빛과 파동

앞에서

같은 개념 · 앞 층 · 초4 · 그림자와 거울빛의 반사와 굴절빛은 곧게 나아가다가 거울에 부딪치면 방향이 바뀌어 나아가요. 거울에 비친 모습은 좌우가 바뀌어 보여요.

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중학에서 — 이 단원

이 단원 · 중2 · 빛과 파동빛의 반사와 굴절

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다음에

같은 개념 · 다음 층 · 고등 물리학 · 빛빛의 반사와 굴절굴절의 정도를 굴절률로 수량화하고, 빛이 경계면에서 모두 반사되는 전반사를 광섬유에 이용해요.

태양 · 전등처럼 스스로 빛을 내는 물체를 광원이라고 해요. 광원의 빛은 곧게 나아가다가(빛의 직진) 물체에 부딪치면 되돌아 나오는데, 이것이 빛의 반사예요. 거울 면에 수직인 선(법선)과 들어오는 빛 사이의 각이 입사각, 반사되어 나가는 빛 사이의 각이 반사각이고, 늘 입사각과 반사각이 같아요(반사 법칙).

매끄러운 거울에서는 빛이 한 방향으로 반사되지만(정반사), 종이 · 옷처럼 울퉁불퉁한 면에서는 여러 방향으로 흩어져 반사돼요(난반사). 그래서 칠판 글씨는 교실 어디에서나 보여요.

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빛의 반사와 굴절

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자료 · 계산 반사 법칙과 굴절(공기 1.00 · 물 1.33 · 유리 1.5 의 굴절률로 계산해 그림 — 굴절의 식은 고등학교에서)

해 볼 것 · 입사각을 바꾸며 반사각이 늘 같아지는지 보세요. ‘빛의 굴절’에서 공기 ↔ 물 · 유리로 빛을 보내 꺾이는 방향을 비교하고, ‘물속 동전 보기’를 켜 보세요. ‘물체를 보는 과정’에서는 전등을 꺼 봐요.

빛이 공기에서 물이나 유리로 들어갈 때처럼, 다른 물질의 경계를 지날 때 빛이 꺾여 나아가는 것을 빛의 굴절이라고 해요. 빛이 나아가는 빠르기가 물질마다 다르기 때문이에요. 공기에서 물로 들어갈 때는 법선 쪽으로, 물에서 공기로 나올 때는 법선에서 멀어지는 쪽으로 꺾여요.

물속의 동전이 실제보다 떠 보이고 컵 속 빨대가 꺾여 보이는 것도 굴절 때문이에요. 물속에서 나온 빛이 수면에서 꺾여 눈에 들어오는데, 눈은 빛이 곧게 온 것으로 여기기 때문이에요.

우리가 물체를 보는 것은 광원에서 나온 빛이 물체에서 반사되어 눈에 들어오기 때문이에요. 광원은 그 빛이 곧바로 눈에 들어와 보여요. 빛이 전혀 없는 깜깜한 방에서는 물체가 보이지 않아요.

같이 풀어 보기 1반사각 구하기

거울 면과 들어오는 빛 사이의 각이 30° 예요. 입사각과 반사각은 각각 몇 도일까요?

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입사각은 법선과 빛 사이의 각이에요. 법선은 거울 면에 수직이므로 입사각은 $90^\circ - 30^\circ = 60^\circ$ 이고, 반사각도 입사각과 같은 60° 예요.

같이 풀어 보기 2보는 길 그리기

책상 위의 사과를 보는 과정을 빛이 나아가는 길로 차례대로 쓰세요.

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광원(전등 · 태양)에서 나온 빛 → 사과에 부딪쳐 반사 → 반사된 빛이 눈으로 들어옴 → 사과가 보여요.

앞에서

같은 개념 · 앞 층 · 초6 · 빛과 렌즈거울과 렌즈볼록 렌즈는 빛을 한 곳으로 모아요. 볼록 렌즈로 가까운 물체를 보면 크게 보여요(돋보기).

