KR101833630B1 - 빛의 굴절 실험장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 빛의 굴절 실험장치는, 원 둘레를 따라 각각의 각도가 표기되고, 원점 영역에 상면과 하면을 관통하는 고정자가 형성되는 원 형상의 베이스 플레이트; 상기 고정자와 연결되어 상기 베이스 플레이트의 상면에서 원 운동하는 제1 막대 플레이트; 상기 고정자와 연결되어 상기 베이스 플레이트의 하면에서 원 운동하는 제2 막대 플레이트; 상기 제1 막대 플레이트와 고정 연결되고 겉면이 투명 재질로 형성되며 매질이 수용되는 매질 용기; 상기 제1 막대 플레이트와 고정 연결되고 상기 베이스 플레이트의 원 둘레 바깥 영역에서 빛을 조사하는 발광 수단; 상기 베이스 플레이트의 원 둘레의 각도 영역마다 각각 설치되고, 상기 발광 수단으로부터의 수광을 감지하면 상기 매질 용기 방향으로 빛을 조사하면서 마이크로 프로세서 유닛으로 선정된 각도 정보를 전송하며, 다른 센싱 중계수단으로부터의 수광을 감지하면 상기 각도 정보를 마이크로 프로세서 유닛으로 전송하는 복수의 센싱 중계수단; 상기 베이스 플레이트의 후면에 설치되어 상기 복수의 센싱 중계수단과 각각 유무선으로 연결되고, 상기 복수의 센싱 중계수단으로부터 각각 수신하는 각도 정보를 통해 상기 매질 용기에 수용된 매질에 대한 굴절률 정보를 생성하는 마이크로 프로세서 유닛(MCU: Micro Processor Unit); 및 상기 베이스 플레이트의 상면에 설치되어 상기 마이크로 프로세서가 생성한 상기 굴절률 정보를 표시하는 디스플레이 수단을 포함한다.

Description

빛의 굴절 실험장치{APPRATUS FOR EXPERIMENT OF LIGHT REFRACTION}
본 발명은 빛의 굴절 실험장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 각도가 표시된 원형의 베이스 플레이트의 둘레에 발광 센서와 수광 센서를 설치하고 빛이 발광되고 수광되는 위치의 각도 정보를 상기 센서들을 통해 수집하여 이를 통해 매질에 따른 굴절률 정보를 생성하여 디스플레이 함으로써, 빛의 입사각과 매질의 변경에 따른 빛의 굴절에 대한 정보를 정확한 수치를 참고하면서 시각적으로 습득하면서 실험할 수 있도록 하는 빛의 굴절 실험장치에 관한 것이다.
직진하는 빛이 다른 매질에 입사할 때 진행 방향이 꺾어지는 현상을 굴절이라 한다. 그리고 어떤 매질에서의 굴절은 입사각과 굴절각 사이에 일정한 규칙이 성립하는데 이를 스넬의 법칙이라 한다. 즉 sin(입사각)과 sin(굴절각)의 비율은 두 매질의 굴절률이라는 고유한 수치의 비로서 항상 일정하다는 것이다. 진공에서의 굴절률을 1로 두어 매질들의 굴절률을 정한다. 공기의 굴절률은 거의 1이기 때문에 어떤 매질의 굴절률은 공기에서 매질로 빛을 입사시켜 입사각과 굴절각을 측정하여 계산할 수 있고 이는 물질의 고유한 값이 된다. 이 굴절률은 같은 매질이라도 빛의 파장에 따라서 변하고, 일반적으로 파장이 짧을수록 굴절률은 증가한다.
액체의 굴절률을 측정하는 경우 보통 일반물리학 실험 과정에서 하는 것처럼 플라스크에 물 등의 매질이 되는 액체를 부어 이를 통하여 바늘을 보아 보이는 위치가 변하는 것을 관측하여 각도를 재는 방법을 쓴다. 이러한 방법을 통해 대다수의 중고등학교나 대학교 물리학 과정에서 빛의 굴절에 대한 실험을 행하여 학생들이 학습을 하고 있다. 그러나 이러한 실험 방법은 학생이 일일이 각도를 눈금을 통해 눈 대중으로 측정해야 하고 빛의 입사각 변화에 따른 굴절각의 변화 등을 다양하게 눈으로 보면서 학습할 수 없어 실험 효과가 떨어진다는 문제점이 있다. 또한 종래 과학실험 도해대사전에 소개된 실험법 등은 실험 과정이 복잡하고 빛이 많은 벽을 통과하게 되므로 이중 굴절에 의해 오차가 큰 단점이 있었다. 이에 중학교나 고등학교 등의 실험실에서 액체의 굴절률을 정밀 측정할 수 있고, 각급 학교 실험수업에서 학생들의 이해증진에 도움이 될 수 있는 빛의 굴절 실험장치의 개발이 요구되고 있다.
