[광학] 호이겐스의 원리 (Huygens's principle) & 전반사 (Total Internal Reflection)

호이겐스의 원리는 사실 파동쪽에서 좀 다뤄야할 내용인데 간단히 소개만 하겠습니다. 우리가 물에 돌에 던지면  그 지점을 중심으로 파원이 생성됩니다. 그러한 물결파를 보고 있으면 어느 부분은 높고 어느 부분은 낮고하는 부분이 보입니다.  우리는 이걸 마루와 골이라고 불렀었습니다. 

 

호이겐스의 원리는 이러한 마루와 골을 등위선이라는 이름 하에 각각 연결짓는것에서 시작합니다. 이들이 새로운 파면을 형성하고 또 다시 새로운 파면을 형성함으로써, 우리가 아는 구형 물결파가 생성되는 것입니다.

이런 느낌이죠. 딱히 편입물리에 중요한 내용은 아니지만  17년도 기출에서 앙페르의 법칙 공식을 적고 원리를 적으라는 문제처럼 나올 수도 있기에 소개했습니다.  그래도 출제확률이 낮다는 주장은 여전합니다.

 

이번에는 전반사입니다. 광학에서 꽤 중요한 파트를 담당하고 있습니다. 문제는 쉬운데 중요한 개념이라 문제로도 출제된 적이 있습니다. 

 

전반사의 정의는 다음과 같습니다.

- 전반사란 어떤 특정 입사각상태가 되면 그 순간부터는 굴절이 일어나지 않고 전부 반사가 일어나게 된다. 

이렇게 되기 위한 조건으로는 입사광선이 '밀한 매질에서 소한 매질로 진행되는 경우이다.'

 

밀한 매질이란? 밀한매질은 굴절률이 큰 매질을 말합니다. 용수철의 단조화운동을 생각해봅시다. 우리가 용수철을 늘리면  띄엄띄엄한 모습을 볼 수 있습니다. 이걸 '소하다' 라고 합니다. 반대로 용수철을 압축시키면 굉장히 촘촘해집니다.

이를 '밀하다' 라고 합니다.

 

이러한 느낌으로 생각하시면 됩니다. 밀한 매질은 촘촘해가지고 빛이 나아가기가 조금 힘들다~ 그래서 속력이 느려지고~ 이는 굴절률이 크다는 의미와 같다~ 이렇게 받아들이시면 되겠습니다.

 

그러면 봅시다. 밀한 매질에서 소한 매질로 진행되는 입사광선은 다음의 그림과 같은 모습을 띱니다.

전반사 그림 <출처 - '네이버 블로그' 타키온의 최강물리>

밀한 매질에서 시작한 입사광선이 소한매질로 가면 입사각보다 더 큰 굴절각을 가지면서 위 그림과 같은 꼴이 됩니다. 

이 때, 특정 입사각에 도달하면 굴절광선은 매질의 경계면과 나란하게 진행하게 됩니다. 

 

이 때의 입사각을 우리는 '임계각' 이라 표현하며  이것이 17년도 연세대 편입물리에 나왔던 문제이기도 합니다.

그러면 이 문제를 어떻게 푸는게 좋을까요?

 

간단합니다. 스넬의 법칙을 이용하면 되는데, 우리는 굴절각이 90도라는 것을 알고있기 때문에 sin90은 1이됨을 알 수 있습니다. 따라서, 굴절률만 알면 임계각을 알 수 있습니다. 

2017학년도 연세대학교 편입물리 기출문제 中

답은 3번입니다. 해설은 생략합니다. 너무 간단하죠?