통신의 발전을 이끝 광섬유의 빛 굴절
청랑학습코칭 고등과학 · 물리학Ⅰ · 문항 05
광섬유에서 빛의 굴절과 전반사
굴절률 · 임계각 · 전반사 · 파장과 진동수
[가] 광섬유의 구조
광섬유의 코어 굴절률은 1.50, 클래딩 굴절률은 1.45이다. 진공에서 파장이 600 nm인 단색광이 코어 내부를 진행하다가 코어-클래딩 경계면에 입사하였다. 빛의 입사각은 법선과 이루는 각으로 나타낸다.
굴절률 n = c/v, 매질에서 파장 λ = λ₀/n
코어에서 클래딩으로 진행할 때 임계각 θc: sinθc = n클래딩/n코어
※ sin 75°≈0.966으로 사용해도 좋다.
제시문과 자료를 바탕으로 옳은 설명만을 <보기>에서 고른 것은? [4점]
<보기>
ㄱ.코어에서 경계면에 80°로 입사한 빛은 전반사할 수 있다.
ㄴ.빛이 진공에서 코어로 들어가면 진동수가 작아진다.
ㄷ.코어에서 이 빛의 파장은 400 nm이다.
과학 용어
Science Terms| 굴절률 | 진공에서의 빛의 속력과 매질에서의 빛의 속력의 비. |
|---|---|
| 전반사 | 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 진행하는 빛이 임계각보다 큰 각으로 입사할 때 빛이 모두 반사되는 현상. |
| 임계각 | 굴절각이 90°가 되는 입사각. |
| 진동수 | 빛이 매질의 경계를 지나도 변하지 않는 파동의 성질. |
정답
④ㄱ, ㄷ
풀이 전략
전반사 조건은 빛이 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 진행하면서 입사각이 임계각보다 클 때이다. 진동수는 경계를 지나도 변하지 않고, 속력과 파장이 변한다.
1. 핵심 계산·자료 해석
sinθc=1.45/1.50≈0.967 → θc≈75°
입사각 80° > 임계각 약 75° → 전반사 가능
λ코어=λ₀/n=600/1.50=400 nm
입사각 80° > 임계각 약 75° → 전반사 가능
λ코어=λ₀/n=600/1.50=400 nm
2. <보기> ㄱ·ㄴ·ㄷ 판단
ㄱ옳다. 코어의 굴절률이 더 크고 80°는 임계각보다 크므로 전반사 조건을 만족한다.
ㄴ틀리다. 빛의 진동수는 매질의 경계를 통과할 때 변하지 않는다.
ㄷ옳다. 코어에서 빛의 속력이 1/1.50배가 되고 진동수는 일정하므로 파장은 400 nm이다.
3. 객관식 선지 분석
- ①옳은 진술 ㄷ을 포함하지 않는다.
- ②틀린 진술 ㄴ을 포함한다; 옳은 진술 ㄱ, ㄷ을 포함하지 않는다.
- ③틀린 진술 ㄴ을 포함한다; 옳은 진술 ㄷ을 포함하지 않는다.
- ④정답. 옳은 진술은 ㄱ, ㄷ이다.
- ⑤틀린 진술 ㄴ을 포함한다; 옳은 진술 ㄱ을 포함하지 않는다.
4. 그림으로 개념 연결하기
5. 자주 하는 오개념과 해석 범위
파장과 진동수를 함께 줄인다고 생각하면 안 된다. 경계면에서 빛의 진동수는 광원을 따라 일정하게 유지되고, 매질에 따라 빛의 속력이 달라지므로 파장이 변한다.
6. 문제 해결 핵심 정리
이 문항은 자료에서 직접 확인되는 값과 교과 개념으로 계산한 결과를 구분하고, 그 결과가 각 진술을 뒷받침하는지 판단하는 문제이다. 계산값만 얻는 데서 끝내지 말고 어떤 식·법칙·자료가 어떤 결론을 지지하는지 연결하여 설명하는 것이 중요하다.
문항 제작 안내
문제·제시문·선지·수치 자료·해설·모식도는 대한민국 고등학교 과학 교과 개념과 용어를 바탕으로 학습용으로 새로 구성하였다. 특정 학교·교육청·평가원·대학의 기출문항이나 교재의 문장·수치·도표를 재현한 것이 아니다.
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