함께 배우는 수업 · 과학

빛의 반사와 굴절, 렌즈의 상

빛의 삼원색 합성부터 매질의 경계면에서 일어나는 반사·굴절의 법칙, 그리고 거울(평면·볼록·오목)과 렌즈(볼록·오목)가 만드는 실상과 허상의 결상 원리를 배웁니다.

이 수업에서 해 볼 일

굴절 방향과 렌즈의 초점 조건을 구별한다

먼저 알면 좋은 것: 빛의 직진과 그림자 · 각도의 측정(법선과 입사각)

오늘의 목표

가입 없이 시작할 수 있어요. 설명을 읽고, 함께 연습한 뒤, 처음 보는 문제에서 직접 확인합니다.

판단 과정과 비교 사례

반사각은 법선을 기준으로 입사각과 같다. 거울 면과 광선 사이의 각이 주어졌다면 90°에서 빼서 법선 기준 각으로 바꾼다.굴절에서는 경계면에 나란한 방향 성분의 관계를 스넬 법칙으로 비교한다. 빛이 굴절률이 더 큰 매질로 비스듬히 들어가면 법선에 가까워지며 수직 입사는 방향이 바뀌지 않는다.렌즈의 상은 물체와 초점의 상대 위치에 따라 달라진다. 볼록렌즈에서 초점 바깥 물체는 실상을 만들 수 있고 안쪽 물체는 바로 선 확대 허상으로 보인다.

1. 빛의 삼원색과 반사·굴절의 법칙

물체를 본다는 것은 광원에서 나온 빛이 물체 표면에서 반사되어 우리 눈으로 들어오는 것입니다. 빛의 삼원색은 빨강(R), 초록(G), 파랑(B)이며, 빛은 합칠수록 밝아지는 가산 혼합을 합니다 (

R+G=\text{노랑}

G+B=\text{청록}

R+B=\text{자홍}

R+G+B=\text{백색광}

). 빛이 나아가다 서로 다른 두 매질의 경계면을 만날 때 반사와 굴절이 일어납니다: 1. 반사의 법칙 (Law of Reflection): 경계면에 수직으로 세운 가상 선인 법선(Normal line)을 기준으로, 들어오는 빛과 법선이 이루는 각(입사각 $i$ )과 튕겨 나가는 빛과 법선이 이루는 각(반사각 $r$ )은 언제나 같습니다:

\text{입사각}(i) = \text{반사각}(r)

2. 빛의 굴절 (Refraction): 빛이 한 매질에서 다른 매질로 비스듬히 진행할 때, 매질에 따라 빛의 진행 속력이 달라지기 때문에 경계면에서 진행 방향이 꺾이는 현상입니다. - 빛의 속력 비교:

\text{진공(공기)} > \text{물} > \text{유리(다이아몬드)}

- 공기 $\rightarrow$ 물: 속력이 느려지므로 법선 쪽으로 꺾여 $\text{입사각} > \text{굴절각}$ 이 됩니다.입사각, 반사각, 굴절각은 거울면이나 수면(경계면)과 이루는 각도가 아니라, 반드시 경계면에 수직인 '법선'과 빛이 이루는 각도입니다!

2. 거울과 렌즈의 광선 경로 및 상(Image)의 완벽 비교

거울은 빛의 반사를 이용하고, 렌즈는 빛의 굴절을 이용하여 빛을 모으거나 퍼뜨립니다. 실제 빛이 모여서 맺히는 상을 실상(Real image, 거꾸로 섬), 빛이 연장선상에서 모인 것처럼 보이는 상을 허상(Virtual image, 바로 섬)이라고 합니다.

