2. 빛
2-1. 빛을 주는 선물은?
(1) 빛을 내는 물체
1) 연소와 가열
① 연소 : 물질이 공기 속의 산소와 화합하여 빛과 열을 내는 현상
② 가열 : 어떤 물체에 열을 가하는 것으로 물체가 연소될 때 가열됨
2) 반사 : 빛이나 전파 따위가 어떤 물체의 표면에 부딪혀 되돌아오는 현상
【탐구 1】빛을 내는 것들
◉ 다음은 우리 주변에서 빛을 내는 것들이다.
▶ 스스로 빛을 내는 것을 골라 보자. 또, 어떤 것들이 더 있는지 찾아보자.
→ 스스로 빛을 내는 것 : 태양, 번개, 전구, 반딧불이, 항성, 형광등, 촛불, 횃불 등
→ 스스로 빛을 내지 못하고 반사하는 것 : 달
▶ 빛을 내는 물체 중에서 인공적으로 만든 것을 고르고, 그 쓰임새를 발표해 보자.
→ 인공적으로 만든 것 : 전구
(2) 빛의 성질
1) 빛의 밝기
① 모든 방향으로 퍼져 나간다.
② 거리가 멀어질수록 어두워진다.
※ 레이저는 빛이 퍼지지 않아 멀리까지 간다.
2) 빛의 직진
① 그림자는 빛이 직진하기 때문에 생긴다.
② 바늘구멍 사진기는 상이 거꾸로 맺힌다.
(3) 인공적인 빛의 이용
1) 어두운 곳을 밝힌다(탐조등, 등대)
2) 눈에 잘 띄는 표시 기능을 한다(신호등, 건물 옥상의 표시등)
3) 그림이나 글을 전달한다(전광판, TV, 휴대폰)
4) 레이저 광선(의료용, 산업용)
2-2. 거울에 부딪친 빛의 방향은?
(1) 빛의 반사
1) 평면 거울에서 빛의 반사
① 법선 : 반사 면에 수직인 선
② 입사각 : 입사한 광선과 법선 사이의 각
③ 반사각 : 반사한 광선과 법선 사이의 각
④ 반사의 법칙 : 입사각과 반사각의 크기는 언제나 같다.
【탐구 2】평면 거울에서의 빛의 반사
◉ 그림과 같이 모눈종이 위에 거울을 세워 놓고, 레이저 포인터로 거울에 빛을 비추어 흰 종이에 받아 보자.
▶ 빛을 비추는 각도를 변화시키면서 각각의 빛이 가는 길을 서로 다른 색으로 그려보자.
▶ 거울에서 빛이 반사하는 점에서 거울에 수직인 선을 그은 다음, 이 선과 반사 전후의 두 선 사이의 각도를 재어 보자.
→ 반사 전과 후의 각도는 같다.
(2) 평면 거울에 의한 상
1) 상의 특징
① 상까지의 거리 : 거울에서 상까지의 거리는 거울에서 물체와의 거리와 같다.
② 상과 물체의 방향은 반대로 보임.
2) 전신을 모두 볼 수 있는 거울의 크기 : 자신의 키의 1/2
3) 상의 이동 : 거울로부터의 거리가 가까워지면 상도 커 보인다.
4) 두 거울 사이의 각도를 θ라 할 때 보이는 상의 수
두 거울에 의한 상의 수= (360°/θ) (값이 짝수이면 -1개)
【탐구 3】평면 거울과 흰 종이에서 반사되는 빛의 방향
◉ 캄캄한 곳에서 평면 거울과 흰 종이를 바닥에 나란히 깔아 놓고 각각에 작은 손전등이나 레이저 포인터로 빛을 비추어 보자.
▶ 평면 거울과 흰 종이에서 빛은 각각 어떤 방향에서 보이는가?
→ 평면 거울의 경우는 빛이 거울에서 반사되어 나가는 방향에서만 보인다. 그러나 흰 종이의 경우에는 어느 방향에서나 보인다.
▶ 위의 두 경우 반사하는 빛에 대하여 토의해 보자.
→ 거울의 경우에는 빛이 한 방향으로만 반사하고, 종이의 경우에는 모든 방향으로 반사함을 알 수 있다.
(3) 거울과 보통 물체에서의 반사
1) 빛의 정반사 : 평면 거울에 평행한 빛이 입사할 때 입사각과 반사각이 모두 같다.
2) 빛의 난반사 : 울퉁불퉁한 보통의 물체에 평행한 빛이 입사할 때 반사되는 빛이 여러 방향으로 흩어진다.
☞ 참고 사항 :구면 거울에서의 빛의 반사와 상
1) 오목 거울과 볼록 거울
① 오목 거울 : 구면 안쪽이 거울로 된 것.
② 볼록 거울 : 구면 바깥쪽이 거울로 된 것.
2) 구면 거울의 초점
① 오목 거울의 초점 : 오목 거울의 축에 평행하게 입사한 빛이 반사 후 어느 한 점을 지나게 되는 데 이점을 초점이라 한다.
