빛은 직진하기 때문에 우리는 그림자를 볼 수 있습니다.
하지만 이 때문에 우리는 착각을 하기도 합니다.
거울과 렌즈의 예시를 통해 빛의 성질을 이해합니다.
또한 빛에는 여러 색이 있습니다.
어떤 성질에 의해 다양하게 발현되는지 알아봅시다(파장).
빛의 특징
직진성
빛의 직진성
"directness_of_light.svg", iseohyun.com, 2024, CC-BY-SA 4.0
우리는 빛을 통해 물체를 인식합니다. 만약 물체 사이에 장애물이 있다면 물체를 볼 수 없습니다.
물체와 눈 사이를 가리면 보이지 않습니다(Line of sight; 시계선). 따라서 빛은 직진한다는 것을 알 수 있습니다.
크기
빛의 직진하는 성질 때문에 우리는 물체의 크기를 가늠할 수 있습니다. 같은 물체라도 더 가까이 가면 크게 보입니다. 물체를 바라볼 때, 크다/작다의 기준은 커/작아 보인다 이며, 시지름(Apparent diameter)이 크다/작다에 따릅니다.
원근법
"directness_of_light.svg", iseohyun.com, 2024, CC-BY-SA 4.0
일식 ⓛ
개기 일식 사진
"320px-2023-04-20_Solar_Eclipse_in_Timor-Leste_6.svg", Nacional Metereologia e Geofisica, https://ko.wikipedia.org/wiki/2023년 4월 20일 일식, 퍼블릭 도메인
태양까지의 거리
"sun_distance.svg", iseohyun.com, 2024, CC-BY-SA 4.0
거리
우리는 두 눈에 보이는 영상의 각도를 통해 물체와의 거리를 유추합니다. 이것이 우리가 일반적으로 사물을 인식하는 방법입니다. 하지만 이 때문에 우리는 상(image/ 허상, virtual
image)을 보게 됩니다.
거울은 거울 표면에 일정각도로 반사되어 물체를 인식하지만, 마치 연장선에 물체가 있는 것으로 인식하게 됩니다.
물은 일정각도로 빛을 왜곡합니다. 이 때문에 물체가 실제보다 더 얕은 곳에 있다고 느끼게 됩니다. 이는 우리가 늘 사물을 인식하는 자연스러운 방법에 의존하기 때문에 벌어지는 현상입니다.
사물의 인식
"virtual_image.svg", iseohyun.com, 2024, CC-BY-SA
반사
거울의 반사(reflection)는 입사와 반사로 나뉘며, 곡률이 어떻다 하더라도 접선을 그엇을 때 이 두 각은 항상 같습니다. 일반적으로 볼록거울이든 오목렌즈든 특수한 목적에 의해 제작되므로 일정한 곡률을 가집니다. 이를 응용하면 포물선(예:\(y=ax^2\))에서 정면에서 들어온 모든 빛이 한 점(초점(focus))을 지나도록 만들 수 있습니다.
거울 반사각
"mirror_reflection.svg", iseohyun, 2024, CC-BY-SA 4.0
내가 누군가를 봤다는 것은 누군가도 나를 본다는 의미입니다.
타조가 위험을 감지하면 머리를 모래속에 넣는다는 속설에서 유래했습니다. (영미권 속담: 'Don't bury your head in the sand.')
실제로 그런 것은 아닙니다. 위기를 외면하려는 아둔한 행위를 묘사한 심리학 용어입니다.
볼록렌즈에 비친 물체는 크게 보입니까? 작게 보입니까?
관찰자가 거울에 다가가면 크게 보여야 합니까? 작게 보여야 합니까?
단순 암기식의 지식은 [사례1]과 [사례2]처럼 우리를 헷갈리게 합니다. 우리가 물체의 크기를 인식하는 방법, 거리를 인식하는 방법을 떠올려봅시다. 사물은 물체 뒤에 있고, 시지름으로 크기를 인식합니다.
볼록거울 예시
"light_convex_mirror_example.svg", iseohyun.com, 2024, CC-BY-SA 4.0
사례3과 같이 우리는 거울 뒤에 물체가 있는 것처럼 느낍니다. 상의 위치와 크기를 거울의 반사 특성을 이용하여, 다음과 같이 작도할 수 있습니다.
