빛이 물질의 경계에서 전부 되돌아오는 조건 찾기
물리1 · 서술형 평가지 · 권장 시간 25분 · 총 100점
안내 — 이 평가지에는 개념 용어가 일부러 빠져 있습니다. 아래 다섯 장면을 살펴보세요. 각 장면에서 빛은 물이나 유리처럼 속이 꽉 찬 물질 안을 지나다가 공기와 만나는 경계에 닿습니다.
㉮ 물속을 비스듬히 나아간 빛이 수면(물과 공기의 경계)에 닿는다.
㉯ 가느다란 유리막대 속을 지난 빛이 휘어진 끝의 안쪽 벽에 닿는다.
㉰ 컵의 작은 구멍에서 흘러나오는 물줄기 속으로 들어간 빛이 곡선을 따라간다.
㉱ 삼각형 유리덩어리 속을 지난 빛이 안쪽 벽면에 닿는다.
㉲ (비교) 물속 빛이 수면에 거의 똑바로(수직에 가깝게) 닿는다. 예제: 휘어진 물줄기나 유리 속을 끝까지 따라가는 빛 (비교용: 경계에 거의 똑바로 닿아 밖으로 빠져나가는 빛)
1
활동 — 순서대로 해 보기
30점
- ①㉮~㉲를 하나씩 읽으며, 경계에 닿은 뒤 빛이 밖으로 빠져나갔는지 전부 안으로 되돌아왔는지 각 장면 옆에 적어 보세요.
- ②빛이 전부 안에 갇혀 되돌아온 장면을 [칸 A]에, 밖으로 빠져나간 장면을 [칸 B]에 나누어 적어 보세요.
- ③[칸 A]의 장면들에서 빛은 어떤 물질(꽉 찬 것/성긴 것)에서 어떤 물질 쪽으로 가고 있었는지 [칸 C]에 적어 보세요.
- ④㉲처럼 경계에 거의 똑바로 닿을 때와 ㉮처럼 비스듬히(경계와 나란한 쪽으로) 닿을 때, 어느 쪽이 밖으로 잘 빠져나가는지 [칸 D]에 적어 보세요.
- ⑤㉮에서 빛이 닿는 각도를 조금씩 눕혀 갈 때, 어느 순간부터 밖으로 못 나가고 전부 되돌아올지 상상해 그 '경계가 되는 순간'을 [칸 E]에 말로 적어 보세요.
- ⑥[칸 A]의 장면들이 갇히려면 공통으로 필요한 두 가지 조건을 [칸 C]와 [칸 D]를 보고 한 문장으로 정리해 보세요.
칸 A — 빛이 전부 안에 갇혀 되돌아온 장면
칸 C — 빛이 어떤 물질에서 어떤 물질로 갔는지
칸 D — 똑바로/비스듬히 중 잘 빠져나가는 쪽
칸 E — 빛이 전부 되돌아오기 시작하는 순간
2
해석 — 왜 그런지 내 생각 쓰기
40점
(1)[칸 A]의 장면들은 모두 '꽉 찬 물질에서 성긴 물질 쪽으로' 그리고 '충분히 비스듬하게' 닿았을 때만 갇혔습니다. 이것은 이 장면들만의 우연일까요, 어떤 빛에서도 성립하는 규칙일까요? 다른 상황 하나를 직접 떠올려 확인한 결과와 함께 이유를 쓰세요. (15점)
✎ 나는 (우연 / 규칙) 쪽에 걸겠다. 내가 떠올린 상황 ___에서 해 보니 …
(2)비교 장면 ㉲는 왜 ㉮와 달리 빛이 밖으로 빠져나갔을까요? 두 장면에서 무엇이 달랐는지 여러분의 말로 설명해 보세요. (15점)
✎ ㉮와 ㉲는 빛이 경계에 닿는 ___이(가) 달랐기 때문에 …
(3)㉰의 물줄기와 ㉯의 유리막대에서 빛이 곡선이나 막대의 끝까지 갈 수 있었던 까닭을, [칸 A]에서 찾은 두 조건으로 설명해 보세요. (10점)
3
성찰 — 활동을 내 것으로 만들기
30점
(1) 순서 다시 짜기 — 이 활동을 처음 하는 친구에게 나라면 어떤 순서로 시킬지 쓰고, 왜 그 순서인지 한 문장으로 이유를 붙이세요. 지워도 되는 단계가 있다면 그것도 쓰세요. (15점)
(2) 이름 붙이기 — 오늘 한 일을 세 문장으로 정리한 뒤, 각 문장이 가리키는 것에 교과서에서 배운(또는 배울) 과학 용어를 짝지어 붙여 보세요. (15점)
평가 기준
| 활동 수행 (30점) | 다섯 장면을 갇힘/빠져나감으로 정확히 나누고, 물질·각도 비교 지시를 빠짐없이 수행함 | 상 · 중 · 하 |
| 해석 (40점) | 자기 가설에 이유를 붙였고, 다른 상황을 직접 떠올려 확인한 근거가 있음 | 상 · 중 · 하 |
| 성찰 (30점) | 순서 재설계에 이유가 있고, 세 문장 각각에 알맞은 이름을 짝지음 | 상 · 중 · 하 |
연습 문제
빛이 물질의 경계에서 전부 되돌아오는 조건 찾기 · 총 100점
안내 — 1쪽에서 스스로 세운 개념을 이번에는 반복해서 적용해 봅니다. 풀이 과정을 빈 곳에 쓰고, 다 푼 뒤 맨 아래 정답으로 스스로 채점하세요.
1.빛이 한 물질에서 다른 물질로 진행할 때, 경계면에서 빛이 통과하지 못하고 전부 되돌아 나오는 현상을 무엇이라 하는지 쓰시오.
2.전반사가 일어나기 위한 두 가지 조건을 쓰시오.
4.굴절률이 1.5인 유리에서 굴절률이 1인 공기로 빛이 진행할 때 임계각을 구하시오. (단, sin(임계각) = 공기의 굴절률 ÷ 유리의 굴절률)
5.다음 중 전반사가 일어날 수 있는 경우를 고르고 이유를 쓰시오. (가) 공기 → 물 (나) 물 → 공기
6.광섬유를 이용한 광통신에서 빛이 밖으로 새지 않고 멀리까지 전달되는 원리를 전반사로 설명하시오.
정답
1. 전반사
2. ① 빛이 굴절률이 큰(밀한) 매질에서 굴절률이 작은(소한) 매질로 진행할 것, ② 입사각이 임계각보다 클 것
3. 굴절각이 90°가 되는 순간의 입사각. 입사각이 임계각보다 커지면 전반사가 일어난다.
4. sin(임계각) = 1 ÷ 1.5 ≈ 0.667, 임계각 ≈ 41.8°
5. (나). 전반사는 굴절률이 큰 매질(물)에서 작은 매질(공기)로 진행할 때만 일어나기 때문이다.
6. 굴절률이 큰 중심부에서 굴절률이 작은 바깥층으로 빛이 임계각보다 큰 입사각으로 닿아 전반사가 반복되므로, 빛이 밖으로 빠져나가지 않고 광섬유를 따라 진행한다.