가 같은, 즉 위상이 같은 점들이 이루는 면 또는 선을 파면이라고 합니다.

2) 굴절률과 스넬 법칙

① 굴절률

매질에서 빛의 속력($ v $)에 대한 진공에서 빛의 속력($ c $) 비($ n= \frac{c}{v} $)를 굴절률이라고 합니다.

② 상대 굴절률

매질 1에 대한 매질 2의 굴절률은 다음과 같습니다.
$$ n_{12}=\frac{n_{2}}{n_{1}} $$

③ 스넬 법칙(굴절 법칙)

매질 1, 2의 굴절률을 각각 $ n_{1} $, $ n_{2} $라고 할 때, 매질 내에서 빛의 속력은 각각 $ \frac{c}{n_{1}} $, $ \frac{c}{n_{2}} $이므로 다음과 같습니다.
$$ \frac{sin\theta_{1}}{sin\theta_{2}}=\frac{v_{1}}{v_{2}}=\frac{\frac{c}{n_{1}}}{\frac{c}{n_{2}}}=\frac{n_{2}}{n_{1}}=n_{12} $$
$ n_{12} $는 매질 1에 대한 매질 2의 굴절률입니다.

3) 매질에 따른 파동의 진행

속력이 빠른 매질 1에서 느린 매질 2로 파동이 진행할 때, 파동의 속력은 매질 1에서 더 빠르고($ v_{1}>v_{2} $), 진동수는 매질 1과 2에서 같으며($ f_{1}=f_{2} $), 파장은 매질 1에서가 매질 2에서보다 길며($ \lambda_{1}>\lambda_{2} $), 입사각 $ i $가 굴절각 $ \gamma $보다 크고($ \lambda_{1}>\lambda_{2} $), 입사각 $ i $는 굴절각 $ \gamma $보다 작으며, 상대 굴절률 $ n_{12} $는 1보다 작은 값을 가집니다.($ n_{12}<1 $)

2. 생활 속 굴절 현상

1) 자연에서의 굴절 현상

낮에는 따뜻한 지면에서 차가운 공기가 있는 위쪽으로 음파가 굴절하고 밤에는 반대로 차갑게 지면이 식어 찬 공기가 지면에 위치하고 상대적으로 따뜻한 공기가 위쪽에 위치해 음파가 아래로 휘게 되어 낮보다 밤에 소리가 더 멀리 들립니다. 이 외에도 무지개 현상, 물의 수심이 얕게 보이는 현상, 신기루 현상 등이 있습니다.

[ConFer]
신기루는 빛의 속력이 온도가 낮은 공기보다 온도가 높은 공기에서 더 빠르므로 물체에서 반사된 빛은 연속적으로 굴절하여 사람의 눈에 들어와 물체가 다른 곳에 있는 것처럼 보이는 현상입니다. 신기루는 두 가지 종류가 있습니다. 지표면 근처의 공기 온도가 높고 상층의 공기 온도가 낮은 경우에 만들어지는 아래 신기루와 해수면 근처의 공기 온도가 매우 낮고 상층의 공기 온도가 높을 때 만들어지는 신기루를 위 신기루라고 합니다.

2) 굴절의 이용

굴절 현상을 이용해 시력을 교정하기도 합니다. 빛의 속력은 공기보다 렌즈에서 느리므로 공기에서 렌즈로 빛이 진행하면 입사각이 굴절각보다 크고, 렌즈에서 공기로 진행하면 굴절각이 입사각보다 크게 됩니다. 볼록 렌즈의 경우는 빛을 모아 원시안을 교정하는데 사용합니다. 오목 렌즈는 빛을 퍼뜨리며 근시안을 교정하는데 사용합니다.

[ConFer]
원시안은 멀리 있는 것을 잘 보이지만 가까운 것이 잘 보이지 않는 눈이고, 근시안은 가까운 것을 잘 보이지만 멀리 있는 것이 잘 보이지 않는 눈입니다.