먼저 알 것 · 초4 · 그림자와 거울빛의 반사와 굴절빛은 곧게 나아가다가 거울에 부딪치면 방향이 바뀌어 나아가요. 거울에 비친 모습은 좌우가 바뀌어 보여요.

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중학에서 — 이 단원

이 단원 · 중2 · 빛과 파동거울과 렌즈

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같은 개념 · 다음 층 · 고등 물리학 · 빛거울과 렌즈렌즈와 거울의 초점 거리로 상이 생기는 위치와 크기를 식으로 구하고, 실상과 허상을 구별해요.

거울에 비친 모습을 상이라고 해요. 물체에서 나온 빛이 평면거울에서 반사되어 눈에 들어오면, 눈은 그 빛을 거슬러 곧게 이어 거울 뒤에서 온 것처럼 여겨요. 그래서 거울 뒤에 물체가 있는 것처럼 보여요. 평면거울의 상은

• 물체와 크기가 같고,
• 거울에서 물체까지의 거리와 거울에서 상까지의 거리가 같으며,
• 좌우가 바뀌어 보여요.

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거울과 렌즈

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자료 · 계산 반사 법칙과 얇은 렌즈 · 거울의 식으로 그린 빛의 길 — 상은 크기와 방향만 견줌

해 볼 것 · 평면거울 앞의 R 을 옮기며 거울에서 상까지의 거리를 비교하세요. ‘거울과 렌즈’에서 네 가지를 골라 물체까지의 거리를 바꾸며 상이 커지고 작아지는지, 바로 서고 거꾸로 서는지 봐요.

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거울 방 3D

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자료 · 계산 빛의 길은 반사 법칙(입사각 = 반사각)으로 계산해요. 거울 뒤 모습은 거울 면에 대해 사람 · 바닥을 뒤집어 그린 것

해 볼 것 · 눈의 자리를 앞뒤 · 옆으로 옮겨 보세요. 공에서 나온 빛(노란 선)이 거울에 닿는 곳은 바뀌지만, 점선이 모이는 상의 자리는 거울 뒤 같은 거리에 그대로예요. 사람이 오른손에 든 공이 거울 속에서는 어느 손에 있는지도 봐요. ‘전신 거울의 높이’에서는 거울을 줄여 가며 온몸이 보이는 가장 작은 거울을 찾아봐요.

반사면이 둥글게 굽은 거울과, 빛을 굴절시키는 렌즈는 상의 크기와 방향을 바꿔요.

종류	빛을	보이는 상	쓰임
오목 거울	모은다	가까이: 크고 바로 선 상 · 멀리: 거꾸로 선 상	화장 거울 · 손전등 반사경
볼록 거울	퍼뜨린다	늘 작고 바로 선 상 (넓게 보임)	자동차 측면 거울 · 도로 반사경
볼록 렌즈	모은다	가까이: 크고 바로 선 상 · 멀리: 거꾸로 선 상	돋보기 · 카메라 · 원시 안경
오목 렌즈	퍼뜨린다	늘 작고 바로 선 상	근시 안경

오목 거울은 빛을 한곳으로 모으므로, 희미한 별빛을 모아 보는 반사 망원경의 주거울로 써요. 거울이 클수록 빛을 많이 모아 더 희미하고 먼 천체까지 볼 수 있어요.

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우주 망원경의 오목 거울 — NASA 3D

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자료 · 계산 NASA 3D Resources 의 실제 3D 모형(퍼블릭 도메인) — 창조의 기둥(STScI), 게 성운(찬드라), 카시오페이아 A(NASA/T. Delaney), 초신성 1987A(S. Orlando), 허블 · 제임스 웹(NASA). 휴대폰에 맞게 삼각형 수를 줄였어요

해 볼 것 · 제임스 웹을 돌려 금빛 육각형 거울 18장을 찾아보세요. ‘▶ 빛이 모이는 길 보기’를 누르면, 나란히 온 빛이 오목 거울(주거울)에서 반사되어 앞의 작은 부거울로 모였다가 주거울 가운데 구멍을 지나 관측 장치로 들어가요. ‘허블’도 같은 반사 망원경이에요.

