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[소년중앙] 거울 세 개를 무대로 춤추는 빛·색의 왈츠

소년중앙

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‘과학, 실험, 으악 따분해!’라고 느낀 적 있나요. 이제 걱정하지 말아요. 소년중앙이 집에서 준비할 수 있는 물건으로 재미있는 실험을 시작합니다. 초등학교 과학 연구 교사 모임 아꿈선(www.아꿈선.com)과 함께하는 소꿈연구실이에요. 소꿈연구실에서 가벼운 실험을 하나씩 성공하다 보면 과학과 친해질 수 있을 거예요. 차근차근 따라 해 보고, 소년중앙 홈페이지(sojoong.joins.com)에 인증도 해 봅시다.
 
오늘의 실험.거울을 이용해 무늬가 반복되는 만화경 만들기
교과서 4학년 2학기 3단원 9-10차시
 
준비물 
소꿈연구실

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색종이, 직각 형태의 평면 거울 3개(같은 크기로), 가위, 송곳, 검은색 테이프, 반투명 종이, 검은색 종이
 
실험 방법
소꿈연구실

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1. 거울 세 개를 뒤집어 놓고 거울끼리 맞닿는 면에 검은색 테이프를 붙여 연결하세요.
소꿈연구실

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2. 거울 안쪽 면이 맞붙게 접어 삼각기둥 모양을 만들고 검은색 테이프를 붙여 고정합니다.
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3. 삼각형 모양으로 반투명한 종이를 잘라 2에서 만든 삼각기둥 위에 붙입니다.
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4. 반투명한 종이를 붙인 면을 아래로 오게 한 뒤 색종이를 잘게 오려 넣습니다.
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5. 삼각형 모양으로 검은 종이를 잘라 가운데에 구멍을 뚫습니다.
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6. 삼각기둥 위에 5번 종이를 올린 후 테이프로 고정합니다.
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7. 삼각기둥을 돌리며 구멍을 통해 안에 비친 다양한 무늬를 살펴보세요.
 
오늘의 개념. 만화경과 빛의 원리

19세기 초 영국 물리학자 데이비드 브루스터(David Brewster)가 고안한 만화경은 원래 반사를 수학적으로 연구하기 위해 만든 자료였죠. 지금 만화경은 거울을 이용해 갖가지 무늬를 볼 수 있는 장난감으로 많이 쓰이지만요. 만화경이 아름다운 무늬를 만들어 내는 비밀은 거울 세 개에 있어요. 세 개의 거울을 원통 안에 넣고 그 속에 물체를 넣으면 빛의 반사로 인해 다양한 무늬를 볼 수 있죠. 예를 들어 원통 안에 구슬 하나가 있다면, 첫 번째·두 번째·세 번째 거울에 각각 비치는데요. 첫 번째 거울에 비친 모습이 두 번째 거울과 세 번째 거울에 비치고, 두 번째와 세 번째에 비친 모습이 다시 각각 첫 번째와 세 번째, 첫 번째와 두 번째에 비칩니다. 반복되는 거라고 이해하면 좋죠. 반사가 계속돼 무한한 무늬가 나타나는 거예요.
 
1) 거울의 원리

 
빛은 성질이 같은 물질 내에서 직진하는 성질이 있습니다. 하지만 빛이 물체에 부딪히면 빛의 진행 방향이 바뀌고 이것을 ‘반사’라고 합니다. 이때 반사되는 표면의 모양에 따라 ‘정반사’와 ‘난반사’로 나누죠. 유리나 광택이 나는 금속 등 매끄러운 면에서는 빛이 항상 일정한 방향으로 반사해 ‘정반사’라고 하죠. 표면에서 반사의 법칙을 그대로 적용할 수 있어 우리는 반사되는 면 자체보다는 그 면에 비친 물체의 모습을 보죠.
 
반면 종이나 나무와 같이 거친 면에서 반사한 빛은 여러 방향으로 흩어져 ‘난반사’라고 합니다. 난반사가 일어나는 경우에는 표면에 물체가 비치지 않죠. 우리가 어떤 물체를 어느 방향에서나 볼 수 있는 것은 그 물체의 표면이 울퉁불퉁하여 빛을 여러 방향으로 반사하기 때문입니다. 난반사에는 반사의 법칙이 적용되지 않는 것 같지만 이렇게 표면 위의 어느 한 점에서 반사의 법칙이 적용되어 빛이 퍼집니다.
 
2) 재미로 알아보는 '야구 선수와 빛의 반사'
 
야구를 할 때 눈 아래에 검은색을 칠하거나 검은색 테이프를 붙인 선수를 볼 수 있죠. 이것도 빛의 반사를 활용한 것입니다. 사람의 피부 자체는 매끄럽지 않아 평소에는 난반사가 되지만, 땀이 나면 다르죠. 피부에 기름기가 발생하고 햇빛이 강할 때는 빛의 반사율이 높아져 눈이 부시죠. 햇빛이 강한 날 야구 선수들이 눈 아래에 붙인 검은색 테이프는 모든 색의 빛을 흡수해 눈에 들어오는 빛의 양을 줄여요. 눈부심은 줄어들고 시야는 확보할 수 있습니다.
 
3) 구름 위에 고층 빌딩이 나타났다 사라지는 신기한 유령도시

지난 2015년 중국에서 구름 위에 고층 빌딩으로 된 도시가 나타난 적 있죠. 사진까지 찍을 수 있었지만 가까이 다가가면 사라져서 유령도시라고 불린 이 도시는 신기루예요. 신기루는 물체가 실제 위치가 아닌 다른 곳에서 보이는 현상이죠. 불안정한 대기층에서 빛이 굴절하며 생기는 겁니다.
 
빛이 한 물질에서 다른 물질로 진행할 때 두 물질의 경계면에서 빛의 진행 방향이 꺾이는 현상을 빛의 굴절이라 부르죠. 물질에 따라 빛의 속도가 달라지기 때문에 일어나는 현상입니다. 빛의 굴절은 같은 매질(媒質), 예를 들면 공기를 지날 때 특성이 다른 두 공기의 경계면에서도 일어날 수 있어요. 따뜻한 공기는 차가운 공기에 비해 밀도가 낮은데 빛은 차가운 공기보다 밀도가 낮은 따뜻한 공기에서 속도가 더 빠릅니다.
 
사막·바다·아스팔트 같은 장소는 바닥과 대기의 온도 차이가 커요. 일반적으로 온도가 빠르게 변하는 바닥 쪽 공기는 뜨겁죠. 대기의 공기는 차갑고요. 찬 공기에서 더운 공기 쪽으로 이동할 때 두 공기의 경계면에 가까운 쪽으로 굴절이 일어나죠. 더운 공기에서 찬 공기 쪽으로 빛이 진행할 땐 반대로 경계면에서 먼 쪽으로 굴절이 일어나요. 이에 따라 실제로는 멀리 있는 물·나무 등에서 출발한 빛이 굴절을 통해 우리 눈에 도달하면 그 물체를 실제보다 가까운 것으로 인식하는 거죠.
 
정리=강민혜 기자 kang.minhye@joongang.co.kr, 도움말=김선왕 아꿈선 영상팀장
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‘북한의 급변사태와 안정화 전략’을 주제로 북한학 박사를 받았다. 국방연구원 안보전략연구센터ㆍ군사기획연구센터와 고려대학교 아세아문제연구소 북한연구센터에서 군사ㆍ안보ㆍ북한을 연구했다. 2016년부터는 중앙일보에서 군사ㆍ안보 분야 취재를 한다.