1. 광원(스스로 빛을 발하는 물체)에서 방출되는 빛의 밝기가 어떤 물리량이 거리의 제곱에 반비례하는 역제곱의 법칙을 따르는 것을 확인한다. 즉 측정되는 빛의 세기가 거리의 제곱에 반비례하는 것을 확인한다.
2. 빛의 역제곱 법칙=광원으로부터 거리 제곱의 역수로 빛의 복사속이 감소하는 법칙을 말한다.
역제곱의 법칙
전파되는 양을 다발로 표현하면 한 점에서 발산되는 다발의 양은 그림과 같이 표현할 수 있다. 그림을 쉽게 생각하면 거리r에서 하나의 단위 면전을 통과한 다발은, 거리가 2r인 곳에서는 4개의 단위면적을 통과하게 된다. 다발의 밀도는 면적에 반비례하고 면적은 거리의 제곱에 비례하므로 다발의 밀도는 거리의 제곱에 반비례한다.
역제곱법칙은 위에서도 서술하였듯이 어떤 물리량이 거리의 제곱에 반비례하는 것이라고 할 수 있다. 그 예로 만유인력에서 만유인력의 크기는 F=G(Mm/r2) 인데 여기서 G는 중력상수이고 M 과 m은 만유인력이 작용하는 두 물체의 질량을 나타내고 r은 두 물체의 거리를 나타냅니다. 이 식에서 보면 만유인력 F는 거리 r에대해 제곱에 반비례하는 관계를 가지게 되는데 이러한 관계를 역제곱법칙을 따른다고 합니다. 보통, 우리가 일반적으로 배운 것 중 중력, 쿨롱의 법칙이 이 역제곱의 법칙을 따른다.
광도
광원으로부터 어떤 방향을 향해 단위입체 안에 방출되는 광속(光束, 빛다발)의 크기에 따라 그 방향에서의 광도를 결정한다. 즉, 광원으로부터 단위거리만큼 떨어진 곳에서 빛의 방향에 수직으로 놓인 단위면적을 단위시간에 통과하는 빛의 양을 말한다.
단, 광원의 퍼짐이 관측거리에 비해서 무시할 수 없을 만큼 커서 점광원으로 볼 수 없는 경우에는 광도 대신 휘도라는 양을 쓴다.
단위는 칸델라(cd)이다.
실험 방법
1. 기기 setting
1) 광센서의 감도 탭 스위치를 1 로 맞추고, 모션센서의 탭은 좁은 영역 맞춘다. 이때 모션센서의 측정구간은 최소 15cm, 최대 2m 이다.
2) 모션센서와 광센서를 연결 나사를 이용해 역학수레에 고정시킨다.
3) 모션센서의 방향과 광센서의 방향이 나란하게 되도록 조정한다.
4) 나트륨 등에서 나오는 빛을 측정할 수 있도록 역학수레를 광학대 위에 올려놓는다.
5) 나트륨 등을 켜고 일정시간을 기다린 후, 실험의 정확도를 위해 실험실을 가능한 한 어둡게 한다.
2. 데이터 스튜디오 프로그램 setting
1) 모션센서
① 측정 : 센서로부터의 거리를 측정.
② 샘플분석 : 센서에서 값을 읽어 들이는 주기를 말함. Sample rate 가 높으면,빠르게 변화하는 물리량을 측정할 수 있음.
2) 광센서
① 측정 : 빛의 세기를 측정.
② 감도 : 측정구간이 1V 이상이면 Low (1x), 1V 이하이면 Med(10x)를 선택
3. 데이터 수집 & 분석
1) 데이터 스튜디오의 Start 단추를 누르고 센서를 가까운 거리에서 먼 쪽으로 움직여 거리의 변화에 따른 빛의 세기를 측정한다. 이 때 등속도 운동을 할 수 있게 움직여야 좋은 Data 를 얻을 수 있다.
2) 광센서가 읽어 들일 수 있는 값보다 큰 값이 측정되는 경우, 그 값이 제대로 측정되지 않으므로 부정확한 값은 제거해준다. 30 거리 데이터시트 에서도 남겨진 빛의 세기의 데이터와 동일한 시간에 측정된 값만을 제외하고 불필요한 데이터는 삭제해준다.
3) 빛의 세기가 거리의 제곱에 반비례함을 직접적으로 보기 위해 x 축의 값을 새로 정의한다. 도구바의 Calculate 단추를 눌러 새로운 y 값을 정의하여 준다. 이때, x 값은 Variables에서 모션센서 로 측정된 포지션 값을 설정해준다. 그리고 새로 정의된 값을 빛의 세기 그래프의 x 축으로 설정하면 비례하는 그래프를 확인 할 수 있다. (그래프의 y 축: light intensity, x 축: 새로 정의된 값(1/㎡))
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