물에 들어가면 사라지는 마술카드 만들기

과학향기

물속에 들어가면 유난히 다리가 굵고 짧아 보이죠? 물이 담긴 컵에 빨대를 꽂으면 빨대가 꺾여 보이기도 합니다. 이런 현상이 나타나는 이유는 무엇일까요? 바로 ‘빛의 굴절’ 때문이랍니다.

빛은 일반적으로 직진하는 성질을 가지고 있어요. 그런데 어떤 물질을 통과하는지에 따라 직진하는 속도가 달라지지요. 때문에 한 물질에서 다른 물질을 통과할 때 두 물질의 경계면에서 빛이 꺾이는 굴절현상이 나타난답니다. 빛이 굴절되는 정도는 굴절률이라고 해요. 굴절률이 큰 물질을 통과할수록 빛의 속도는 느려져요. 물속에 있는 물체가 원래보다 떠 보이거나, 물에 꽂은 빨대가 꺾여 보이는 이유도 공기와 물의 굴절률이 다르기 때문이에요.

이런 빛의 성질을 이용하면 특별한 기술 없이도 신기한 마술을 선보일 수 있어요. 물속에 담그기만 하면 사라지는 마법의 카드! 한번 만들어 볼까요?

[교과과정]

초 3-2 빛과 그림자

초 6-1 빛

중 2 빛과 파동

[학습주제]

빛의 굴절과 전반사 현상 이해

실험에서 물속에 넣은 카드를 비스듬하게 보면 물에 잠긴 부분이 사라지는 것을 볼 수 있어요. 이 마술의 원리는 바로 ‘전반사’예요. OHP 필름 표면에서 반사된 빛이 굴절되지 못하고 전반사되기 때문에 우리 눈에는 마치 카드가 사라진 것처럼 보이게 된답니다. 카드를 앞뒤로 움직이면서 관찰해 보세요. 전반사 현상을 잘 관찰하려면 실험을 하는 동안 같은 위치에서 관찰해야 한답니다.

물질의 표면에서는 빛의 굴절뿐 아니라 반사도 함께 일어나요. 간혹 밀도가 높은 물질에서 밀도가 낮은 물질로 빛이 이동할 때 입사각에 따라 빛이 물질 안으로 전부 반사돼 밖으로 빠져 나오지 못하는 경우가 생기는데, 이를 ‘전반사’라고 해요.

전반사는 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 빛이 들어갈 때 경계면에서 굴절되지 않고 모두 반사되는 현상을 말해요. 빛의 입사각이 특정 각도보다 클 때 일어난답니다. 빛을 조금의 손실도 없이 한 쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 보내는 광섬유는 전반사를 이용한 대표적인 예지요.

광섬유는 빛을 이용해 정보를 전달하는 섬유로, 빛의 손실이 없기 때문에 에너지 손실이 매우 적어 송수신하는 데이터의 손실률이 낮고 외부의 영향을 거의 받지 않는다는 장점이 있어요. 광섬유 중심부에는 굴절률이 높은 유리, 바깥쪽은 굴절률이 낮은 유리로 이루어져 중심부 유리를 통과하는 빛이 외부로 빠져나가지 못하고 전반사가 일어난답니다. 광섬유 내부에서 전반사되는 빛은 그 모양 그대로 안쪽 벽면을 따라 반사돼요.

또 다른 예로 다이아몬드를 들 수 있어요. 다이아몬드의 반짝이는 광택도 내부에서 전반사된 빛이 만들어낸 마술이랍니다.

글 : 유기현 과학칼럼니스트