빛의 굴절을 잡아라! 네 개의 바늘이 밝혀내는 빛의 경로 (트릭 사진을 간파하라!)
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠.
물컵에 담긴 빨대가 마치 꺾인 것처럼 보이거나, 수영장 바닥이 실제보다 얕아 보이는 신기한 경험, 다들 한 번쯤 해보셨죠? 이 모든 것이 빛이 ‘굴절’하는 현상, 즉 빛이 꺾이는 현상 때문에 일어납니다.
하지만 ‘빛이 꺾인다’고만 하면, 눈에 보이지 않는 빛의 경로를 머릿속으로 그려내기란 쉽지 않습니다. 교과서나 참고 자료의 그림만으로는 학생들이 “아하!” 하고 무릎을 치기가 어렵죠. 그래서 오늘은 눈에 보이지 않는 빛의 경로를 ‘잡아내는’, 아주 특별한 실험을 소개해 드립니다!
사용할 도구는 과학 실험에서 흔히 쓰는 ‘유리 블록(Glass Block)’입니다. 하지만 여기에 ‘아주 가까운 도구’ 하나만 살짝 추가하면, 학생들의 깨달음(“아, 그렇구나!”)이 두 배로 커집니다. 그 비밀 병기는 바로 바느질 상자에 들어있는 ‘시침핀’입니다!
‘응? 시침핀으로 뭘 한다고?’라고 생각하셨다면, 대단합니다! 오늘 실험을 통해 빛이 왜 꺾이는지, 그리고 왜 사진처럼 머리와 목이 분리된 듯한 트릭 사진을 찍을 수 있는지, 그 모든 미스터리를 파헤쳐 봅시다.
(참고로 이 효과적인 실험은 동료인 S 선생님께 배워 이해를 더욱 깊게 할 수 있었습니다. 정말 멋진 실험입니다!)
준비물
- 유리 블록(직육면체): 학생 수 또는 그룹 수만큼
- 도화지 (A4 사이즈 정도): 흰색이 빛의 경로를 확인하기 쉽습니다.
- 시침핀: 4개 × 학생 수 또는 그룹 수만큼 (여분도 넉넉하게)
- 광원 장치: 레이저 포인터로도 대체 가능하지만, 빛의 경로를 선으로 확인할 수 있는 것이 가장 좋습니다.
- 연필, 자
- (있다면) 암막 또는 차광 커튼: 교실을 어둡게 할 수 있다면 빛의 경로가 더욱 선명하게 보입니다.
실험 순서: 빛의 경로를 ‘시각화’하기
학생들이 스스로 참여하여 실험을 진행할 수 있도록 다음 순서로 실험을 시작해 봅시다. 실험에 사용할 워크시트는 여기서 다운로드할 수 있습니다.
워크시트
작업이 조금 세밀할 수 있으므로, 미리 영상을 통해 확인해 보는 것을 추천합니다.
1. 시침핀으로 ‘빛의 경로’ 따라가기
먼저, 도화지 위에 유리 블록을 올려놓고 연필로 그 모양을 따라 그립니다. 다음으로, 유리 블록을 잠시 치우고 도화지의 적당한 위치(검은 점)에 시침핀 2개를 꽂습니다. 이것이 ‘광원(보고 싶은 물체)’의 역할을 합니다.
유리 블록을 원래 위치로 되돌려 놓고, 유리 블록 옆에서 방금 꽂은 2개의 시침핀을 들여다봅니다.
여기가 가장 중요한 핵심입니다! 이 2개의 시침핀이 유리 너머로 보기에 ‘정확히 겹쳐서 1개로 보이는’ 위치까지 시선을 옮겨갑니다.
겹쳐 보인다면, 그 ‘시선’의 연장선상에 세 번째 시침핀을 꽂습니다. (앞쪽 유리 가까이에 꽂아주세요)
마지막으로, 그 시선을 유지한 채 네 번째 시침핀을 세 번째 핀보다 더 앞쪽에 꽂습니다. 이렇게 하여 눈(네 번째, 세 번째 핀)과 유리 너머의 상(두 번째, 첫 번째 핀)이 일직선으로 나란히 정렬됩니다!
2. 경로를 연결하여 ‘굴절’ 확인하기!
자, 이제 유리 블록과 4개의 시침핀을 조심스럽게 제거해 주세요. 도화지에는 핀이 꽂혀 있던 4개의 점이 남아 있을 것입니다.
먼저, 안쪽 2개의 점(첫 번째, 두 번째 핀)을 자로 연결합니다. 이것이 ‘광원에서 유리로 향하는 빛’입니다. 다음으로, 바깥쪽 2개의 점(세 번째, 네 번째 핀)을 연결합니다. 이것이 ‘유리에서 눈으로 향하는 빛’입니다. 마지막으로, 유리 블록의 경계 안에서 두 선을 연결해 주세요.
어떤가요? 빛의 경로가 유리에 들어갈 때와 나올 때 ‘뚝’하고 꺾이지 않았나요? 이것이 바로 눈에 보이지 않는 ‘빛의 굴절’을 시침핀으로 잡아낸 순간입니다!
3. 정답 확인: 빛의 경로를 직접 비춰보기
실험의 마무리 단계입니다. 교실을 조금 어둡게 한 뒤, 광원 장치(레이저 등)를 사용하여 이번에는 시침핀을 꽂았던 ‘반대’ 코스 (네 번째 핀 → 세 번째 핀)에 빛을 통과시켜 봅시다.
빛은 유리를 통과한 후, 방금 꽂았던 첫 번째, 두 번째 핀의 구멍을 향해 나아갈 것입니다. 자신이 그린 선과 실제 빛의 경로가 일치하는 것을 볼 때, 학생들 사이에서는 분명 “우와! 진짜네!”라는 감탄사가 터져 나올 겁니다.
트릭 해명! 빛은 왜 꺾이는가?
빛은 왜 꺾이는(굴절하는) 걸까요? 그것은 바로 빛이 진행하는 ‘속도’가 공기 중과 유리(또는 물속)에서 다르기 때문입니다.
빛은 공기 중에서보다 유리 안에서 더 느리게 진행합니다. 곧게 나아가던 빛이 비스듬히 유리로 돌입하면, 먼저 들어간 부분은 브레이크가 걸리고 뒤늦게 들어온 부분은 여전히 빠른 상태를 유지하게 됩니다. 이 ‘속도 차이’ 때문에 진행 방향이 휙 하고 꺾이게 되는 것입니다.
여기까지 이해했다면, 처음에 보여드린 트릭 사진의 수수께끼도 풀 수 있습니다!
저 ‘머리와 목이 분리된’ 사진 역시 이와 완전히 같은 원리입니다. 어항(유리와 물)과 공기처럼 빛이 진행하는 속도가 다른 장소를 빛이 통과하면서, 목에서 나온 빛이 ‘꺾여서’ 우리의 눈에 도달합니다.
하지만 우리 뇌는 아주 단순해서 빛이 꺾여서 왔다고 생각하지 않습니다. ‘빛은 곧게 나아가는 것’이라고 굳게 믿고 있죠. 그 결과, 빛이 꺾여서 온 방향의 ‘연장선상’에 목이 있는 것처럼 ‘착각’하게 되는 것입니다.
결국, 실제 목이 있는 장소와는 ‘다른 위치’에 목이 있는 것처럼 보였던 것이죠. 시침핀을 이용한 실험은 바로 이 ‘뇌의 착각’과 ‘빛의 실제 경로’를 동시에 밝혀주는 아주 멋진 실험이랍니다.
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