일반물리학실험 | 수파투영장치를 이용한 파동 실험

파동은 떠는 물리량의 크기가 시간이 지나면서 공간상으로 진행해나가는 것을 가리킨다. 파동에는 떠는 물리량에 따라서 탄성파 (elastic wave, 떠는 양은 변형), 수면파(surface wave, 물분자의 변위), 소리 또는 초음파 (sound or ultrasound, 매질의 밀도), 전자기파 (electromagnetic wave) 등이 있다.

 

또, 떠는 방향에 따라서는 횡파 (transverse wave, 떠는 방향이 파동의 진행방향과 수직일 때)과 종파 (longitudinal wave, 떠는 방향이 파동의 진행방향과 평행일 때)으로 나눈다. 파동을 기술할 때는, 떨림의 형태가 반복되는 거리인 파장 (wavelength)와 시간인 주기 (period)을 사용하며 또, 동등하게는 각각의 역수에 해당하는 파수 (wave number)와 주파수 (frequency)를 사용하기도 한다. 파동의 속력은 파장과 떨기수의 곱과 같다.

 

파동은 진행경로의 도중에 장애물이 있으면 진행방향을 바꾼다. 대표적인 예로 반사(reflection)와 굴절(refraction)이 있다. 그러나 장애물의 크기나, 장애물에 뚫린 구멍의 크기가 파동의 파장에 가깝게 작아지면 회절(diffraction)라고 부르는 파동 특유의 현상이 나타난다. 또한, 서로 다른 경로를 거친 파동이 합치게 되면 간섭(interference)현상이 나타나는데, 간섭현상을 보이기 위해서는 겹치는 파동의 위상관계가 시간에 따라 변하지 않는 결맞는 (coherent) 파동이어야 한다. 본 실험에서는 수면파 장치를 사용하여 결맞는 파동을 발생시키고, 그 진행특성과 간섭효과를 조사한다.

 

 

회절 [回折, diffraction]

입자의 진행경로에 틈이 있는 장애물이 있으면 입자는 그 틈을 지나 직선으로 진행한다. 이와 달리 파동의 경우, 틈을 지나는 직선 경로뿐 아니라 그 주변의 일정 범위까지 돌아 들어간다. 이처럼 파동이 입자로서는 도저히 갈 수 없는 영역에 휘어져 도달하는 현상이 회절이다.

 

물결파를 좁은 틈으로 통과시켜 보면 회절을 쉽게 관찰할 수 있다. 회절의 정도는 틈의 크기와 파장에 영향을 받는다. 틈의 크기에 비해 파장이 길수록 회절이 더 많이 일어난다. 즉, 파장이 일정할 때 틈의 크기가 작을수록 회절이 잘 일어나, 직선의 파면을 가졌던 물결이 좁은 틈을 지나면 반원에 가까운 모양으로 퍼진다.

 

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 수조에 물을 2/3 가량 채운뒤 수면파 발생장치를 설치한다. 이때 가능한 한 수조를 수평으로 놓고 가장자리에 스펀지로 수면파 흡수대를 놓아 반사파가 생기지 않도록 한다.

 

2) 선 파동샘으로 쓰기 위한 플라스틱 관을 두 작은 원판에 끼우고 선형파 형태의 수면파를 발생시켜 파의 파장과 속력을 관찰한다.

① 발생장치의 플라스틱 관(막대)이 3～5 ㎜ 정도에 물에 잠기도록 높이를 조정한다. 막대가 수조의 한 가운데쯤에 가장자리와 평행이 되도록 위치시킨다.

② 수면파 발생 장치에 전원을 연결하고 적당한 주기의 떨림이 일어나도록 주기 조절 누름 여닫이를 눌러 10Hz 정도로 맞춘다. (주기는 1 - 15 Hz 사이만 조절이 가능하다. 첫 번째 숫자는 10의 자리, 두 번째 숫자는 1의 자리 그리고 세 번째 숫자는 소수점 첫 번째 자리이다. Phase 라고 쓴 누름 여닫이는 두 떨개의 위상 차를 조절하는 용도이므로 0으로 맞춘다.)

③ 떨개의 주기와 전구의 위치를 조절하여 수면파의 그림자가 잘 비치도록 한다. 어떤 이유로 수면파의 그림자가 생기는지 생각해 보아라.

④ 수면파의 파장을 측정한다. 이 대 광원이 평행광이 아니면 측정한 그림자의 간격과 실제 파장이 다를 수 있으므로 주의한다.

⑤ 수면파의 속력을 구한다. 수면파의 속력은 주기(= 1/주파수)와 측정한 파장으로부터 알 수 있다.

⑥ 작은 종이나 스펀지 조각을 물에 띄워서 수면파에 의한 진행 속력이 파의 속력보다 매우 느림을 관측한다. 가능하면 수면에서의 떠돎 속력을 측정한다.

⑦ 아크릴 박대나 반원형 통(통 안에 물을 채워 떠다니지 못하도록 한다.)을 장애물로 사용하여 수면파에 어떤 영향을 미치는가 관찰한다. 특히 장애물로부터 반사되는 경우 파는 마치 파장이 1/2로 줄어든 것 처럼 보이고 그림자의 흔들림이 적은데 그이유를 설명 할 수 있겠는가?

 

3) 이번에는 두 개의 원형 수면 파동 샘을 결맞게 진동시켜 발생한 수면파의 간섭 현상을 측정한다.

① 수면파 발생 장치의 전원을 끄고 플라스틱 관(막대)를 플라스틱 원판으로부터 분리해 낸다. 원형파 발생용의 두 플라스틱 원판이 물에 1/3 정도 잠기도록 높이를 조절한다. 이 때 두 원판이 같은 정도로 잠기도록 한다.

② 수면파 발생 장치의 전원을 켜서 떨개의 주기를 조절하여 수면파의 그림자가 잘 비치도록 한다.

③ 밝은 점(마디)이 생기는 위치를 종이에 표시하여 파동 샘으로부터의 거리에 따른 밝은 무늬의 각도 세타를 구하고, 간섭 현상에 대한 이론 식을 사용하여 구한 각도와 비교한다.

④ 두 원형 수면 파동 샘 사이의 간격을 변화시켜 ③ 의 측정을 반복한다. 이때 너무 무리하게 힘을 가하지 않도록 한다. 차이를 볼 수 있는가? 차이가 있다면 그 차이의 이유를 생각하고 측정 결과를 이론 식과 비교한다.

 

4) 장애물로부터 반사 또는 회절된 수면파의 간섭 현상을 측정한다.

① 1)에서와 같이 선형파 발생용 막대를 3 ～ 5 ㎜정도 물에 잠기게 조정한다. 막대가 수조의 한 가운데 가장자리와 평행하게 위치시킨다.

② 수면파 발생기의 전원을 켜고 떨개의 주기를 조절하여 수면파의 그림자가 잘 비치도록 한다.

③ 니들펜 등을 적당한 위치에 세워 장애물로 사용하고 주위의 파형이 변화하는 모양을 관찰한다. 이때 장애물의 수, 크기, 간격 및 위치 등을 바꿔 본다.

④ 간섭 무늬의 밝은 점들을 종이 위에 표시한다.

⑤ 이외에도 샤프 연필심 등을 사용하여 장애물의 크기가 파장보다 작을 때 수면파의 진행에 어떤 영향을 미치는가 관찰하고, 수면에 가한 작은 충격이 수면을 통해 전달되는 모양을 살핀다. 수면파란 결국 물분자 들의 상호작용에 의해서 전달 될 텐데 어떤 상호작용이 있을 수 있는가 생각해 본다.

 

 

 

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