Transcript ch10

기초전자물리학실험2
CH10
빛의 속력, 반사 법칙, 굴절(스넬)법칙,
내부 전반사(광학1)
2008037383,
2008037377,
2008037371,
2008037359,
이름
이름
이름
이름
최규범
차용환
진경택
조정옥
실험의 목표
빛의 속력을 측정할 수 있다.
빛의 반사 법칙과 굴절 법칙(스넬 법칙)을 설명할 수 있다.
입사각 대 반사각, 입사각 대 굴절곽 관계를 측정할 수 있다.
투명한 물체의 굴절률을 측정할 수 있다.
밀한 매질에서 소한 매질로 입사시 생길 수 있는 내부 전반사
를 설명할 수 있다.
내부 전반사가 일어나기 시작하는 임계각을 측정하고, 스넬의 법칙을
이용해서 매질의 굴절률을 구할 수 있다.
A.빛의 정체
빛은 입자인가? 파동인가?
1672년
뉴턴의 입자론
1678년
호이겐스
아인슈타인
뉴턴의
맥스웰
플랑크
호이겐스
영
헤르츠 입자론
E  h
플랑크가
빛이
양자화
빛의
높은
반사와
파동적
개념
도입한
진동수를
도입
굴절양자화
본질을
법칙을
가진
처음으로
개념을
전자기파의
파동론
증명함.
도입하여,
한맥스웰의
형태 1801년
전자기파를
발생시키고
검출함으로써
빛의
다양한
성질에
대해
논의한
라고
양자(量子):
광전효과를
으로
빛의
주장함.
설명함
광선들이
설명함
어떤
빛의
적절한
물리량이
파동성이
조건
연속값을
아래서 서로
일반적으로
취하지
간섭
않고
이론을
실험적으로
확인함.
『광학』이라는
논문에서
반사와
받아들여질
어떤
한다는
단위량의
것을수보여줌.
있는
정수배로
추가적
이는
나타나는
두개
발전이였음.
이상의
비연속값을
입자들이
1873년
굴절의
법칙그
등단위량을
빛의수본질에
관하여
취할
모여경우,
서로
소멸될
있는방법은
가리키는
용어이다
없으므로
알려진
사실들을
입자론을
근거로
즉,
당시
에너지가
입자론으로
덩어리화
설명이
되어있다.
불가.
1887년
34
설명하였다.
맥스웰
1900년
플랑크
1905년
아인슈타인
h  6 . 63  10
J s
결론
빛은 입자와 파동의 두 가지 본질을 모두 가지고
있다. 즉, 빛은 어떤 상황에서는 파동적 특성을,
그리고 다른 상황에서는 입자적 특성을 나타낸다
영
헤르츠
B.빛의 속력(Speed of Light)
빛의 속력을 측정하려는 시도
갈릴레이의 시도
등불
약 10km
결과: 실패
갈릴레이의 결론: 관측자의 빛에 대한 반응 시간 보다 빛의 전달 시간이
휠씬 짧기 때문에 이러한 방법으로 측정이 불가능할 것이다.
실제 광속이 10km를 주파하는 속도는 약 0 . 3  s 으로 정밀한 도구가 없던
당시는 측정이 불가능
B.빛의 속력(Speed of Light)
빛의 속력을 측정하려는 시도
피조의 측정법
d
광원과의 거리
한번 왕복하는
데 걸린시간
A
B
C
d
t
빛의 속력
c  2d / t
B.빛의 속력(Speed of Light)
빛의 속력을 측정하려는 시도
광 펄스 비행 시간 (Time of flight)
v  L / td
C.반사 법칙(Refection Law)
정반사와 난반사
C.반사 법칙(Refection Law)
광선이 매끄러운 평면에 입사할 경우
실험적으로 그리고 이론적으로 입사각과 반사각은 같다.
 1  1
 1   1
이를 반사의 법칙(law of reflection)이라고 한다..
C.반사 법칙(Refection Law)
밀한 매질과 소한매질
소한 매질과 밀한 매질의 차이는 파동의 전파속도를 기준으로 한다.
따라서 빛이 공기에서 물로 입사할때 공기는 소한 매질이 되고 물은
밀한 매질이 된다. 그러나, 소리는 공기에서 물로 입사될때 공기에서
느리고 물에서 빠르다. 따라서 소리는 공기가 밀한 매질이 되고 물이
소한 매질이 된다.
외부 반사(external reflection)와 내부반사(internal reflection)
==외부 반사- 소한 매질에서 밀한 매질로 입사
==내부 반사- 밀한 매질에서 소한 매질로 입사
C.반사 법칙(Refection Law)
역반사(retroreflection)
빛을 제자리로 다시 돌려보낸다는 말이다. 즉 물체(광원:光源)에서 나
온 빛이 다른 물체에 도달할 경우, 도달한 빛인 입사(入射) 광선을 그
대로 광원으로 되돌려 반사하는 것이 재귀반사이다. 쉽게 말해 물체에
서 나온 빛이 어떤 물체에 닿은 뒤 원래의 자리로 다시 돌아가는 반사
를 일컫는다.
C.반사 법칙(Refection Law)
자동차의 후미등
정지 표지판
달에 설치된 역반사체
D.굴절 법칙(Refraction Law) 즉 스넬 법칙(Snell’s Law)
입사광선
법선
1
sin  2
sin  1

