굴절이 상을 맺는다

빛은 매질이 바뀌면 속도가 달라지고, 그 때문에 경계에서 방향을 꺾는다. 이 꺾임을 지배하는 것이 스넬의 법칙 n₁ sinθ₁ = n₂ sinθ₂ 예요. 더 느린 매질로 들어갈수록 빛은 법선 쪽으로 더 바짝 붙는다. 굴절률은 진공에서의 빛의 속도를 그 매질에서의 속도로 나눈 값으로, 빛이 그 매질에서 얼마나 느려지는지를 나타낸다. 입사각과 n₂ 를 옮기면 굴절각이 어떻게 따라 변하는지 드러나요. 느린 쪽으로 들어갈수록 더 붙는다.

빛이 느린 매질에서 빠른 매질로 나갈 때는 굴절각이 입사각보다 커진다. 입사각을 계속 키우면 굴절각이 90도에 닿는 순간이 오는데, 그 각을 임계각 θc = asin(n₂/n₁) 이라고 불러요. 이보다 크면 빛은 하나도 못 나가고 전부 반사된다. 광섬유는 바로 이 전반사로 빛을 가둬 멀리 보낸다. 다이아몬드는 굴절률이 매우 높아 임계각이 작으므로, 안으로 들어온 빛이 전반사를 여러 번 거치며 반짝여요. 가둠이 멀리 보내는 방법이다.

얇은 렌즈는 굴절만으로 상을 맺는다. 물체거리 u, 상거리 v, 초점거리 f 사이에는 1/f = 1/u + 1/v 관계가 성립해요. 물체가 초점보다 멀면 반대편에 뒤집힌 실상이 생기고, 초점 안으로 들어오면 같은 쪽에 똑바로 선 허상이 생긴다. 물체를 초점 안쪽에 두고 크게 들여다보는 돋보기가 바로 이 허상을 쓴 예다. 물체를 밀고 당기면 상이 어디에 얼마나 크게 맺히는지 따라 움직여요. 초점 안팎이 실상과 허상을 가른다.

초점거리의 부호가 렌즈의 성격을 정한다. 초점거리가 양수면 빛을 모으는 볼록렌즈이고, 음수면 빛을 퍼뜨리는 오목렌즈예요. 오목렌즈는 언제나 작고 똑바로 선 허상만 만든다. 배율은 m = -v/u로, 부호는 정립인지 도립인지를, 크기는 확대인지 축소인지를 알려 준다. 근시를 교정하는 안경은 초점거리가 음수인 오목렌즈로, 눈에 들어오는 빛을 미리 퍼뜨려 상이 망막에 맺히도록 돕는다. 초점거리를 좌우로 옮기면 상이 실상과 허상 사이를 오가요. 부호가 모으고 퍼뜨림을 정한다.

상이 어디에 맺히는지는 세 줄의 대표 광선만으로 작도할 수 있다. 광축과 평행하게 온 광선은 렌즈를 지나 초점을 통과하고, 렌즈 중심을 지나는 광선은 꺾이지 않고 곧게 나아가며, 앞쪽 초점을 지난 광선은 렌즈 뒤에서 광축과 평행하게 나가요. 세 광선이 다시 만나는 점이 바로 상점이다. 상의 위치를 정하는 데는 두 광선이면 충분하고, 세 번째 광선은 그 결과가 맞는지 확인해 주는 검산이에요. 물체를 옮기면 세 광선이 늘 같은 곳에서 만난다. 두 광선이 자리를 정하고 셋째가 확인한다.