젓가락이 끊어졌다고? 거꾸로 움직였다고? 물이 담긴 컵 속의 신기한 상
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험!
물이 담긴 컵에 나무젓가락을 넣었을 뿐인데, 젓가락이 뚝 끊어져 보이거나 거꾸로 움직이는 젓가락이 나타난다면 깜짝 놀라지 않을까요? 이번에는 컵과 나무젓가락으로 빛이 만들어 내는 신기한 ‘상’을 관찰해 보았습니다.
컵 한가운데에 넣으면 쭉 곧게 보인다
컵 속에 나무젓가락을 넣고 어떤 상이 생기는지 살펴보았습니다. 젓가락을 수직으로 세워 컵 속 물의 한가운데쯤에 넣고 바깥에서 관찰하면, 젓가락은 곧게 보입니다.
컵 한가운데 있는 젓가락에서 나온 빛은 컵의 표면을 거의 수직에 가깝게 빠져나오기 때문에 별로 꺾이지 않습니다. 빛은 물과 공기처럼 성질이 다른 물질의 경계를 비스듬히 지날 때 꺾이는데, 이 현상을 ‘굴절’이라고 합니다. 정면에서 들어오는 빛은 꺾이지 않고 곧장 나아가기 때문에, 젓가락도 평소 모습 그대로 보이는 것이지요.
가장자리에 넣으면 젓가락이 끊어져 보인다
이번에는 젓가락을 컵의 가장자리 쪽에 넣어 보겠습니다. 그러면 수면을 경계로 젓가락이 뚝 끊어진 것처럼 보입니다.
가장자리로 갈수록 젓가락에서 나온 빛이 컵의 표면을 비스듬하게 지나가게 되어 크게 꺾입니다. 그래서 물속에 있는 부분과 물 위에 있는 부분이 보이는 위치가 어긋나, 젓가락이 부러졌거나 끊어진 것처럼 보이는 거예요. 욕조 속 내 다리가 짧아 보이거나 수영장 바닥이 실제보다 얕아 보이는 것도 똑같이 굴절 때문입니다.
젓가락을 가로로 눕혀서 컵 뒤로 지나가 보면…
이번에는 젓가락을 가로로 눕혀서 컵 뒤쪽으로 지나가 보았습니다. 조금씩 움직여 보니, 어느 순간 진짜 젓가락과는 반대 방향으로 움직이는 상이 나타났습니다! 그 상은 진짜 젓가락과 맞닿더니 합쳐졌고, 더 밀고 나가자 컵의 가장자리에서 쑥 튀어나오는 것처럼 보였습니다.
오른쪽에서 뭔가 나왔다!
합체!
물이 담긴 컵은 ‘렌즈’였다
도대체 왜 이런 일이 벌어질까요? 사실 물이 담긴 둥근 컵은 옆에서 보면 돋보기처럼 빛을 모으는 ‘볼록 렌즈’와 같은 역할을 합니다. 컵 뒤에 있는 젓가락에서 나온 빛은 물을 지나면서 꺾여 한 번 모였다가 다시 퍼져 나갑니다.
볼록 렌즈는 물체가 렌즈에서 멀리 있을 때 상하좌우가 뒤집힌 상을 만들어 냅니다. 컵의 경우에는 좌우가 바뀐 상이 보여요. 그래서 젓가락의 상이 컵 속에서 반대 방향으로 움직이는 것처럼 보였던 것입니다. 컵의 유리는 얇기 때문에, 렌즈 역할의 주인공은 안에 들어 있는 물이라고 생각하면 됩니다.
젓가락을 움직이면 진짜 젓가락의 움직임과 컵 속 상의 움직임은 서로 반대가 됩니다. 그리고 상과 진짜 젓가락이 맞닿은 뒤 컵 가장자리에서 빠져나가는 것처럼 보이는 것은, 젓가락의 위치에 따라 빛의 경로가 차례차례 바뀌기 때문입니다.
우리 주변의 ‘물 렌즈’
물이 렌즈처럼 작용하는 예는 이 밖에도 있습니다. 예를 들어 나뭇잎에 맺힌 물방울을 들여다보면 잎맥이 크게 보일 때가 있어요. 또 물을 채운 투명한 페트병 너머로 풍경을 보면 일그러져 보이거나 거꾸로 보이기도 합니다.
준비물은 투명한 컵과 물, 그리고 나무젓가락(또는 연필)뿐입니다. 컵에 물을 담고 뒤에서 젓가락을 천천히 움직이며 상이 어떻게 보이는지 관찰해 보세요. 컵의 굵기, 물의 양, 젓가락까지의 거리를 바꾸면 보이는 모습은 어떻게 달라질까요? 친구나 가족과 “왜 이렇게 보이는 걸까?” 하고 서로 예상해 보는 것도 재미있답니다.
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