v2
v1
 ( 상수 )
반사광선
 1
공기
v1
유리
v2
2
굴절광선
v 2  v1 이므로 법선 쪽
공기와 유리의 경계면에 비스듬히 입사된 광선, 굴절된 광선은
으로 꺾이게 된다. 모든 광선과 법선은 같은 평면에 있다.
D.굴절 법칙(Refraction Law) 즉 스넬 법칙(Snell’s Law)
법선
법선
v1
v1
1   2
1
1
1   2
유리
공기
v 2  v1
유리
2
v2
v 2  v1
공기
2
v2
빛이 공기 중에서 유리로 입사할 때 경로는 법선 방향으로 꺾이며, 유리에서 공기로
진행할 경우에는 법선에서 먼 쪽으로 꺾인다.
D.굴절 법칙(Refraction Law) 즉 스넬 법칙(Snell’s Law)
법선
v 공기  3 . 00  10 m / s
8
법선
1
공기
유리
v 유리  2 . 00  10 m / s
8
2
2
1
v 통과후  ?
D.굴절 법칙(Refraction Law) 즉 스넬 법칙(Snell’s Law)
공기
총알
유리
흡수와 복사
나무도막
탄환이 가지고 있던 에너지의
일부를 나무를 쪼개는 데 사용하여,
나무도막을 빠져 나올 때 속력은 처음
공기 중 속도 보다 느려진다.
매질 속에서 빛이 위아래로 복사와 흡수를
반복하기 때문에, 속력이 감소한다.
매질을 빠져나올 때는 이 흡수와 복사가
없어 초기 속도로 돌아온다.
D.굴절 법칙(Refraction Law) 즉 스넬 법칙(Snell’s Law)
굴절률(index of refraction) n
진공 속에서 빛의 속력
c
n

v
매질 속에서 빛의 속력
D.굴절 법칙(Refraction Law) 즉 스넬 법칙(Snell’s Law)
빛이 한 매질에서 다른 매질로 진행할 때
파의 진동수 f 는 변하지 않으나,
파장은 변한다.
법선
v1
1
c
n1 
v1
공기
c
n2 
v2
유리
v 2  v1
2
v1  f  1 이고 v 2  f  2
v
( v1  v 2 ,  1   2 )
v1
v2

