파동은 왜 휘어질까? 물리 난관 ‘호이겐스의 원리’를 마법 같은 시뮬레이션으로 정복하기 (스크래치)
과학 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험이죠.
물리를 공부하는 분들에게 ‘파동’의 정체를 밝혀내는 데 있어 가장 큰 난관은 바로 하위헌스의 원리가 아닐까 싶습니다. “교과서를 읽어도 왠지 추상적이고 와닿지 않아…”라고 느끼는 것도 당연합니다. 왜냐하면 하위헌스의 원리의 본질은 정지된 화면이 아니라 연속적인 움직임 속에 있기 때문입니다.
이번에는 17세기 과학자 크리스티안 하위헌스가 머릿속으로 그렸던 ‘파동이 움직이는 원리’를 프로그래밍 교구를 활용해 시각적으로 파헤쳐 보겠습니다!
하위헌스의 원리가 유독 어렵게 느껴지는 이유는?
하위헌스의 원리는 파동이 어떻게 전달되는지를 설명하는 일종의 궁극의 바통 터치 같은 개념입니다. “파동의 면에 있는 모든 점이 새로운 작은 파동(소원파)을 만드는 근원이 된다”는 이 이론은 교과서의 그림만으로는 시간의 흐름을 따라가기 어렵기 때문에 이해하기가 쉽지 않습니다.
하지만 이 원리만 마스터하면 “왜 빛과 소리는 반사되는가?”, “왜 파동은 장애물을 돌아 들어가는가?”와 같은 질문들이 하나의 심플한 규칙으로 모두 연결됩니다.
그래서 제가 프로그래밍(Scratch)으로 제작한 ‘움직이는 교구’가 나설 차례입니다! 파라미터를 직접 조절하며 파동의 움직임을 실험해 보세요.
저 역시 이 시뮬레이터를 만드는 동안 “아하, 이게 이런 뜻이었구나!” 하며 무릎을 탁 쳤던 적이 한두 번이 아닙니다. 여러분도 꼭 직접 만져보며 즐겁게 배워보세요. 그럼 이해가 쑥쑥 되는 6가지 단계를 살펴볼까요?
하위헌스의 원리: 6가지 움직이는 교구
1. 점파원: 모든 파동의 시작을 알다
먼저 단 하나의 점에서 퍼져 나가는 소원파의 움직임을 이미지화하는 것부터 시작합니다. 모든 파동은 이 작은 원의 확산으로 구성됩니다.
https://scratch.mit.edu/projects/215885692/
2. 선파원: 파동의 팀워크
파동이 선 모양으로 나아갈 때, 사실은 무수히 많은 점에서 나온 소원파들이 겹쳐져 있습니다. 수많은 작은 파동들이 손을 잡음으로써 하나의 커다란 파면이 만들어지는 모습을 확인해 보세요.
https://scratch.mit.edu/projects/215883003/
3. 하위헌스와 회절: 파동이 굽어 들어가는 신비
벽 뒤에 있어도 소리가 들리는 이유는 무엇일까요? 바로 파동이 회절하기 때문입니다. 좁은 틈을 지날 때 파동이 어떻게 돌아 들어가는지, 2번 선파원과 비교해 보면 그 차이가 확연히 드러납니다.
https://scratch.mit.edu/projects/216301782/
4. 하위헌스와 반사: 거울 법칙의 비밀
“입사각과 반사각은 같다.” 그냥 외우기 쉬운 이 법칙도 하위헌스의 원리를 이용하면 필연적인 결과임을 알 수 있습니다. 매질이 바뀌지 않기에 똑같은 속도로 파동이 튕겨 나가는 아름다움을 체감해 보세요.
https://scratch.mit.edu/projects/216301676/
5. 하위헌스와 굴절: 파동의 발걸음이 바뀔 때
물에서 유리로, 혹은 깊은 곳에서 얕은 곳으로. 파동의 속도가 변할 때 파동은 휘어지게 됩니다. 소원파가 퍼져 나가는 방식에 주목하면 굴절의 정체가 보입니다.
https://scratch.mit.edu/projects/216301701/
6. 굴절 법칙의 작도법: 미래의 파동을 그리는 기술
시험에 자주 나오는 작도 문제입니다. 왜 소원파의 원에 접선을 긋는지 그 근거를 알게 되면 더 이상 헷갈리지 않습니다. 시뮬레이션과 작도를 함께 보면 물리학적 사고 과정이 깔끔하게 정리됩니다.
https://scratch.mit.edu/projects/216301733/
어떠셨나요? 멈춰 있던 교과서의 그림이 여러분의 머릿속에서 생동감 넘치는 애니메이션으로 바뀌었다면 정말 기쁘겠습니다. 한꺼번에 체험하고 싶은 분들을 위해 스튜디오도 마련해 두었으니 이곳에서 꼭 도전해 보세요. 파동의 세계는 알면 알수록 흥미로운 발견으로 가득하답니다!
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