빛의 분산 프리즘 시뮬레이터 가이드

물리학중급읽기 시간: 3 분

개요

1666년, 뉴턴은 암실에서 한 줄기 햇빛을 삼각 프리즘에 통과시켰고, 벽에는 무지개처럼 찬란한 7색 띠가 나타났습니다. 이 실험은 '빛은 순수하고 단일한 실체'라는 전통적인 믿음을 완전히 깨뜨렸습니다. 이 실험은 뉴턴의 고전적인 발견을 재현하여 삼각 프리즘을 통한 백색광의 분해 과정을 시뮬레이션하고, 서로 다른 단색광의 굴절 특성상의 미세한 차이를 탐구합니다.

배경 지식

뉴턴 이전에는 백색광이 가장 순수하며, 색은 물체에 의한 빛의 일종의 '오염'으로 인해 발생한다고 널리 믿어졌습니다. 뉴턴은 유명한 '프리즘 실험'을 통해 백색광이 실제로는 다른 색깔의 빛이 혼합된 것임을 증명했습니다. 더 기발하게도 그는 두 번째 프리즘을 사용하여 7가지 색의 빛을 다시 백색광으로 재결합하여 빛의 분산 이론을 반박할 수 없게 확인했습니다. 이 발견은 분광학의 문을 열어 수십억 광년 떨어진 별의 구성 성분까지 분석할 수 있게 해주었습니다.

핵심 개념

빛의 분산 (Dispersion)

복합광이 단색광으로 분해되는 현상입니다. 백색광이 프리즘을 통과한 후 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라의 7가지 색으로 분해됩니다.

스펙트럼 (Spectrum)

복합광이 분해된 후 파장(또는 진동수) 순서대로 배열된 유색 광대입니다. 이것은 백색광의 '지문'입니다.

굴절률과 진동수/파장

n_{\text{violet}} > n_{\text{red}}

매질의 굴절률은 빛의 색에 따라 다릅니다. 진동수가 높고 파장이 짧은 빛(예: 보라색 빛)은 굴절률이 더 크고 더 크게 편향됩니다.

공식 및 유도

편향과 굴절률의 관계

\delta \propto n - 1

유리의 보라색 빛에 대한 굴절률

n

이 더 크기 때문에 프리즘을 통과할 때 원래 진행 방향에서 벗어나는 편향 각도

\delta

는 보라색 빛이 가장 크고 빨간색 빛이 가장 작습니다.

실험 단계

1
뉴턴의 실험 재현
백색 광선이 삼각 프리즘에 입사하는 과정을 관찰하십시오. 프리즘의 첫 번째 경계면에서 빛에 무슨 일이 일어납니까? 프리즘 내부로 들어간 후에도 광선은 여전히 흰색입니까?
2
편향 각도 탐구
'입사각' 슬라이더를 드래그하여 빛의 입사 방향을 변경합니다. 프리즘을 떠나는 유색 광대를 주의 깊게 관찰하십시오. 어떤 색의 빛이 가장 많이 편향됩니까(위치가 가장 낮음)? 어떤 것이 가장 적게 편향됩니까?
3
스펙트럼 배열 비교
빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라의 7가지 색 순서를 기록하십시오. 파장 데이터를 비교할 때 굴절률 크기와 파장 사이에 어떤 규칙을 발견합니까?
4
비가시광선 탐구
'적외선 표시'와 '자외선 표시'를 클릭하십시오. 그것들은 스펙트럼의 어느 영역에 위치합니까? 이 분포를 통해 적외선이 왜 상당한 열 효과를 갖는지 추측할 수 있습니까?

학습 목표

백색광이 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라의 7가지 단색광으로 구성된 복합광임을 확인합니다.
분산 후 스펙트럼 배열 순서와 그것이 나타내는 편향 능력의 차이를 숙달합니다.
프리즘 분산의 원리를 이해합니다: 동일한 매질이라도 파장이 다른 빛에 대해 굴절률이 다릅니다.
스펙트럼의 비가시 영역(적외선 영역 및 자외선 영역)을 인식합니다.

실제 적용

무지개: 비가 온 후 공기 중의 작은 물방울에 햇빛이 들어와 굴절, 반사, 다시 굴절을 거쳐 분산 현상이 발생합니다.
스펙트럼 분석: 과학자들은 먼 별이 방출하는 스펙트럼을 분석하여 구성 원소를 확인할 수 있습니다.
광섬유 통신: 분산 보상 기술을 사용하여 장거리 전송 시 신호 무결성을 보장합니다.
보석 감정: 다이아몬드의 높은 분산 값(파이어)은 아름다움의 중요한 이유이며 진위 판정에도 사용할 수 있습니다.

일반적인 오해

오해

프리즘이 빛에 색을 '입힌다'.

정답

틀렸습니다. 프리즘은 백색광에 이미 존재하는 다양한 단색광을 다른 굴절 경로를 통해 '분류'할 뿐이며 새로운 색을 생성하지 않습니다.

오해

적외선은 빨간색이고 자외선은 보라색이다.

정답

틀렸습니다. 적외선과 자외선은 모두 육안으로 볼 수 없습니다. 우리가 보통 히터에서 보는 빨간 빛은 적외선 자체가 아니라 부수적으로 발생하는 가시적인 빨간 빛입니다.

추가 읽을거리

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