f 1
f 2

c / n1
c / n2

n2
n1
v2

v1
v2

1
2

n2
n1
 n12
 n12
c
n
E.내부 전반사(Total Internal Reflection:
TIR)
→굴절률이 큰 매질에서 굴절률이 작은 매질로 빛에 입사할 때, 입사각이 어떤 값을
넘어서면 입사매질로 전부 반사되는 현상
법선
n 2  n1
1
2
2
3
n2
n1
4
1
c
5
 c 임계각:굴절광선이 경계면과 평행하게
되는 입사각
E.내부 전반사(Total Internal Reflection:
TIR)
스넬의 법칙을 이용한 임계각 구하기
n 2  n1
n1 sin  c  n 2 sin 90   n 2
sin  c 
n2
n2
n1
( n1  n 2인 경우 )
n1
c
내부 전반사는 어떤 매질로부터 굴절률이
작은 매질로 진행할 경우에만 나타난다.
E.내부 전반사(Total Internal Reflection:
TIR)
전반사를 이용한 예
•거울
ㅍ등은 반사율이 보통 70%에서 아주 좋으면
95%내외이다. 그러나 직각프리즘 등으로 전반사를
이용하면 100%반사된 빛을 얻을 수 있다.
프리즘을 이용한 100%반사
빛이 여러 번의 내부 전반사에
의하여 휘어진 투명 막대안에
서 진행한다
실험 10 A. 광속 측정 실
험
1) 그림 20.1의 광속 측정 실험 구성도를 구성한다.
레이저 광 펄스를 피측정 공기 중을 단방향 전파시켜, 지연 시간
을 측정하고 이 값과 전파구간의 길이로부터 광 펄스의 전파 속력,
즉 광속을 구한다.
구형파(2MHz, 12Vpp 구형파)를 내는 함수발생기, +6V를 내는
직류전원공급기 및 초단 광 펄스 발생기를 조합하여 펄스폭이 약
5[nsec]의 광 펄스 레이저 빔을 발생시킨다.
광 펄스 발생기를 막대와 자석 고정대를 이용하여 철판 바닥에
고정시킨다.
광 펄스 레이저 빔 출력이 수평으로 전송되게 막대와 자석 고정
대를 잘 조정한다.
실험방법
Oscilloscope (10nsec/div, 10mV/div, EXT Trigger)
Pulse Time Delay td
ch1
EXT Trigger
Input
Delayed Pulse
(B position)
BNC T-adaptor and
50 ohm Terminator
Reference Pulse:
Reference Time
3m Coaxial Cable
Function Generator
(Pulse Driver, Square
Wave, 2MHz, 15Vpp)
(A position)
Optical Path Length
L
Photo-detector
Trigger Output
Main Output
(A position)
Optical Pulse Generator
w. Magnetic Mount
DC Power Supply(+6V)
Steel Plate for Magnetic
Base Mounting
실험 10 A. 광속 측정 실
험
광 펄스 발생기의 출력 광 펄스를 공기 중으로 한 방향으로 전송
시키고 전송 지연 시간 td를 측정한다.
광 펄스 발생기에서 출발한 광 펄스는 광 경로 L을 전송한 뒤 광
검출기에서 전기 펄스로 바뀐다. 이 검출기 출력은 길이 3m 동축
케이블 점퍼 코드를 통하여 오실로스코프의 CH1에 연결한다.
(BNC T-adaptor와 50Ω 터미네이터를 조합하여 오실로스코프에
입력단자에 연결할 것)
광 펄스의 단방향 전송 지연 시간을 측정하기 위해 오실로스코프
외부 동기를 이용한다.(내부 동기로는 측정 불가능함) 이를 위해
함수발생기의 트리거용 보조 출력을 오실로스코프의 트리거 입력
단자(TRIG. INP.)에 연결하고 오실로스코프는 ‘EXT’ 트리거 모드
로 해 둔다.
실험 10 A. 광속 측정 실
험
2)광 검출기를 광 펄스 발생기에서 매우 가까운 거리(A position)에 두
고 광 검출기의 위치를 잘 조정하여 오실로스코프의 화면에 펄스가
나오게 한다.
오실로스코프 셋팅은 수직축 1~50mv/div, 수평축 10~100nsec/div
로 한다. 수평축 10nsec/div의 초고속 시각축 조정은 시각축 10배