가장 빠른 경로
"fastest_path.svg", iseohyun.com, 2024, CC-BY-SA 4.0
굴절
랜즈의 경우 조금 다른 방식으로 동작합니다. 빛은 물과 같은 (높은 밀도의) 매질에서 느려집니다. (반면 소리는 물과 같은 매질에서 빨라집니다.) 속도에 관한 성질은 [그림. 가장 빠른 경로]에서와 같이 가장 빠른 경로에 대한 다른 해답을 제시합니다.
가장 빠른 경로에 대한 해답은 매질이 달라지는 것과 같이 중력에 영향을 받습니다. 이를 중력 렌즈 효과라고 합니다.
중력렌즈효과 시뮬레이션
"BlackHole Lensing.gif", Falcorian, wikimedia.org, CC-BY-SA 3.0
빛의 왜곡 성질을 이용하여 오목렌즈와 볼록렌즈를 그리면 다음과 같습니다. (렌즈의 두께는 임의로 작성되었습니다.)
오목렌즈의 작도방법입니다.
| 종류 | 결과 | 응용 |
|---|---|---|
| 볼록 거울 | 작게 보임 | 넓은 면을 봐야 할 때 (예: 커브길, 자동차 사이드미러 보조) |
| 오목 거울 | 초점 안(부근): 크게 보임 초점 밖(부근): 점점 작아짐(상이 뒤집힌다) |
자세히 봐야 할 때 (예: 화장거울) |
| 볼록 렌즈 | 초점 안: 크게 보인다 초점 밖: 점점 작게 보인다.(뒤집힌 상) |
돋보기, 망원경 |
| 오목 렌즈 | 작게 보인다. | 각종 특수 망원경, 원시(먼거리)용 렌즈 |
색
우리가 보는 빛은 전자기파(electromagnetic wave) 중 극히 일부지만, 그 안에 여러 가지 색이 혼합되어 있습니다. 우리가 볼 수 있는 빛을 가시광선(Visible light)라고 합니다. 가시광선은 프리즘으로 분리시킬 수 있습니다.
가시광선 스펙트럼
2차 수정 됨- "Linear_visible_spectrum.svg", Gringer, wikipedia.org, 퍼블릭 도메인"https://cdn.kastatic.org/ka-perseus-images/1f69f2373d9136ed9a061a3a1b64cbffe3abc9b2.png", "1f69f2373d9136ed9a061a3a1b64cbffe3abc9b2.png", Image modified from "Electromagnetic spectrum(Opens in a new window)," by Inductiveload (CC BY-SA 3.0), and "EM spectrum," by Philip Ronan (CC BY-SA 3.0). The modified image is licensed under a CC BY-SA 3.0 license
위 스펙트럼을 통해 우리는 빛이 파동의 특징이 있음을 볼 수 있습니다. 파동은 주파수(Frequency)와 진폭(Apmlitude), 위상(Phase)으로 정의됩니다. 주파수의 정의는 1초 동안 진동 횟수를 의미하며, 파장과 주파수는 역수관계입니다. [그림. 가시광선 스펙트럼]에서 m, mm, nm는 파장의 길이를 의미합니다. 주파수(진폭)가 달라지면, 다른 색으로 보이고, 진폭이 커지면 더 강렬하게 느낍니다. 동기(시간 기준)를 맞춘 컴퓨터는 위상의 변조를 이해할 수 있지만, 우리가 위상의 변조를 느끼지는 못합니다.
\[주파수 = {1 \over 파장}\]
파동의 정의
"definitionOfWave.svg", iseohyun.com, 2024, CC-BY-SA 4.0
악보와 주파수
"music_frequency.svg", iseohyun, 2024, CC-BY-SA 4.0참고: "GClef.svg", ? , wikimedia.org, 퍼블릭 도메인
"Dotted note samples.svg", Wahoofive,wikipedia.org, 퍼블릭 도메인
물체의 진동을 나타내는 소리의 경우, 주파수가 올라가면 더 높은 소리로 인식하고, 진폭이 올라가면 크게 들립니다. 인간이 들을 수 있는 주파수를 가청주파수(audio frequency)라고 하며 20Hz ~ 20kHz 대역으로 알려져 있습니다. 이 영역은 일반적으로 나이가 들수록 좁아집니다(진폭을 늘리면 들을 수는 있습니다).
