중2) 빛의 굴절, 소리 굴절에서 속도 느린쪽으로 꺾이는 이유

[2024가쟈]

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안녕하세요!
빛이 진행할 때 공기에서 물로 들어갈 때 빛이 진행하는 속도가 느려져 굴절되는건 알겠는데..왜 느린쪽의 각이 더 작은걸까요..? 왜 느린쪽으로 꺾이는지 이유를 잘 모르겠습니다ㅠㅠ

이 원리로 낮에는 소리가 위로 갈수록 온도가 낮아지는데 온도가 낮을수록 공기 입자 밀도가 작아서 소리 전달 속도가 느리다는건 대충 이해가 가는데 왜 느린 위쪽으로 꺾이는 걸까요?ㅠㅠ

[Wolf-Rayet Star]

물리학 전공은 아니지만...
지나가다가 댓글 남깁니다.

일단 굴절 자체는 페르마의 원리로 쉽게 설명할 수 있습니다.
어느 목표 지점까지 최단 시간으로 갈 수 있는 경로를 따라 움직이려하기에 굴절이 발생합니다.

첨부된 사진과 같이... 물에 빠진 사람을 구하려면... 단순히 생각한다면 점선의 경로로 가야겠지만, 실제로는 물에서는 이동 속력이 느리기에... 점선보다 거리가 멀더라도 물보다 빨리 달릴 수 있는 육지를 최대한 많이 이용하고, 속력이 느린 물을 최소한으로 이용하는 실선의 화살표로 가는게 더 사람을 구하러 가는 시간이 적게 걸릴 것입니다.

굴절이 이러한 예와 같은 페르마 원리로 설명됩니다.

[Wolf-Rayet Star]

이를 조금 더 쉽게 빗대자면...
(지구과학에서 지구내부구조 분석시 지진파의 굴절에서 자주 쓰이는 예시를 첨부하여서 빗대자면...)

자동차가 모래사장(이동 속력 느림)과 아스팔트(이동 속력 빠름)의 경계선에 대해 비스듬히 움직인다면....
경계선에 자동차가 놓여졌을때...
첨부된 그림과 같이 아스팔트에 걸쳐진 바퀴는 빠르게 움직이고 모래사장에 걸쳐진 바퀴는 느리게 움직이기에 자동차가 굴절하듯 경로가 휘어질 것입니다. (양 옆 바퀴간의 속력이 다르기에...)

이렇게 빗댈 수도 있습니다.

[Wolf-Rayet Star]

자동차 예시와 마찬가지로, 지금 첨부된 그림도 동일합니다.

이동 속력이 달라지는 경계에서는 이동 속력이 빠른 부분에서 이동 속력이 느린 부분으로 굴절됩니다.

[2024가쟈]

와아…이제 알 것 같아요!! 써주신 댓글 천천히 읽어보니 이해가네요 감사합니다ㅠㅠ!
선생님 그럼 이것처럼 낮이랑 밤에 소리 굴절도 이 원리랑 똑같이 생각하면 되는건가요??

[Wolf-Rayet Star]

네 맞습니다.

온도가 높을수록 속력이 빠릅니다.

낮에는 달궈진 지표면에 의해서...
지표면쪽이 고온(속력 빠름), 상공이 저온(속력 느림)...

밤에는 지표의 복사 냉각에 의해서...
지표면쪽이 저온(속력 느림), 상공이 고온(속력 빠름) 임을 토대로 위에 제가 첨부한 사진(자동차나 사람들)과 같이 해석하시면 이해하실 수 있지않나 싶습니다.

[2024가쟈]

그렇군요 감사합니다 선생님!!!!^^