확대 버튼(x10)을 선택한다. 수평축 위치 조정 손잡이로, 이 수신 광
펄스의 꼭대기가 화면의 한 가운데 오게 조정하고 시각축을 절대로
움직이지 않는다.
이 시각을 펄스 전송 지연 시간 측정의 기준 시각으로 정한다. 그리
고 광 검출기를 처음 위치에서 1m 더 멀리 설치(B position)하고 광
검출기의 위치를 다시 잘 조정하여, 오실로스코프 화면에 나타나는
펄스 오른쪽 이동 시간 즉 지연 시간(1m 전송 지연 시간) td를 측정하
고 기록한다. 또 전송 거리를 1m 간격으로 3m까지 광 펄스 전송 지
연 시간을 각각 측정 기록한다.
실험 10 A. 광속 측정 실
험
주의사항 : 본 실험에서는 양방향 전송 지연 시간이 아니고, 단방향 전송지연
시간으로 오실로스코프 화면에 나오는 수신 펄스가 1개(양방향 전송일 경우
의 2개 펄스와 다름)만 나온다. 광 검풀기를 A위치에서 B위치로 옮김에 따라
전송 지연 시간, 즉 1개 펄스의 화면상에서 오른쪽으로 시간 이동을 측정한
다.
3) 실험과정 2)에서 측정 기록한, 전송 거리별 광 펄스 전송 시간으로부터
공기 중의 광속을 분석한다. Logger Pro 3에서 가로축에 ‘전송 거리 L[m]’
을, 세로축에 ‘광 펄스 지연 시간 td[sec]’을 수동 입력하고 그래프를 그린다.
비례관계가 있는지 확인한다. 직선 함수 ‘1/c*x’로 피팅하여 광속 ‘c’를 구한
다. 이 실험 결과 값을 이미 잘 알려진 진공 중 광속 c = 3X108[m/sec]와
비교 분석하고 상대오차를 구한다.
4) 미지의 공기 중 거리를 이 방법(레이저 거리 측정기 원리)로 측정할 수
있을까?
실험 10 A. 광속 측정 실
험
5) 공기 중 대신 물속에서의 광속 v물을 측정한다. 실험과정 1)~2)의 방법으
로 아크릴 길이 1m에서의 단방향 광 전송 지연 시간 td,물을 측정한다. 이
값과 전송 거리 1m로부터 물속에서의 광속
을 구하여 공기 중에
서의 광속 값과 비교한다. 추가 실험 기구로 길이 1m 튜브(물용기 역할)
를 사용한다. 물속 광 경로가 지그재그가 아닌 직선이 되게 레이저 빔을
튜브의 축과 잘 일치시켜서 실험한다. 광속은 공기 중 값의 몇 배
인가? 이 값의 역수를 구하여 물의 굴절률
을 구한다.
6) 아크릴 속에서의 광속 v아크릴을 측정한다. 실험과정 1)~2)의 방법으로 아
크릴 길이 1m에서의 단방향 광 전송 지연 시간 td,아크릴을 측정한다. 이
값과 전송 거리 1m로 부터 아크릴 속에서의 광속
을 구하여 공
기 중에서의 광속 값과 비교한다. 아크릴 속 광 경로가 지그재그가 아닌
직선이 되게 레이저 빔을 아크릴 봉의 축과 잘 일치시켜서 실험한다. 광
속은 공기 중 값의 몇 배
인가? 이 값의 역수를 구하여 아크릴의
굴절률
을 구한다.
실험 10 A. 광속 측정 실
험
7) 여기서 광속으로 구한 아크릴의 굴절률과 본 실험 장의 실험 10 B.
반사 법칙과 굴절 법칙(스넬 법칙)의 실험결과 얻어진 아크릴의
굴절률을 비교하여 일치하는지를 고찰한다. 이 결과로 파동의 굴
절이 매질 경계에서 2매질의 전파 속력차에 의하여 생김을 확인
한다.
실험 10 B. 반사 법칙 및 굴절 법
칙(스넬 법칙) 실험
1) 그림 10.3 빛의 반사법칙과 굴절법칙 실험 구성도를 준비한다.
그림 10.4 빛의 반사법칙과 굴절법칙 실험 구성 사진을 참조한다.
 광학 레일 위에 왼쪽에서부터 LD 광원, 회전대, 아크릴 D형 렌
즈(회전대와 렌즈 받침대 위에 둠) 및 광센서(회전대의 광 센서
고정대에 설치)를 직선상으로 설치한다.
 이때, 아크릴 D형 렌즈의 평면 부분이 입사면이 되도록, 또 레이
저빔이 D형 렌즈의 중심에 입사되도록 잘 설치한다. 평면 경계에
서 공기(소)-->아크릴(밀) 입사, 즉 외부 반사 경우이다.
실험방법
Laser Diode Light Source
Optical Rail
Rotational Table
D-Lens
(a)
Screen
실험방법
Laser Diode Light Source
r
1
2
Optical Rail
Rotational Table
