곧은 연필을 투명한 물컵에 비스듬히 넣고 옆 위쪽에서 보면, 물에 잠긴 부분이 수면에서 어긋난 것처럼 보인다. 연필을 꺼내 보면 여전히 곧다. 눈을 다른 위치로 옮기면 어긋나 보이는 모습도 함께 달라진다.
어디서부터 설명을 시작할까? 먼저 물속에 있는 연필심 하나를 정하고, 그곳에서 반사된 빛이 어떻게 진행해야 눈에 도달하는지 따져 볼 수 있다. 중학교 2학년 물리의 광학 내용은 바로 이런 일상적 관찰을 한 단계씩 검증 가능한 광선 경로로 그려 내는 것이다.
눈의 위치에서 거꾸로 빛을 찾기
4차시는 먼저 광원, 그림자, 반사를 다룬 뒤 평면거울成像을 소개한다. 거울 속 자신을 볼 때 눈에 들어오는 것은 거울면에서 반사된 빛이다. 반사광의 방향을 따라 거울면 뒤쪽으로 연장하면 그림 위에서 상의 위치를 찾을 수 있다. 물체와 상을 표시해 보면 둘이 거울면에 대해 대칭임을 알 수 있다. 4차시 《빛의 현상과 반사·굴절》
이런 문제를 풀 때는 먼저 눈의 위치를 그림에 표시하고, 어떤 광선이 거울면을 거쳐 그곳에 도달할 수 있는지 그려 보면 된다. 당장 각도를 계산하지 못하더라도, 그림만으로도 빛의 진행 방향을 거꾸로 그리지 않았는지 점검할 수 있다.
수면에 이르면 빛의 방향이 달라진다
물속 연필심에서 반사된 빛은 비스듬히 물에서 공기로 들어가면서 굴절한다. 눈은 굴절된 빛을 받아들여 그 진행 방향을 거꾸로 따라가므로, 보이는 연필심의 위치는 물속 실제 위치와 어긋나게 된다. 4차시에서는 비슷한 광선 경로로, 물 위에서 볼 때 맑은 연못 바닥이 더 얕아 보이는 이유를 설명한다.
더 또렷하게 보려면 컵과 연필을 안정적으로 세우고 수위를 유지한 채, 서로 다른 두 각도에서 각각 관찰하며 연필심이 보이는 위치를 그려 볼 수 있다. 이어서 연필심, 수면, 눈만 남긴 단순한 스케치를 그려 보자. 수면에 이르는 부분을 그릴 때는 먼저 경계면에 수직인 법선을 긋고, 빛이 비스듬히 물을 떠나 공기로 들어갈 때 굴절각이 입사각보다 큰지 확인한다.
굴절을 곡면이 있는 유리에 적용하기
5차시는 이 사고방식을 렌즈로 이어 간다. 볼록 렌즈는 가운데가 두껍고 가장자리가 얇으며, 주광축에 평행한 빛은 렌즈를 지나 굴절된 뒤 한 점으로 모인다. 수업 자료는 렌즈의 모양에서 출발해 주광축, 초점, 초점거리를 설명하고, 여러 개의 렌즈로 관찰 효과를 바꾸는 광학 기구로 이어 간다. 수면에서의 한 번의 꺾임을 그려 본 뒤, 빛이 렌즈를 지나기 전후의 경로를 보면 각 구간의 빛을 따라가며 초점이 어디서 생기는지 이해할 수 있다. 5차시 《렌즈의 작용과 우주 탐사》
관찰한 뒤에는 현상을 설명하는 그림을 한 장 덧붙이기
이 간체 중국어 강좌는 중학교 2학년 학생을 대상으로 하며, 역학적 운동, 소리 현상, 물질 상태 변화, 질량 등의 주제도 다룬다. 생활 속 궁금증을 가지고 물리를 배울 때는 먼저 무엇을 보았는지 기록하고, 이어서 관찰 조건을 바꾸고, 마지막으로 그림이나 측정으로 변화를 설명하면 된다. 광학 부분의 첫 연습 그림은 컵 속의 그 연필이 될 수 있다. 옆자리 친구에게 빛이 어디서 꺾이는지, 눈이 연필심을 어디에서 보는지 직접 가리켜 보자. PHYS801A-PEP-CN 강좌 들어가기