② 볼록 거울의 초점 : 볼록 거울에서는 어느 한 점에서 나오는 것처럼 반사하여 흩어지는데 이점을 초점이라 한다.
3) 구면 거울에서 생기는 상
① 오목 거울의 상 : 물체가 초점 밖에 있으면 실상이 생기고, 초점 안에 있으면 허상이 생긴다. 또, 구심 밖에 있으면 물체보다 작은 상이, 안에 있으면 큰상이 생긴다.
② 볼록 거울의 상 : 물체의 위치에 관계없이 물체보다 작은 허상이 생긴다.
2-3. 젓가락이 물에 들어가면 왜 꺾여 보일까?
【실험 1】수면에서 방향이 꺾이는 빛
▶ 실험하기① 그림과 같이 투명한 수조 바닥에 거울을 놓은 다음, 물을 반쯤 담는다. 그리고 빛이 가는 길이 잘 보이도록 우유를 조금 넣는다. 또, 향을 피우고 유리판으로 수조를 덮는다. 거울에 빛을 비스듬히 비추면서 빛이 나아가는 길을 그려보자.
② 빛의 입사각을 크게 할 때, 수면에서 물 속으로 꺾여 나아가는 방향이 어떻게 변하는지 관찰한다.
▶ 해석하기
① 물 속에서 진행하는 빛과 법선 사이의 각을 공기 중에서의 입사각과 비교해 보자.
→ 물 속에서 진행하는 빛과 법선 사이의 각, 즉 굴절각이 공기 중에서의 입사각보다 작다.
② 빛이 물 속으로 들어갈 때의 입사각(그림의 ㉠)과 다시 수면 밖으로 꺾여 나아가는 빛과 법선 사이의 각도(그림의 ㉡)를 비교해 보자.
→ 물 속에 있는 거울에서 빛의 입사각과 반사각이 같으므로 입사각 ㉠과 굴절각 ㉡이 언제나 같다.
③ 입사각을 크게 할 때, 물 속에서 진행하는 빛과 법선 사이의 각이 어떻게 변하는지 토의해 보자.
→입사각을 크게 하면, 물 속에서 진행하는 빛과 법선 사이의 각도 커지는 것을 볼 수 있다. 그러나 두 각은 비례하지 않는다.
(1) 빛의 굴절1) 입사각과 굴절각
① 입사각 : 법선과 입사하는 빛의 각도
② 굴절각 : 법선과 굴절된 빛의 각도
2) 빛이 굴절하는 정도 : 두 매질 사이의 빛의 속도 차이가 크면 굴절하는 정도가 크다.
3) 빛의 굴절과 속력 : 빛이 굴절하는 이유는 두 매질 사이의 빛의 속력 차이 때문
【탐구 4】물 속에 잠긴 동전의 모습
◉ 그림과 같이 동전을 물잔 바닥에 놓은 다음 동전이 물 잔의 벽에 가려 보일락 말락한 위치에서 물 잔에 물을 조금씩 붓는다.
▶ 동전이 모두 보일 때, 동전이 보이는 방향으로 젓가락을 물 속에 넣어 보자. 젓가락의 끝이 동전과 만나는가? 동전 위를 지나고 만나지 않는다.
▶ 동전에서 나오는 빛은 어떤 방향으로 굴절할까? 동전에서 나오는 빛이 수면 쪽으로, 즉 법선에서 멀어지는 쪽으로 굴절한다.
(2) 빛의 굴절 현상
1) 두 매질의 경계면에서 굴절하는 경우
① 물 속의 물체가 떠 보인다.
② 젓가락이 수면에서 꺾여 보인다.
2) 한 매질 내에서 굴절하는 경우
① 태양이나 별의 실제 위치는 보이는 위치보다 낮다.
② 봄철 아지랑이가 보이고, 뜨거운 난로 건너편 물체가 어른거려 보인다.
③ 사막에서 신기루가 보이고, 무더운 여름철 아스팔트 길이 물에 젖은 것처럼 보인다.
【탐구 5】프리즘에서 굴절하는 빛
◉ 그림의 (가), (나)와 같이 레이저 포인터의 빛을 같은 방향으로 두 프리즘에 각각 비추어 종이에 받아 보자.
▶ 그림의 (가)와 (나)에서 빛은 어떤 방향으로 굴절하는가?
→ 그림의 (가)에서는 중심 방향으로 (나)에서는 중심에서 멀어지는 방향으로 굴절한다.
▶ 이들은 각각 빛이 어떤 렌즈에서 굴절하는 것과 같은지 토의해 보자.
→ (가)는 볼록렌즈, (나)는 오목렌즈
(3) 렌즈에 입사한 빛의 굴절
1) 볼록 렌즈 : 평행하게 입사한 빛이 한 곳에 모인다.
2) 오목 렌즈 : 평행하게 입사한 빛이 초점에서 나아가는 방향으로 퍼진다.
