볼록렌즈

 

Ⅰ.볼록렌즈를 통해 빛이 나아가는 모습

 

우리 가정의 창의 유리를 보면 가장자리와 가운데의 두께가 똑같은 평면이지요. 빛이 외부에서 집 안으로 들어올 때 공기→유리 →공기 의 순서로 지나오게 되지요. 그 동안 공기와 유리의 경계면과 유리와 공기의 경계면, 두 개의 경계면을 지나오게 되고 따라서 빛은 두번 굴절합니다. 공기에서 유리로 들어올때는 법선쪽으로, 유리에서 공기로 나갈때는 법선 바깥쪽으로.

 

 

공기에서 유리로 들어올 때 법선쪽으로 휘는 각도를 라고 하면 유리에서 공기로 나아갈 때는 법선 바깥쪽으로 휘게 되지요. 따라서 빛이 평면 유리를 통과할 때는 유리로 들어간 빛의 방향과 유리로 부터 공기로 나오는 빛의 방향이 같지요.
그러므로 평면유리를 통해서는 빛이 모이거나 흩어지는 일이 없이 골고루 퍼져 들어오지요.

 

 

    만약 유리의 가운데 부분을 가장자리보다 더 두껍게 하면 어떤 일이 일어날까요?
    이런 유리조각을 볼록렌즈라고 합니다.

 

 

 

이 볼록렌즈를 빛이 통과할 때 공기와 유리의 경계면에서 법선쪽으로 휘어지고, 유리와 공기의 경계면에서 법선 바깥쪽으로 휘어지지요. 또, 평면유리의 경우 모든 점에서의 법선은 서로 평행하지만 위의 볼록렌즈의 왼쪽 면과 오른쪽 면에서의 법선은 다음과 같지요.

 
 

따라서 위와 같은 볼록렌즈를 아래 위로 반으로 나누는 선에 수직으로 평행하게 빛이 통과할 때에는 아래와 같이 나아갑니다.

 
 

즉, 볼록렌즈를 아래 위로 반으로 나누는 선에 수직으로 평행하게 볼록렌즈에 들어간 빛은 볼록렌즈를 지난 후 한 점에서 모이게 되는데 이 점을 렌즈의 촛점이라고 하고 F 라고 표시합니다. 물이 담긴 투명한 병모양의 그릇도 볼록렌즈와 같은 현상을 나타내지요. 왜냐하면 표면이 볼록하고 유리와 마찬가지로 빛이 물에서도 공기에서 보다 천천히 나아가기 때문이지요.

 
 
 
볼록렌즈가 평행한 빛을 촛점에 모으는 성질을 이용하면 촛점에 태양열을 모아 검은색 종이를 태울 수도 있습니다.
 

아하실험실

햇빛을 모아 종이를 태워보자.

 

 

Ⅱ.볼록렌즈에 의해 맺히는 상의 위치와 크기

 

볼록렌즈에 의해 맺히는 상의 크기와 위치는 볼록렌즈와 물체사이의 거리에 따라 달라집니다.여기에서는 물체가 촛점 안쪽에 있을 경우에 대해서만 알아보지요. 이 때 기억할 것은 볼록렌즈를 아래 위로 반으로 나누는 선에 수직으로 들어간 빛은 촛점을 지난다는 것과 볼록렌즈의 중심을 관통하는 빛은 꺽이지 않는다는 것입니다.

 
 

따라서 촛점 안에 놓인 물체의 한 점 을 잡아 그 점에서 나아가는 빛이 가는 길을 따라가 보면 처럼 퍼져 나가지요. 만약 우리 눈이 렌즈 오른 쪽에 있다면 우리 눈 빛이 꺽이지 않고 직선으로만 나아간다고 착각하므로 점이 점 위치에 있는 것으로 알아차리지요.
이렇게 실제로 빛이 모이지는 않지만 우리 눈이 빛이 모이는 것으로 착각하여 (점선으로 나타낸 부분) 보이는 상을 허상이라고 합니다.

 

 

 

이 원리를 물체의 모든 점에 다 적용시키면 상이 물체의 뒷편에 물체보다 더 크게 생기지요. 그 결과 볼록렌즈 뒤에 물체를 놓고 거리를 잘 조정하여 물체를 촛점 안에 두면 물체보다 더 큰 상을 볼 수 있습니다.