굴절의 법칙 실험

실험목적

빛이 매질의 경계를 만나서 진로를 달리하여 들어가는 원리를 파면의 개념으로 설명한 호이겐스 원리로 이해한다.

이론

스넬의 굴절법칙

파동이 속도를 달리하는 매질 속으로 들어가면 진행방향이 변하게 된다. 이는 호이겐스 원리에 의해 파면에서 생성된 구면파가 매질속에서 속도가 달라져서 구면파들이 만드는 포락선의 방향이 꺽어지기 때문이다. 아래 그림을 보자. 그림에서 노란색으로 표현한 파면은 붉은 화살표로 표현한 파면에 수직한 방향으로 진행하다가 파의 진행속도가 달라진 매질 속으로 진입을 하고 있다. 여기서 , 로 표시한 굴절률은 파의 진행속도와 다음과 같은 관계를 가지고 있다.

빛의 경우 기준속도 는 진공에서의 빛의 속도 로서 매질의 굴절률은 1보다 큰 값을 가지고 있다.

위 그림에서 분홍색으로 표현한 , 는 같은 시간동안 파동이 진행한 거리로서 이는 각각의 매질에서의 진행속도에 비례하므로 굴절률에 반비례하게 된다. 따라서 서로 마주 붙어 있는 두 직각삼각형이 공통의 빗변을 가지고 있으므로 다음과 같은 비례관계를 유도할 수 있다.

이를 스넬의 법칙이라 한다. 스넬의 법칙은 굴절이 일어나는 정도가 두 매질의 굴절률의 비에만 의존하고 각각의 굴절률에는 무관하다는 것을 말해주고 있다. 굴절률의 비, 즉 을 상대적 굴절률이라 한다.