(4) 광학 기구
1) 눈과 사진기
① 눈 : 수정제의 두께에 의해 물체와의 거리 조절
② 사진기 : 볼록렌즈의 위치가 변하여 물체와의 거리 조절
2) 망원경 : 대물렌즈의 초점거리가 길고, 접안렌즈의 초점길이가 짧을수록 물체가 커 보인다.
3) 현미경 : 물체가 볼록렌즈의 초점 가까이 있을수록 상이 크게 확대된다.
☞ 참고사항 : 렌즈에 의해 생기는 상
1) 볼록 렌즈에 의해 생기는 상
① 물체가 초점 밖에 있으면 실상이 생기고, 안에 있으며 허상이 생긴다.
② 물체가 초점거리 2배인 거리 밖에 있으면 물체보다 작은 상이, 초점거리의 2배인 거리 안에 있으면 물체보다 큰상이 생긴다.
2) 오목 렌즈에 의해 생기는 상
① 물체의 위치에 관계없이 언제나 물체보다 작은 허상이 생긴다.
2-4. 무지개는 어디에 있을까?(1) 빛의 분산
1) 빛의 분산과 스펙트럼
① 백색광 : 햇빛과 같은 빛
② 빛의 분산 : 프리즘을 통과한 햇빛 등이 여러 가지 색으로 나뉘는 현상
③ 빨간색은 굴절률이 작고 보라는 크다.
2) 하늘의 무지개① 무지개의 원인 : 햇빛이 물방울에서 색깔에 따라 각기 다른 방향으로 굴절되기 때문이다.
② 빨강은 원의 중심에서 42°, 보라색은 원의 중심에서 40°각도를 이룬다.
【탐구 6】 프리즘에서 보는 무지개
◉ 뉴턴은 햇빛을 프리즘에 비추어 보고 햇빛은 여러 가지 색으로 나뉘는 것을 발견하였다. 우리도 햇빛을 프리즘에 비추어 흰 종이에 받아 보자.
▶ 색에 따라 종이에 나타나는 빛의 위치를 관찰하고, 같은 색으로 그려보자.
→ 입사한 빛의 방향과 가까운 곳부터 빨강, 노랑, 파랑의 순서로 나타난다.
▶ 색에 따라 빛이 굴절하는 정도를 비교해 보자. 어떤 색의 빛이 가장 크게 굴절하는가?
→ 빨강에서 보라로 갈수록 굴절률은 커진다.
▶ 형광등, 백열 전등, 손전등의 빛을 분광기로 관찰하고 광원에 따라 나타나는 여러 가지 색의 특징을 토의해 보자.
→ 모두 무지개 색이 빛을 볼 수 있지만, 형광등의 빛은 푸른색 부분이 강하게 나타나고 백열 전등이나 손전등의 빛은 붉은색 부분이 강하게 나타난다.
2-5. 빨간색이 노랗게도 보일 수 있을까?
(1) 빛의 합성1) 물체의 색
① 검은색 : 모든 빛을 흡수하여 검게 보인다.
② 흰색 : 모든 빛을 반사하여 희게 보인다.
③ 빨간색 : 빨간색의 빛만 반사한다.
【탐구 7】빛의 합성
◉ 두 대의 투시 환등기에 빨강과 파랑 셀로판지를 깔고 빛을 스크린으로 비추어 보자.
▶ 두 빛을 동시에 비추면 각각의 빛을 비출 때에 비해 밝기가 어떻게 달라지는가?
→ 더 밝아진다.
▶ 두 빛을 동시에 비출 때, 스크린에는 어떤 색이 나타나는가?
→ 자홍색
▶ 다른 색의 셀로판지를 각각 깔고 동시에 빛을 비추면 어떤 색으로 보이는지 관찰해 보자.
→ 빨간색과 녹색의 셀로판지를 깔고 빛을 비추면 노란색으로, 녹색과 파란색의 셀로판지를 깔고 빛을 비추면 하늘색으로 보인다.
2) 빛의 합성
① 빛의 삼원색 : 빨강, 녹색, 파랑의 빛
② 빛의 삼원색을 합성하면 백색광이 된다.
③ 보색 : 빨강과 하늘색을 합성하면 흰색이 되고, 파랑과 노란색을 합성해도 흰색이 되는데 이런 색의 관계를 보색이라 한다.
3) 분산된 빛의 합성 : 프리즘으로 분산된 빛을 프리즘을 거꾸로 하면 다시 합성된다.
【탐구 8】색원판
◉ 그림과 같이 원판에 빨강과 녹색 물감을 절반씩 칠하여 빠르게 돌려보자.
▶ 원판은 어떤 색으로 보이는가?
→ 노란색
▶ 원판에 다른 여러 가지 색을 칠하여 돌리면 어떤 색으로 보이는지 관찰해 보자.
→ 빨강과 파랑을 칠하면 자홍색, 파랑과 녹색을 칠하면 하늘색, 파랑과 노랑을 칠하면 흰색