거울과 렌즈에 의한 상중2 과학 · 빛과 파동 · 04

태양빛처럼 나란한 빛을 비춰 보면 장치의 본성이 드러난다. 빛을 한 점에 모으는 팀(오목 거울·볼록 렌즈)과, 한 점에서 나온 것처럼 퍼뜨리는 팀(볼록 거울·오목 렌즈). 그 특별한 한 점이 바로 초점 F다 — 돋보기로 햇빛을 모아 종이를 태워 본 적이 있다면, 너는 이미 초점을 만난 것!

도로 안전 거울·자동차 측면 거울은 모두 볼록 거울. 작게 보이는 대신 넓은 범위가 한 거울에 담긴다. 그 비밀은 반사 법칙(입사각=반사각) 하나로 설명된다. 아래 버튼을 ①→⑤ 순서로 누르며 빛의 길을 따라가 보자.

오목 거울은 볼록 거울과 정반대 — 나란히 들어온 빛을 한 점에 모은다. 그리고 거꾸로, 한 점에서 나온 빛을 나란히 멀리 보낼 수도 있다. 이 두 능력이 태양열 조리기와 자동차 전조등의 비밀이다. ①→⑦ 순서로 눌러 보자.

물체에서 사방으로 퍼진 빛이 거울에 반사되어 눈에 들어온다. 그런데 우리 뇌는 빛이 꺾인 줄 모르고 "곧장 직진해 왔다"고 여긴다. 그래서 반사광선을 거울 뒤로 연장한 선이 만나는 한 점에 상이 있다고 느낀다. 버튼을 ①→③ 순서로 누르고, 거울 종류와 물체 거리를 바꿔 보자.

거울은 빛을 반사시키지만, 렌즈는 빛을 굴절시켜 상을 만든다. 볼록 렌즈는 빛을 모으고, 오목 렌즈는 빛을 퍼뜨린다. 물체가 초점보다 멀면 빛이 반대편에서 실제로 모여 거꾸로 선 상(실상)이, 가까우면 빛이 퍼져 연장선이 만나는 같은 쪽에 바로 선 상(허상)이 생긴다. 아래에서 세 경우를 골라 ①→③ 순서로 보자.

실상(實像)은 물체에서 나온 빛이 반사·굴절한 다음 실제로 모여서 생기는 상 — 상의 위치에 스크린(종이)을 두면 진짜로 상이 나타난다. 영화관 스크린에 비치는 영상이 바로 거대한 실상! 반대로 허상(虛像)은 눈으로 들어온 빛을 거꾸로 연장했을 때 만나는 곳에 보이기만 하는 상 — 그곳에 빛이 모이지 않으므로 스크린을 두어도 아무것도 나타나지 않는다.

평면거울 단원에서 만난 거울 속 내 모습도 허상 가족이다. 그리고 재미있는 규칙 하나 — 이 단원의 상 중에서 거꾸로 선 상은 전부 실상이고, 바로 선 상은 전부 허상이다!

물체의 머리에서 나온 빛과 발끝에서 나온 빛이 한 점을 향해 모이면, 그 점을 지나는 순간 두 빛의 위아래가 서로 엇갈린다 — 머리의 빛은 아래로, 발끝의 빛은 위로. X자로 교차한 빛이 다시 퍼져 만든 상은 자연히 물구나무를 선다. 거꾸로 선 상은 고장이 아니라, 빛이 교차했다는 증거다.

볼록 렌즈로 스크린에 거꾸로 선 상을 또렷이 맺어 놓았다. 이제 렌즈의 위쪽 절반을 종이로 가린다면 — 상은 어떻게 될까? 직감으로 먼저 답해 보고, 그다음 이유를 생각해 보자.