[일반물리학] Serway 대학물리학2 예제 36.4 - 굴절에 관한 질문 (Color, circle, refraction, light, phase, reflection, boundary, change, situation, air, SiO, boundary, Si, interference, phenomenon)

질문 요약

사진에서 파란색으로 동그라미 친 부분에서 n=1.45에서 n=1로 진행하므로 밀->소 가 아닌 왜 소->밀 일까요? 빛이 처음 굴절되서 온 n=1.45에서 n=3.5 소->밀이 계속 유지되는 건가요? (사진 링크: https://drive.google.com/uc?id=1jxz1w_5tkDUAvLC1ooSrYfmvPrOYH0fT)

답변 요약

위상 변화는 빛이 반사될 때 발생하며, 특히 밀도가 낮은 매질에서 밀도가 높은 매질로 빛이 입사하고 반사될 때 경계면에서 180도 변화합니다. 그림에서 파란색 부분은 빛이 투과하는 상황을 나타내므로 위상이 바뀌지 않습니다. 예를 들어, 공기와 SiO 경계에서 1번 빛이 반사되면 위상이 180도 바뀌지만, 2번 빛은 공기에서 SiO를 통과한 후 Si에서 반사되고 SiO와 공기를 다시 통과합니다. 이 과정 중 SiO와 Si 경계에서만 위상이 바뀝니다. 결과적으로 1번과 2번 빛 사이에는 위상차가 없으며, 두 빛의 간섭 현상이 나타납니다.

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[일반물리학] Serway 대학물리학2 예제 36.4 - 굴절에 관한 질문

물리학에서 굴절 현상은 빛이 서로 다른 두 매질의 경계면에서 전파 속도의 차이로 인해 그 방향이 변하는 현상을 말합니다. 이러한 굴절 현상은 스넬의 법칙으로 설명할 수 있으며, 매질의 굴절률(refractive index)은 그 매질에서 빛이 전파하는 속도를 나타내는 중요한 물리량입니다.

질문하신 사항에 대해 설명하자면, 빛이 굴절률이 n=1.45인 매질에서 n=1인 매질로 진행할 때, 일반적으로 '소->밀'이라고 표현하는 것은 빛의 전파 속도가 느려지는 경우를 의미합니다. 그러나 여기서는 반대 상황, 즉 빛이 굴절률이 더 높은 매질에서 낮은 매질로 이동하는 '밀->소' 상황입니다. 이 경우 빛의 속도는 빠르게 변하며, 빛은 매질 경계면에서 멀어지는 방향으로 굴절합니다.

이미지에 보이는 상황에서는 빛이 더 높은 굴절률을 가진 매질에서 더 낮은 굴절률을 가진 매질로 진행하기 때문에 '밀->소' 상황이 발생합니다. 그림 속의 파란색 동그라미 부분이 바로 그러한 상황을 나타내고 있습니다.

• n=1.45에서 n=1로 진행하는 경우 빛은 더 높은 굴절률을 가진 매질에서 더 낮은 굴절률을 가진 매질로 이동하므로, 이는 '밀->소' 상황에 해당합니다.
• 실제로 빛이 더 높은 굴절률을 가진 매질에서 더 낮은 굴절률을 가진 매질로 이동할 때 굴절률의 차이에 따라서 빛의 경로가 법선으로부터 멀어지는 방향으로 굴절됩니다.

위상 변화는 빛이 두 매질의 경계면에서 반사될 때 발생하는데, 일반적으로 매질의 밀도가 낮은 곳에서 밀도가 높은 곳으로 빛이 입사하고 반사될 때 경계면에서 180도의 위상 변화가 일어납니다. 그러나 빛이 투과하는 경우에는 이러한 위상 변화가 발생하지 않습니다. 즉, 빛이 한 매질에서 다른 매질로 들어가면서 투과되는 경우, 위상 변화는 고려하지 않습니다.

주어진 그림에서 보이듯이, 빛이 SiO2에서 Si 매질로 통과한 후 Si에서 반사되어 다시 SiO2와 공기를 통과합니다. 이때 SiO2와 Si 경계면에서만 위상 변화가 발생하고, 나머지 과정에서는 위상 변화가 일어나지 않습니다. 따라서 처음 공기와 SiO2 경계에서 반사된 빛(1번 빛)과 Si에서 반사된 뒤 투과된 빛(2번 빛)은 위상차가 없게 되어, 이 두 빛은 간섭 현상을 나타낼 수 있습니다.

결론적으로, 빛이 매질을 통과하면서 굴절되는 상황과 반사되면서 위상 변화를 겪는 상황은 서로 다르게 처리되어야 하며, 이러한 이해를 바탕으로 간섭과 위상차 현상을 설명할 수 있게 됩니다.

아래 링크에서는 굴절률과 굴절에 대한 보다 자세한 정보를 얻을 수 있습니다.

굴절률에 대한 자세한 정보

물리학에서 굴절과 관련된 현상을 이해하는 것은 빛의 행동과 그 원리를 파악하는 데 매우 중요하며, 광학 기기의 설계와 분석에도 필수적입니다. Serway 대학물리학 책에서 제시된 예제들은 이러한 개념을 명확히 이해하는 데 도움을 줄 것입니다.

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