원추세포 빛 민감도
"CIE_1931_XYZ_Color_Matching_Functions.svg", Quibik , wikimedia.org, 퍼블릭 도메인
포인티니즘, Seurat 의 '서커스 퍼레이드'
"Seurat-La_Parade_detail.jpg", Georges Seurat - Metropolitan Museum of Art,
wikipedia.org, Public Domain
이 때, 우리가 빨간 물체를 볼 수 있는 것은 물체가 빨간색 빛만 반사시키기 때문입니다. 우리 눈은 빨강, 녹색, 파랑의 빛 수용체(원추세포, Cone cell)로 색을 인식합니다. [그림. 원추세포 빛 민감도]는 우리의 눈이 어떤 방식으로 색을 인식하는지 보여줍니다.
가시광선 스펙트럼은 일렬로 늘어선 색의 나열을 보여줍니다. 하지만 색상환에서 우리는 붉은색과 보라색이 매우 가까운 색으로 인식합니다. 우리는 3종류의 수용체만으로 수많은 색을 인식하는 방식에 대해서 고민해야 합니다.
먼셀의 20 색상환
"MunsellColorWheel.svg", Thenoizz, wikimedia.org, CC-BY-SA 3.0
예를 들어 노란색을 인식하는 방법은 빨강과 초록 수용체가 강하게 반응하기 때문입니다. 반대로 빨강과 초록빛이 섞였을 때, 노란빛이라고 생각합니다. 회화에서 점묘법(Pointillism)은 가까이서 보았을 때 각각의 점으로 보이지만, 멀리서 바라보았을 때, 혼합된 색으로 인식하도록 합니다. 이는 TV나 모니터의 기술과 비슷한 기술입니다.
3원색
TV나 모니터와 같이 직접 발광하는 물체는 우리 눈에 직접 빛을 조사하면 되지만, 인쇄물은 전체 빛을 종이에 투사한 후에 반사되는 빛을 이용해야 하기 때문에, 혼합되는 규칙이 조금 다릅니다. 모니터의 경우 가산혼합(좌), 인쇄물의 경우 감산혼합(우)을 합니다.
삼원색
"primary_colors.svg", iseohyun.com, 2024, CC-BY-SA 4.0
단어
| No | 영어 | 국어 |
|---|---|---|
| 1 | Line of sight | 시계선 |
| 2 | apparent diameter | 시지름 |
| 3 | solar Eclipse | 일식 |
| 4 | lunar eclipse | 월식 |
| 5 | image | 상 |
| 6 | virtual image | 허상 |
| 7 | reflection | 반사 |
| 8 | focus | 초점 |
| 9 | convex lens | 볼록 렌즈 |
| 10 | concave lens | 오목 렌즈 |
| 11 | convex mirror | 볼록 거울 |
| 12 | concave mirror | 오목 거울 |
| 13 | visible light | 가시광선 |
| 14 | gamma rays | 감마선 |
| 15 | x-ray | x 선 |
| 16 | ultraviolet | 자외선 |
| 17 | infrared | 적외선 |
| 18 | radio waves | 전파대역 |
| 19 | frequency | 주파수 |
| 20 | apmlitude | 진폭 |
| 21 | phase | 위상 |
| 22 | audio frequency | 가청주파수 |
| 23 | cone cell | 원추세포(빛 수용세포) |
| 24 | pointillism | 점묘법 |
| 25 | primary color | 원색 |
퀴즈
- 빛은 (기본적으로) 직진합니다. (, )
- 의 크기를 가늠하여 물체의 크기를 알 수 있습니다.
- 우리의 눈은 빛의 출발점으로 여겨지는 곳에서 을 봅니다.
- 거울에 들어가는 빛이 이루는 각을 거울에서 반사된 빛이 이루는 각을 이라 하며, 이 두 각은 항상 같습니다.
- 빛이 직진하는 것보다 더 빠른 길이 존재한다면 합니다.
- 빛은 물과 같은 (높은 밀도의) 매질에서 (, ).
- 소리는 물과 같은 (높은 밀도의) 매질에서 (, ).
- 빛은 중력으로 굴절될 수 있으며, 이를 라고 합니다.
- 빛은 의 일종으로, 우리가 볼 수 있는 영역을 영역이라고 합니다.
- 빛은 에 의해 다양한 색이 나옵니다.
- 파동은 1초당 몇 번의 파장의 횟수인 , 파장의 크기인 , 파장이 밀려난 각도를 나타내는 으로 기술할 수 있습니다.
- 소리도 으로 이루어져 있으며, 사람이 들을 수 있는 주파수를 라고 합니다.
- 사람은 , , 이 3개 색을 기본적으로 인지합니다.