구부러진 젓가락과 떠오르는 동전

컵속의 젓가락

컵에 물을 따르고 젓가락을 담그면 사진처럼 젓가락이 수면에서 구부러져 보입니다. 물론 젓가락 자체가 구부러진 것은 아닙니다. 젓가락이 구부러져 보이는 것은 빛의 굴절에 의한 것입니다만, 그 구조에 대해 생각해 봅시다. 다음 그림은 컵에 젓가락을 똑바로 세우고 컵에 물을 넣은 경우의 모습을 나타낸 것 입니다. 컵의 바닥에 있는 젓가락의 앞 P점에서 나온 빛 중에 수면상의 O점을 향해 직진하는 빛을 생각해 봅시다. 만약 빛이 O점으로부터 공기중에 나온 후, 점선과 같이 그대로 직진해 Q점에 도착하면, 젓가락은 똑바른 것처럼 보일 것입니다. 그러나 빛은 O점에서 구부러져, 실선과 같이 진행되어 Q'점에 도착합니다. 우리는 빛이 O점에서 구부러진 것을 판단할 수 없기 때문에, 젓가락의 끝이 빛이 구부러진 O점의 연장선 OP'상에 있는 것처럼 보입니다. 그래서 젓가락이 짧아진 것처럼 보입니다.

 

컵 바닥의 동전

다음 사진 (A)와 같이 컵의 바닥에 동전을 놓고 컵의 뒷면에서 동전이 제대로 보이지 않는 위치에 시선을 맞춥니다. 이 컵에 물을 넣으면 (B)와 같이 컵 바닥의 동전이 보이게 됩니다.

컵에 물이 들어 있지 않은 상태에서는 다음 그림 (A)와 같이 코인의 중심 P점에서 나온 빛은 화살표처럼 진행하기 때문에 컵의 가장자리에 가려져 눈에 닿지 않습니다. 따라서 동전의 중심을 볼 수 없습니다. 그런데, 컵에 물이 들어간 상태에서는, 그림 (B)와 같이 코인으로부터 나온 빛이 수면상의 O점에서 구부러지기 때문에 눈에 닿게 됩니다. 이때 눈에서 광선을 반대로 추적한 직선 OP '상에 동전이 있는 것처럼 보이기 때문에 마치 동전이 약간 떠올라 있는 것처럼 보입니다. 컵의 바닥에서 나오는 빛도 수면에서 굴절하기 때문에 동전뿐만 아니라 컵의 바닥도 실제 위치보다 위쪽에 있는 것 처럼 보입니다.

빛은 물질의 경계면에서 굴절한다

빛이 공기 중에서 수중으로 이동할 때, 빛은 공기와 물 사이의 경계면(수면)에서 반사되거나 물 속으로 들어갑니다. 수면에 수직으로 들어간 빛은 그대로 직진합니다만, 대각선으로 들어간 빛은 수면 부딫히고 수중으로 들어가는 순간 진행하는 방향을 바꿉니다. 이 현상을 빛의 굴절이라고 하며, 빛이 굴절하는 각도를 굴절각이라고 합니다. 빛이 수중에서 공기중으로 진행할 때도 반대로 공기와 물의 경계면에서 굴절합니다. 따라서 빛은 같은 물질 안에서 진행할 때는 직진하고 한 물질에서 다른 물질로 들어갈 때, 그 경계면에서 굴절합니다. 어항의 물고기를 손으로 잡으려다 실패한 적은 없습니까? 빛의 굴절 때문에 물고기는 물 위에서 보이는 위치보다 깊은 곳에 있습니다. 그 때문에 물고기의 위치를 파악했다고 생각해도 실제로는 헛손질하게 되어버리는 것입니다. 또 강이나 연못에서 놀고 있을 때 바닥이 보이기 때문에 안심할 수도 있지만, 생각했던 것보다 깊을 수 있기 때문에 주의합시다.