같이 풀어 보기 3거울 앞에 서면

거울에서 1.5 m 떨어져 선 사람이 거울 쪽으로 0.5 m 다가갔어요. 거울 속 상과 사람 사이의 거리는 몇 m 가 될까요?

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다가간 뒤 거울까지의 거리는 $1.5 - 0.5 = 1$ m 이고, 상도 거울 뒤 1 m 에 있어요. 그래서 사람과 상 사이는 $1 + 1 = 2$ m, 2 m 예요.

같이 풀어 보기 4어떤 거울일까

굽은 길 모퉁이에 세워 둔 반사경은 비친 모습이 작게 보이지만 넓은 범위가 보여요. 어떤 거울이고, 왜 이 거울을 쓸까요?

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볼록 거울이에요. 볼록 거울은 빛을 퍼뜨려 늘 작고 바로 선 상을 보여 주는 대신 넓은 범위를 한꺼번에 비춰, 모퉁이 너머의 차를 미리 볼 수 있어요.

앞에서

먼저 알 것 · 초4 · 그림자와 거울빛의 반사와 굴절빛은 곧게 나아가다가 거울에 부딪치면 방향이 바뀌어 나아가요. 거울에 비친 모습은 좌우가 바뀌어 보여요.

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중학에서 — 이 단원

이 단원 · 중2 · 빛과 파동빛의 합성과 물체의 색

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더 높은 층은 준비 중

빨강 · 초록 · 파랑 빛을 빛의 삼원색이라고 해요. 두 가지 이상의 빛을 겹치면 다른 색의 빛으로 보이는데, 이것을 빛의 합성이라고 해요. 빛을 합성하면 더 밝아져요(물감을 섞으면 어두워지는 것과 달라요).

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빛의 합성과 물체의 색

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자료 · 계산 빛의 삼원색(빨강 · 초록 · 파랑)을 더하는 합성과, 물체가 반사하는 빛으로 정해지는 색의 모형

해 볼 것 · 빛을 하나씩 끄고 켜며 겹친 곳의 색을 보세요. ‘물체의 색’에서 사과 · 잎 · 바나나에 여러 빛을 비추고, ‘화면 속 빛’에서 화면이 색을 만드는 방법을 봐요.

햇빛 같은 흰빛에는 여러 색의 빛이 섞여 있어요. 물체는 그 가운데 일부를 반사하고 나머지는 흡수하는데, 반사한 빛의 색이 그 물체의 색으로 보여요. 빨간 사과는 빨간빛을 반사하고, 흰 종이는 모든 빛을 반사하며, 검은 종이는 거의 모든 빛을 흡수해요. 그래서 빨간 사과에 초록빛만 비추면 반사할 빨간빛이 없어 검게 보여요.

텔레비전 · 휴대폰 화면은 빨강 · 초록 · 파랑의 아주 작은 빛(화소)으로 되어 있어요. 이 빛들의 세기를 조절해 합성하면 여러 가지 색을 나타낼 수 있어요.

같이 풀어 보기 5초록빛 아래의 바나나

노란 바나나는 빨간빛과 초록빛을 반사해요. 바나나에 초록빛만 비추면 무슨 색으로 보일까요? 파란빛만 비추면요?

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초록빛을 비추면 바나나가 초록빛을 반사하므로 초록색으로 보여요. 파란빛을 비추면 반사할 빛이 없어 검은색으로 보여요.

앞에서

같은 개념 · 앞 층 · 초3 · 소리의 성질파동과 소리소리는 물체가 떨릴 때 나요. 큰 소리와 작은 소리, 높은 소리와 낮은 소리가 있고, 소리는 공기 · 물 · 나무 같은 물질을 통해 전달돼요.

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중학에서 — 이 단원

이 단원 · 중2 · 빛과 파동파동과 소리

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같은 개념 · 다음 층 · 고등 물리학 · 파동파동과 소리파동의 속력 = 진동수 × 파장으로 나타내고, 파동이 겹치거나 장애물 뒤로 퍼지는 간섭 · 회절을 다뤄요.

