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요술거울 속에 비친 내 모습을 상상해보자. 요술거울은 빛을 어디로 유도하는가?

매일 자신의 모습을 보여주는 거울, 그러나 조명이 없는 깜깜한 밤에는 거울 속에 비친 모습을 볼 수 없다. 왜냐하면 반사될 빛이 없기 때문이다. 빛의 반사를 잘 이용하면 거울 속에 비친 홀쭉한 내 모습을 볼 수도 있다는데, 좀더 날씬하게 비춰지는 거울을 만들어 본다.
 

실험1. 요술거울 만들기
 

왜 그럴까?

우리가 사물을 볼 수 있는 것은 물체에 부딪친 빛의 일부가 우리 눈으로 들어오기 때문이다. 거울 앞에 물체를 두면, 마치 거울 뒤에 물체가 있는 것처럼 보인다. 이 때 우리 눈에 들어오는 물체는 거울 뒷면에 코팅돼 있는 금속으로부터 반사된 빛이다. 평면거울에서 빛이 반사할 때 상의 크기는 물체 크기와 같고, 거울에서 상까지의 거리는 물체까지의 거리와 같다. 또 입사각과 반사각이 같은 반사의 법칙을 만족시킨다(그림1).

평면거울에서 빛은 평행하게 들어와 모두 같은 각도로 반사돼 나아가므로 물체의 모습이 일그러지지 않는다. 빛의 진행 경로가 달라지면 물체의상은 다르게 보이는데, 요술거울처럼 거울 표면이 볼록하면 일그러진 상이 만들어진다. 볼록거울에서도 빛의 입사각과 반사각은 같지만, 거울면에 들어오는 평행한 빛이 각각 다른 지점에 닿아 반사되므로, 반사된 빛은 서로 평행하지 않기 때문에 일그러진 상을 만든다(그림2).
실험에서 만든 요술거울을 원통형으로 세워놓고 물체를 그 앞에 놓아보자. 요술거울에서 관찰되는 물체의 모습은 세로방향 크기는 그대로이면서, 가로방향은 축소된 상이다. 즉 요술거울 앞에 서 있는 사람은 날씬해 보일 수 있다. 만약 요술거울을 눕혀서 관찰하면, 반대로 키는 작아지고 몸통은 그대로인 땅달보가 될 것이다 이것은 놀이동산의 '요술거울의 방'에서 본 것과 같은 것이다.
 

실험2. 일그러진 그림 그리기
 

왜 그럴까?

실험에서 사용한 볼록거울은 반사된 빛의 진행이 평면거울과 다르다. 볼록 거울은 빛을 넓은 각도로 반사시키므로 보통 거울보다 훨씬 더 넓은 범위를 볼 수 있다. 따라서 물체를 볼록거울에 비춰보면 상은 실제보다 작고 더 가깝게 맺힌다. 볼록거울에 평행한 가로선이나 세로선을 비춰보면 일정한 방향으로 변하는 것을 알 수 있다. 이 특성을 반대로 이용한 것이 부채꼴 모눈종이다(그림1).

볼록거울은 반사된 빛이 퍼져나가므로 (그림2)와 같이 거울 뒤의 한 점(F)에서 나온것처럼 빛이 진행된다. 반사된 빛의 연장선이 모이는 이 점을 허초점이라고 한다. 볼록 거울에 맺히는 상온 똑바로 선 허상이며, 항상 실물보다 작고, 물체 위치에 상관없이 허초점과 거울사이에 생긴다(그림2).

볼록거울을 이용한 것이 자동차의 사이드 미러이다. 자동차의 사이드 미러에 비치는 상은 항상 실물보다 작게 보이고, 가깝게 있는 것으로 보인다. 볼록거울은 평면거울보다 넓은 범위를 보여주는 장점이 있어, 운전할 때 측면에서 다가오는 자동차나 사람을 파악하기에 효과적이다.
실험에서 만든 볼록거울과는 정반대의 모양을 갖는 오목거울은 자동차의 헤드라이트로 쓰인다. 헤드라이트에는 오목거울의 초점에전구가 설치돼 있다. 초점에 설치된 전구에서 나간 빛은 오목거울 표면에서 모두 평행하게 진행된다. 오목거울에서 반사돼 평행하게 진행한 빛은 먼 곳까지 비춰주므로 야간운전할 때 시야를 확보해준다(그림3).