도구 종류	빛의 작용	물체 위치에 따른 상의 특징 (크기 / 방향 / 종류)	대표 실생활 활용 예시
오목거울 / 볼록렌즈	빛을 한 점(초점)으로 모음 (수렴)	• 초점 밖(멀 때): 거꾸로 선 실상 (축소/같은 크기/확대) • 초점 안(가까울 때): 바로 선 확대된 허상	오목거울: 성화 채화경, 자동차 전조등, 치과용 거울 볼록렌즈: 돋보기, 원시 교정 안경, 현미경, 사진기
볼록거울 / 오목렌즈	빛을 넓게 퍼뜨림 (발산)	• 거리에 관계없이 항상 바로 선 축소된 허상만 맺힘 (시야가 넓어짐)	볼록거울: 도로 굽은 길 안전거울, 자동차 측면 거울 오목렌즈: 근시 교정 안경, 현관문 렌즈

예제로 살펴보기

물속에 잠긴 동전을 공기 중에서 내려다볼 때 실제보다 얕게(떠올라) 보이는 이유를 빛의 굴절과 굴절각의 크기로 설명해 보세요.

1) 물속 동전에서 반사된 빛이 물에서 공기로 나올 때, 빛의 속력이 '물 < 공기'이므로 빨라집니다. 2) 속력이 빨라지는 매질(공기)로 나아갈 때는 빛이 법선에서 멀어지는 쪽으로 꺾이므로 '입사각 < 굴절각'이 됩니다. 3) 우리 눈은 굴절된 빛이 곧게 직진해 온 것으로 착각하므로, 굴절 광선의 연장선이 만나는 실제 동전보다 위쪽(얕은 곳)에 동전의 허상이 떠 있는 것처럼 보입니다.

확인: 빛의 반사에서는 항상 입사각과 반사각이 같고, 굴절은 매질에 따른 빛의 속력 차이 때문에 발생한다.

3. 파동의 기본 요소와 자주 틀리는 오개념

한 곳에서 시작된 진동이 매질을 따라 주위로 퍼져 나가는 현상을 파동(Wave)이라고 합니다. - 파동의 전달 원리: 파동이 전파될 때 매질(물, 공기, 용수철 등)은 파동을 따라 이동하지 않고 제자리에서 위아래(횡파) 또는 앞뒤(종파)로 진동만 하며, 이동하는 것은 오직 에너지와 파형뿐입니다. - 횡파(Transverse wave): 파동의 진행 방향과 매질의 진동 방향이 수직인 파동 (예: 빛, 전파, 물결파, 지진파의 S파). - 종파(Longitudinal wave): 파동의 진행 방향과 매질의 진동 방향이 나란한 파동 (예: 소리(음파), 지진파의 P파). - 진동수( $f$ )와 주기( $T$ )의 관계: 1초 동안 진동하는 횟수인 진동수(단위:

\text{Hz}

)와 1회 진동하는 데 걸리는 시간인 주기(단위:

\text{s}

)는 서로 역수 관계입니다:

f = \frac{1}{T}, \quad \text{파동의 속력 } v = f \lambda

자주 틀리는 오개념 정리: 1. "볼록렌즈(돋보기)로 보면 물체가 언제나 크게 보인다?"

\rightarrow

오개념입니다! 물체가 초점 거리 안쪽(가까이)에 있을 때만 바로 선 큰 상이 보이고, 물체가 초점 거리 바깥(멀리)으로 나가면 거꾸로 선 상으로 뒤집어집니다. 2. "물결파가 오른쪽으로 진행할 때 물 위에 떠 있는 탁구공도 오른쪽으로 흘러간다?"

\rightarrow

오개념입니다! 매질인 물은 제자리에서 위아래로만 진동하므로 탁구공도 제자리에서 오르내리기만 합니다.기억하기 쉬운 짝꿍 공식: '볼록렌즈 = 오목거울 (빛 모음, 원시 안경)' vs '오목렌즈 = 볼록거울 (빛 퍼뜨림, 항상 작고 바로 선 상, 근시 안경)'!

참고 근거와 확인 범위

OpenStax · College Physics 2E · 25.3 The Law of Refraction ↗
굴절률과 빛의 진행 방향

설명·예제·문제 구성 및 오류 수정 책임: 프리런. 위 자료는 표시한 주제를 확인하거나 더 읽기 위한 근거이며, 외부 기관의 공식 수업이나 감수본을 뜻하지 않습니다.

참고 자료 연결 점검: 2026-11-02. 제작 방식·검수 범위와 수정 기록에서 확인 범위를 볼 수 있습니다. 오류는 상단의 의견 보내기 또는 contact@freelearn.io로 알려 주세요.

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