현대 물리 실험 - 광섬유를 이용한 빛의 속도 측정

1. 목 적

차세대 통신방식인 광섬유 통신을 이용하여 빛의 속도를 측정해본다..

2. 이 론
일반적으로 빛이 다른 매질을 지나가게 되면 굴절을 일으키게 된다. 그러나 두 매질의 종류왿� 빛의 입사각에 따라 빛이 굴절하지 않고 모두 반사하는 경우가 있다. 아래의 경우들에 모두 빛이 반사된다..
1) 빛의 전반사

소한 매질에서 밀한 매질로 빛을 입사시킬 때 점차로 입사각을 증가시키면 특정한 각 이상이 되었을때 빛이 전반사 (Total Internal Reflection)를 일으키게 된다. 이때의 각을 임계각 (, Critical Angle)이라 부른다. 임계각 보다 큰 입사각으로 빛이 들어오면 따라서 모두 반사를 하게 된다. 이때에는 일반적인 반사의 법칙에 따라 반사를 하게 된다. 위 그림은 입사각을 바꾸어 갈때 빛이 전반사를 일으키게 되는 것을 보여주고 있다. 광원 s에서 나온 빛이 다양한 입사각을 가지고 공기-유리의 경계면을 통과할 때 그림에서왿� 같이 a부터 d까지는 굴절을 하게 된다. 하지만 e를 지나게 될 때는 더 이상 굴절을 하지 않게 된다. f부터 g까지는 입사각이 임계각을 넘어서게 되므로 모두 전반사가 일어나게 됨을 알 수 있다.

2) 프리즘을 통한 빛의 전반사 실험
실제로 프리즘에서 입사각을 변화시키면서 빛이 전반사 하는 모습을 관찰할 수 있게 된다. 다음의 사진을 보면 프리즘으로 입사하는 광선의 입사각에 따라 일부는 굴절하여 공기중으로 나아가고 일부는 전반사가 되어 나오게 됨을 알 수 있다.
3) 임계각
임계각을 구하기 위하여 매질 1에서의 입사각을 임계각으로, 매질 2에서의 굴절각을 90도로 가정하고 굴절의 법칙 (Snell`s law)을 적용한다. 이때 다음과 같은 식을 생각할 수 있다.

따라서 임계각은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

상대 굴절률이 주어졌을 때의 입사각을 계산한 결과를 표를 통하여 확인할 수 있다. 공기-유리의 경우 상대 굴절률이 1.50정도 이므로 대략 임계각이 42도 정도임을 알 수 있다.