스펙트럼이 빚어낸 스펙타클
빛과 소리의 이용. 파장에 따른 파동의 분류.
우리 선조들은 말을 타고 직접 편지를 전달해주거나 봉화를 이용해 연락을 주고받았습니다.
시간도 오래걸리고 많은 노동을 필요로 하며 부정확하고 날씨에 영향을 크게 받는 단점들이 많았습니다.
파동
오늘날 우리는 파동을 이용해 복잡한 정보도 쉽게 전달할 수 있습니다.
파동은 진동이 주위로 퍼져나가는 것을 말합니다. 매질은 전달되지 않고 제자리에서 진동하며 에너지를 전달해주는 것입니다.
속력 (v=s(거리)/t(시간)= λ(파장)/T(주기)=f(주기와 역수)λ)
파동의 속력은 진동수(f)와 파장(λ)의 곱으로 나타냅니다. 파동은 다양한 진동수와 파장을 가집니다. 매질에 따라 속력이 정해지므로 진동수와 파장은 반비례하게 됩니다.
빛은 매질이 필요 없는 비탄성파입니다. 빛은 진공에서 가장 빠른 속력(c=3억m/s)을 가지고 진행하는 매질에따라 조금씩 느린 속력을 가지게 됩니다.
소리는 진공에서 진행할 수 없고 매질을 꼭 필요로 하는 탄성파입니다. 고체에서 가장 빠르고 액체에서 중간이며 기체에서 가장 느린 속력을 가집니다. 공기중에서는 약 340m/s의 속력을 갖고 온도에 비례하여 속력도 증가합니다.
전자기파
전자기파는 전기장(E)과 자기장(B)이 수직으로 진동 하며 수직으로 진행하는 파동입니다. 파동의 진행방향과 전기장과 자기장의 진동방향이 모두 수직이므로 횡파입니다.
빛은 입자의 성질과 파동의 성질을 모두 같습니다. 빛이 입자인가요? 파동인가요?를 묻는 것은 현대 과학에서 더이상 의미 없는 질문이 되어버렸습니다. 빛의 입자성을 다룰 때에는 광자라부르고 파동성을 다룰 때에는 전자기파라고 부릅니다.
빛이라 하면 우리는 흔히 눈에 보이는 일곱색 무지개만을 떠올리지만 이 밖에도 우리 눈이 관찰할 수 없는 영역의 다양한 파장의 빛이 존재합니다. 인간이 눈을 통해 관측 가능한 가시광선은 약 400~700nm의 파장에 해당합니다. 가시광선보다 파장이 긴(진동수가 작은) 빛은 적외선, 마이크로파, 전파가 있습니다. 가시광선보다 파장이 짧은(진동수가 큰) 빛은 자외선, X-선, 감마선이 있습니다.
빛은 진동수가 클수록 큰 에너지를 갖습니다. 자외선은 살균효과를 지니고 X-선과 감마선은 방사선으로 다량 노출되면 건강에 해롭습니다.
전자기파의 이용
전자기파 중에서 파장이 가장 긴 전파영역은 주파수(진동수)가 크고 작음에 따라 고주파와 저주파로 세분화하기도 합니다. 파장의 길이를 기준으로 단파, 중파, 장파로 나누기도 합니다. 전파는 라디오, TV, 핸드폰의 통신 및 MRI(자기공명영상장치)에 이용됩니다. 마이크로파는 전자렌지, 기상관측, 무선인터넷, 위성안테나 등에 이용합니다. 가시광선보다 파장이 긴 빨강색 바깥영역은 적외선은 온도계, 리모컨, 열화상 카메라, 적외선 치료기로 이용합니다. 가시광선은 인간이 눈으로 관찰가능하고 카메라에 이용합니다. 가시광선보다 진동수가 큰 보라색 바깥영역인 자외선은 살균, 소독, 위조지폐 판별, 형광등에 이용됩니다. X-선은 뼈사진, CT, 공항 검색대, 구조물 내부 검사에 이용하며 감마선은 암치료에 이용합니다.
전자기파의 파장에 따른 분류 및 이용
리모컨은 적외선을 이용한다. 붉은 빛은 적외선이 보이는 것이 아니라 사용 여부를 알려주기 위한 옵션이다.
핸드폰 카메라를 이용하면 적외선을 관측활 수 있다.음파
음파는 공기가 압축과 팽창을 하며 앞뒤로 진동하며 전달되는 종파입니다.
음파의 진동수가 20~20,000Hz인 영역은 사람이 들을 수 있는 가청음역대입니다. 가청음역대보다 주파수가 작은 소리는 초저음파 큰 소리는 초음파라고 합니다.
*Hz(헤르츠) 진동수 단위로 1초에 진동하는 횟수.
음파의 이용
가청음역대는 사람이 들을수 있는 소리로 이용됩니다. 진동수가 클 수록 높은음이고 진동수가 작을수록 낮은음의 소리로 들립니다. 진동수와 소리의 크기는 무관하며 파동의 진폭이 클수록 큰 소리로 들립니다. 진동수가
초음파는 해저지형탐사, 어군탐지기, 자동차의 후방감지 센서, 태아 사진, 각종 건강 검진 등의 센서로 활용하며 고래, 박쥐등의 동물이 이용합니다.
음파의 진동수에 따른 분류 및 이용 초음파를 방출하여 반사되어 돌아오는 정도를 측정하여 내부를 검사하고 돌아오는데 걸리는 시간을 측정해 거리를 파악할 수 있습니다. 초음파의 진행 속도(v)와 초음파가 돌아오는데 걸리는 시간(t)을 곱하면 왕복 거리(2d)를 구할 수 있으므로 절반값을 계산하면 거리를 구할 수 있습니다.
초음파를 이용한 거리 측정특성
파동의 공통적인 특성으로 반사, 굴절, 회절, 간섭이 있습니다. 반사는 서로 다른 매질의 경계면에서 입사각과 같은 반사각으로 되돌아 나오는 성질입니다.
파동은 매질에 따라 진행하는 속력이 달라지는데 서로 다른 매질의 경계면에서 속도차이로 인해 진행방향이 꺾이는 현상을 굴절이라고 합니다. 같은 상황에서 진동수가 큰 파동이 더 크게 굴절하는데 공기중의 물방울에 빛이 굴절하며 무지개 빛이 나타나는 이유입니다.
회절이란 파동의 진행경로에 장애물이 있을때 장애물을 넘어 전달되는 현상입니다. 산을 넘어 라디오를 들을 수 있고 담장 너무 목소리가 들리는 것이 회절현상입니다.
간섭은 파동이 파동이 두개이상 만났을때 중첩의 원리에 따라 진폭이 더 커지거나 작아지는 현상입니다. 보강 간섭과 상쇄 간섭이 있습니다.
스펙트럼(다양한 파장의 빛, spectrum)이 어울려
경이로운 스펙타클(광경, 光景, spectacle)을 이룹니다.
여러 진동수의 소리들이 조화를 이뤄
아름다운 음악을 만듭니다.
우리는 모두 다른 모습을 하고 있지만
꼭 필요한 존재입니다.
때론 불협화음을 내기도 하지만
여러분의 소중함을 잊지마세요.