잔잔한 물에 돌을 던지면 물결이 둘레로 퍼져 나가요. 이렇게 한곳에서 생긴 진동이 둘레로 퍼져 나가는 것을 파동이라고 하고, 진동을 전달하는 물질을 매질이라고 해요. 물결 위의 나뭇잎이 제자리에서 오르내리는 것처럼, 파동이 지나가도 매질은 제자리에서 진동할 뿐이고 에너지가 전달돼요.

• 진폭: 진동의 중심에서 가장 높은 곳(마루)까지의 높이
• 파장: 마루와 이웃한 마루 사이의 거리
• 진동수: 매질이 1초 동안 진동하는 횟수(단위 Hz, 헤르츠)

소리는 물체의 진동이 공기 같은 매질을 통해 전달되는 파동이에요. 공기 · 물 · 고체 모두 소리를 전달하지만, 매질이 없는 진공에서는 소리가 전달되지 않아요. 소리의 특성은 세 가지로 나타내요.

• 크기: 진폭이 클수록 큰 소리
• 높낮이: 진동수가 클수록 높은 소리
• 음색: 파형(파동의 모양)이 다르면 음색이 달라요 — 같은 높이의 소리도 피아노와 바이올린이 다르게 들려요.

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파동과 소리

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자료 · 계산 파형은 진폭 · 진동수 · 파형으로 계산하고, 소리는 브라우저가 그 파형으로 직접 만들어 들려줘요

해 볼 것 · ‘파동’에서 진폭과 진동수를 바꿔 보고, 빨간 점(한 입자)이 어떻게 움직이는지 보세요. ‘소리의 세 요소’에서 크기 · 높낮이 · 음색을 바꾸며 파형을 보고 ‘1초 들어 보기’로 직접 들어 봐요.

같이 풀어 보기 6파동의 모습 읽기

위의 파동 그래프에서 진폭과 파장을 읽고, 이 파동이 1초에 2번 진동한다면 진동수는 몇 Hz 인지 쓰세요.

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진폭은 중심에서 마루까지 3 cm, 파장은 마루와 마루 사이 4 m 예요. 1초에 2번 진동하므로 진동수는 2 Hz 예요.

같이 풀어 보기 7소리의 세 요소

기타 줄을 세게 튕길 때와 약하게 튕길 때, 줄을 짧게 누르고 튕길 때 소리는 각각 어떻게 달라질까요? 파형과 관련지어 쓰세요.

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세게 튕기면 진폭이 커져 큰 소리, 약하게 튕기면 작은 소리가 나요. 줄을 짧게 하면 더 빨리 진동해 진동수가 커지므로 높은 소리가 나요.

한 장 요약

한 장 요약

1. 반사: 입사각 = 반사각(법선 기준) — 정반사 · 난반사. 굴절: 다른 물질의 경계에서 꺾임(공기 → 물은 법선 쪽). 물체를 보는 과정: 광원 → 물체에서 반사 → 눈.
2. 평면거울의 상: 크기가 같고, 거울까지 거리가 같으며, 좌우가 바뀜. 오목 거울 · 볼록 렌즈는 빛을 모으고(가까이 크게 · 멀리 거꾸로), 볼록 거울 · 오목 렌즈는 퍼뜨려요(늘 작고 바로 선 상).
3. 빛의 삼원색: 빨강 + 초록 = 노랑, 초록 + 파랑 = 청록, 빨강 + 파랑 = 자홍, 셋 = 흰색. 물체의 색 = 반사하는 빛의 색. 화면은 삼원색 화소로 색을 나타내요.
4. 파동: 진동이 퍼져 나감, 매질은 제자리에서 진동하고 에너지가 전달. 진폭 · 파장 · 진동수(Hz). 소리: 크기 = 진폭, 높낮이 = 진동수, 음색 = 파형. 진공에서는 소리가 전달되지 않아요.