렌즈와 빛의 굴절
볼록렌즈와 오목렌즈에서 빛이 굴절하여 상이 맺히는 원리와 돋보기·안경 등 활용을 이해한다.
렌즈는 빛이 공기에서 유리로, 유리에서 공기로 들어갈 때 꺾이는 성질(굴절)을 이용해 빛을 한 곳에 모으거나 퍼뜨려 상을 만드는 도구입니다.
빛은 서로 다른 물질의 경계를 비스듬히 지날 때 방향이 꺾입니다. 렌즈는 그 꺾임을 원하는 대로 만들려고 유리의 두께를 일부러 다르게 깎아 놓은 것입니다.
쉽게 말하면
빛의 성질에서 빛이 곧게 나아간다는 것을 배웠습니다. 그런데 빛이 공기에서 물이나 유리로 비스듬히 들어가면 경계에서 방향이 살짝 꺾입니다. 이것을 굴절이라고 합니다. 물이 든 컵에 담근 빨대가 꺾여 보이는 것이 바로 이 굴절 때문입니다.
볼록렌즈는 가운데가 두껍고 가장자리가 얇습니다. 가운데를 지나는 빛은 거의 그대로 가고 가장자리를 지나는 빛은 많이 꺾이기 때문에, 결과적으로 빛이 한 점으로 모입니다. 이 점을 초점이라고 합니다. 오목렌즈는 반대로 가운데가 얇고 가장자리가 두꺼워서 빛을 퍼뜨립니다.
볼록렌즈로 보이는 모습은 물체가 렌즈에서 얼마나 떨어져 있느냐에 따라 완전히 달라집니다. 물체가 렌즈에 아주 가까이 있으면 크고 바로 선 모습으로 보입니다. 돋보기로 글씨를 볼 때가 그렇습니다. 그런데 물체를 렌즈에서 멀리 두면 거꾸로 뒤집힌 모습이 보입니다. 돋보기를 눈에서 멀리 떼고 창밖을 보면 바깥 풍경이 뒤집혀 보이는데, 이것이 렌즈의 진짜 성질입니다. 이 규칙은 볼록렌즈와 상에서 정확하게 정리됩니다.
이렇게 나타납니다
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예시 1돋보기로 햇빛 모으기돋보기를 햇빛 아래에서 종이 위로 이리저리 움직이면 어느 높이에서 아주 작고 밝은 점이 생깁니다. 넓은 면적으로 들어온 햇빛이 그 한 점에 모였기 때문에 뜨거워집니다. 빛을 모으는 볼록렌즈의 성질을 가장 확실하게 보여 주지만, 눈으로 태양을 보거나 불이 날 위험이 있으니 반드시 어른과 함께 조심해서 해야 합니다.
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예시 2물컵 속의 빨대와 젓가락물이 담긴 컵에 빨대를 넣으면 수면에서 꺾여 보이고 물속 부분이 굵어 보이기도 합니다. 빨대가 실제로 휜 것이 아니라, 물속에서 나온 빛이 수면을 지나며 꺾여 우리 눈에 들어오기 때문입니다.
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예시 3안경 두 종류가까운 것은 잘 보이는데 먼 것이 흐리게 보이는 사람은 빛을 조금 퍼뜨려 주는 오목렌즈 안경을, 반대로 가까운 것이 잘 안 보이는 사람은 빛을 모아 주는 볼록렌즈 안경을 씁니다. 안경알 가장자리를 만져 보면 어느 쪽 렌즈인지 알 수 있습니다.
볼록렌즈와 오목렌즈
| 구분 | 볼록렌즈 | 오목렌즈 |
|---|---|---|
| 모양 | 가운데가 두껍고 가장자리가 얇음 | 가운데가 얇고 가장자리가 두꺼움 |
| 빛을 만나면 | 한 점(초점)으로 모음 | 퍼뜨림 |
| 가까이 대고 보면 | 크게 보임 | 작게 보임 |
| 쓰임 | 돋보기, 현미경, 망원경, 카메라 | 먼 곳이 흐린 사람의 안경 |
자주 하는 오해
볼록렌즈는 언제나 크게 보인다고 생각하기
이렇게 생각하기 쉬움볼록렌즈는 돋보기니까 무엇을 보든 크고 똑바로 보인다
실제로는물체가 렌즈에 가까이 있을 때만 크고 바로 선 모습으로 보입니다. 멀리 있는 물체는 거꾸로 뒤집혀 작게 보입니다.
볼록렌즈는 빛을 모으는 렌즈이지 '확대하는 렌즈'가 아닙니다. 렌즈가 만드는 모습은 물체와 렌즈 사이의 거리에 따라 달라집니다. 돋보기를 눈에서 멀리 떼고 창밖을 보면 풍경이 뒤집혀 보이는 것을 직접 확인할 수 있습니다.
렌즈가 빛을 끌어당긴다고 생각하기
이렇게 생각하기 쉬움볼록렌즈에는 빛을 끌어모으는 힘이 있어서 빛이 렌즈 쪽으로 당겨진다
실제로는렌즈는 빛을 당기지 않습니다. 빛이 유리로 들어가고 나올 때 꺾이는데, 렌즈의 두께가 자리마다 달라서 꺾이는 정도가 달라지고, 그 결과 한 점에서 만나는 것입니다.
빛은 곧게 나아가다가 다른 물질의 경계에서만 방향을 바꿉니다. 볼록렌즈의 가장자리는 기울기가 커서 많이 꺾이고 가운데는 거의 안 꺾입니다. 이 차이가 빛을 한 점에 모이게 만듭니다. 굴절이 없으면 렌즈도 없습니다.
선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요
이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다
자주 묻는 질문
Q1물속에 있는 물건이 실제보다 얕아 보이는 이유는 무엇인가요?
물속 물건에서 나온 빛이 수면을 지나며 꺾여 우리 눈에 들어오는데, 우리 뇌는 빛이 곧게 왔다고 생각하고 그 방향을 거꾸로 이어 봅니다. 그래서 실제보다 위쪽, 즉 얕은 곳에 있는 것처럼 느낍니다. 물놀이할 때 물이 생각보다 깊어 위험한 이유이기도 합니다.
Q2우리 눈에도 렌즈가 있나요?
네. 눈 속에는 볼록렌즈 역할을 하는 부분이 있어서 빛을 모아 눈 안쪽에 모습을 맺히게 합니다. 가까운 것과 먼 것을 볼 때 그 두께가 조금씩 바뀌면서 초점을 맞춥니다.
Q3왜 볼록렌즈로 본 글씨가 어느 순간 갑자기 흐려지나요?
렌즈와 글씨 사이의 거리가 어떤 지점을 지나가는 순간이기 때문입니다. 그 지점 안쪽에서는 크고 바로 선 모습, 바깥쪽에서는 뒤집힌 모습이 보이고, 딱 그 경계에서는 상이 제대로 맺히지 않아 흐릿해집니다.
교육과정 2022 개정 · 초6 통합과학 · 빛의 성질
수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)
물체의 거리에 따라 상이 어떻게 달라지는지 규칙으로 정리하고 싶다면 볼록렌즈와 상으로 가 보세요.
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