물리학I 전반사와 광통신

빛이 굴절률이 큰 밀한 매질에서 소한 매질로 나갈 때, 입사각이 커지면 굴절광이 경계면에 눕다가 임계각을 넘으면 모두 되튕겨요. 이것을 전반사라고 하고, 임계각은 sinθc = n₂/n₁로 구해요. 광섬유는 코어가 클래딩보다 밀해서 전반사로 빛을 가둬 신호를 보내요. 입사각을 바꾸면 전반사가 언제 시작되는지 보여요.

각도가 크면 빛이 갇힌다

입사각 θ20°

👀 눈으로 보자

①밀한 매질(굴절률 큰 쪽)에서 소한 매질로 빛이 나간다

②입사각이 커질수록 굴절광은 경계면에 눕는다

③임계각을 넘으면 빛이 모두 되튕긴다. 전반사

굴절과 임계각

굴절 법칙(스넬)

n₁ sinθ₁ = n₂ sinθ₂

굴절률 × 사인값은 경계 양쪽에서 같다

임계각

sinθ_c = n₂n₁ (n₁ > n₂)

굴절각이 90°가 되는 입사각: 이보다 크면 전반사

전반사 조건과 광통신

🔦 두 조건이 필요

①밀한 매질 → 소한 매질(n₁ > n₂)

②입사각 > 임계각

③광섬유는 코어가 클래딩보다 밀해 전반사로 빛을 가둬 전송한다

직접 구해 보자

예제 1

굴절률이 2인 매질에서 공기(굴절률 1)로 빛이 나갈 때 임계각을 구하시오.

sinθ_c = n₂/n₁에 대입한다.

sinθ_c = 12

sin값이 1/2인 각을 찾는다.

θ_c = 30°

▸ 30°

분자가 소한 매질(n₂), 분모가 밀한 매질(n₁). sinθc = n₂/n₁. 굴절률을 뒤집지 말 것.

예제 2

굴절률이 √2인 매질에서 공기로 빛이 나갈 때 임계각을 구하시오.

n₂/n₁ = 1/√2 이므로 sinθ_c = 1/√2.

sin값이 1/√2인 각을 찾는다.

θ_c = 45°

▸ 45°

굴절률이 작아질수록 임계각은 커진다(전반사가 어려워진다).

총정리

핵심 정리

sinθ_c = n₂n₁, 입사각 > θ_c ⇒ 전반사

밀→소 매질에서 임계각을 넘으면 전반사: 광섬유의 원리

2021 수능 과학탐구(물리Ⅰ) 유형 변형

어떤 매질에서 공기로 빛이 나갈 때 임계각이 30°였다. 이 매질의 굴절률은?

①1.5

②√2

③√3

④2

⑤2.5

▸ ④ 2

sinθ_c = 1/n에서 n = 1/sinθ_c.

n = 1sin30° = 11/2

계산한다.

n = 2

🎯 시험 포인트

①스넬 법칙 n₁sinθ₁=n₂sinθ₂

②임계각 sinθc=n₂/n₁ (n₁>n₂)

③전반사는 밀→소 + 입사각>임계각 두 조건

④굴절률 클수록 임계각 작다

⑤광섬유=코어(밀)+클래딩(소) 전반사