D-Lens
(b)
Screen
실험방법
실험 10 B. 반사 법칙 및 굴절 법
칙(스넬 법칙) 실험
2) LD광원이 제대로 동작하는지 확인하고, 광원의 뒷면에 있는 전
원 스위치를 켜고 상하좌우 레이저 빔 방향 조정 나사로 광학 레
일의 축 방향에 평행하게 레이저 빔의 방향을 조정한다. 이것은
광학축 맞추기 과정으로 매우 중요하다.
 D형 렌즈의 원의 중심으로 레이저광이 들어 갈 수 있게 아크릴 D
형 렌즈의 위치를 잘 조절한다. 이때, 입사각 θ 1이 0°이고 반사각
θr도 0°이므로 LD의 출구 부분에 D형 렌즈에서 반사된 레이저 광
선이 되돌아가게 조절해야 한다. 즉 수직입사 경우이다. 이때 회
전판의 큰 각도계가 0°, 작은 각도계 지시값이 0°이 되게 2개의
대소 각도계를 잘 조정해야 한다. 또 광센서에 레이저 빔이 가장
많이 들어가는지 확인한다.
실험 10 B. 반사 법칙 및 굴절 법
칙(스넬 법칙) 실험
3) 아크릴 D형 렌즈를 작은 회전판으로 회전시켜 입사각을 10도로
맞추고 고정한 채로, 큰 회전판의 각도계를 돌려 반사광이 광센서
에 가장 세게 들어가게 조정하고 반사각을 측정한다. 입사각을
10도씩 증가시키면서 80도까지 같은 방법으로 반사각을 측정한
다. 측정 결과를 표 10.1에 기록한다.
 아크릴 D형 렌즈를 작은 회전판으로 회전시켜 입사각을 10도로
맞추고 고정한 채로, 큰 회전판의 각도계를 돌려 굴절광이 광센서
에 가장 세게 들어가게 조정하고 굴절각을 측정한다. 입사각을
10도씩 증가시키면서 80도까지 같은 방법으로 굴절각을 측정한
다. 측정 결과를 표 10.1에 기록한다.
4) 측정한 입사각과 굴절각의 사인 값과 그들의 비로 피측정 매질
인 아크릴의 굴절률 n2을 구한다.
실험 10 C. 내부 전반사 실험
1) 그림 10.5 내부 전반사 실험 구성도를 준비한다. 광학 레일 위
에 왼쪽에서부터 LD광원, 회전대, 아크릴 D형 렌즈(회전대와 렌
즈 받침대 위에 둠) 및 광센서(회전대와 광 센서 고정대에 설치)
를 직선상으로 설치한다.
 이때, 아크릴 D형 렌즈의 곡면 부분이 입사면이 되도록, 또 레
이저빔이 D형 렌즈의 곡면을 지나 렌즈의 중심에 입사되게 잘 설
치한다. 평면 경계에서 아크릴(밀)-->공기(소) 입사 즉 내부 반
사 경우이다.
실험방법
Screen
Laser Diode Light Source
1
r
Optical Rail
Rotational Table
D-Lens
실험 10 C. 내부 전반사 실험
2)  LD 광원이 제대로 동작하는지 확인하고, 광원의 뒷면에 있는
전원 스위치를 켜고 상하좌우 레이저 빔 방향 조정 나사로 광학
레일의 축 방향에 평행하게 레이저 빔의 방향을 조정한다. 이것
은 광학축 맞추기 과정으로 매우 중요하다.
 D형 렌즈의 원의 중심으로 레이저 빛이 들어 갈 수 있게 아크릴
D형 렌즈의 위치를 조절한다. 이때, 입사각 θ 1이 0°이고 반사각
θr도 0°이므로 LD의 출구 부분에 D형 렌즈에서 반사된 레이저 광
선이 되돌아가게 조절해야 한다. 즉 수직입사 경우이다. 이때 회
전판의 큰 각도계가 0°, 작은 각도계 지시값이 0°이 되게 2개의
대소 각도계를 잘 조정해야 한다. 또 광센서에 레이저 빔이 가장
많이 들어가는지 확인한다.
실험 10 C. 내부 전반사 실험
3)  아크릴 D형 렌즈를 작은 회전판으로 회전시켜 입사각을 10도
로 맞추고 고정한 채로, 큰 회전판의 각도계를 돌려 반사광이 광
센서에 가장 세게 들어가게 조정하고 반사각을 측정한다. 입사각
을 10도씩 증가시키면서 40도까지 같은 방법으로 반사각을 측정
한다. 측정 결과를 표 10.2에 기록한다.
 아크릴 D형 렌즈를 작은 회전판으로 회전시켜 입사각을 10도로
맞추고 고정한 채로, 큰 회전판의 각도계를 돌려 굴절 광이 광센
서에 가장 세게 들어가게 조정하고 굴절각을 측정한다. 입사각을
10도씩 증가시키면서 40도까지 같은 방법으로 굴절각을 측정한
다.
 입사각을 40도에서 50도 까지는 미세하게 바꾸어 굴절각이 90
도인 입사각, 즉 임계각을 정확히 측정한다.