(문헌 1) 과학실험도해대사전, 1988.11.3, 160쪽.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 각도가 표시된 원형의 베이스 플레이트의 둘레에 발광 센서와 수광 센서를 설치하고 빛이 발광되고 수광되는 위치의 각도 정보를 상기 센서들을 통해 수집하여 이를 통해 매질에 따른 굴절률 정보를 생성하여 디스플레이 함으로써, 빛의 입사각과 매질의 변경에 따른 빛의 굴절에 대한 정보를 정확한 수치를 참고하면서 시각적으로 습득하면서 실험할 수 있도록 하는 빛의 굴절 실험장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 이루고 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 빛의 굴절 실험장치는, 원 둘레를 따라 각각의 각도가 표기되고, 원점 영역에 상면과 하면을 관통하는 고정자가 형성되는 원 형상의 베이스 플레이트; 상기 고정자와 연결되어 상기 베이스 플레이트의 상면에서 원 운동하는 제1 막대 플레이트; 상기 고정자와 연결되어 상기 베이스 플레이트의 하면에서 원 운동하는 제2 막대 플레이트; 상기 제1 막대 플레이트와 고정 연결되고 겉면이 투명 재질로 형성되며 매질이 수용되는 매질 용기; 상기 제2 막대 플레이트와 고정 연결되고 상기 베이스 플레이트의 원 둘레 바깥 영역에서 빛을 조사하는 발광 수단; 상기 베이스 플레이트의 원 둘레의 각도 영역마다 각각 설치되고, 상기 발광 수단으로부터의 수광을 감지하면 상기 매질 용기 방향으로 빛을 조사하면서 마이크로 프로세서 유닛으로 선정된 각도 정보를 전송하며, 다른 센싱 중계수단으로부터의 수광을 감지하면 상기 각도 정보를 마이크로 프로세서 유닛으로 전송하는 복수의 센싱 중계수단; 상기 베이스 플레이트의 후면에 설치되어 상기 복수의 센싱 중계수단과 각각 유무선으로 연결되고, 상기 복수의 센싱 중계수단으로부터 각각 수신하는 각도 정보를 통해 상기 매질 용기에 수용된 매질에 대한 굴절률 정보를 생성하는 마이크로 프로세서 유닛(MCU: Micro Processor Unit); 및 상기 베이스 플레이트의 상면에 설치되어 상기 마이크로 프로세서가 생성한 상기 굴절률 정보를 표시하는 디스플레이 수단을 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 빛의 굴절 실험장치의 상기 센싱 중계수단은, 상기 베이스 플레이트의 원 둘레 안쪽 방향을 지향하도록 설치되고, 상기 제2 수광센서의 상기 발광 수단으로부터의 수광이 감지되면 제어기의 제어에 따라 빛을 상기 매질 용기 방향으로 조사하는 발광 센서; 상기 발광 센서와 이웃하여 상기 베이스 플레이트의 원 둘레 안쪽 방향을 지향하도록 설치되고, 다른 센싱 중계수단의 발광 센서로부터 조사되는 빛을 감지하는 제1 수광 센서; 상기 베이스 플레이트의 원 둘레 바깥 방향을 지향하도록 설치되고, 상기 발광 수단으로부터 조사되는 빛을 수광하는 제2 수광 센서; 및 상기 베이스 플레이트 상에서 자신의 설치되는 영역에 대한 각도 정보를 유지하고, 상기 제1 수광 센서가 다른 센싱 중계수단의 발광 센서로부터 조사되는 빛을 감지하는 경우 상기 각도 정보를 상기 마이크로 프로세서 유닛으로 전송하며, 상기 제2 수광 센서가 상기 발광 수단으로부터 조사되는 빛을 감지하는 경우 상기 발광 센서가 빛을 상기 매질 용기 방향으로 조사하도록 제어하는 제어기를 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 빛의 굴절 실험장치는, 상기 베이스 플레이트의 원 둘레를 따라 벽 형상으로 설치되고 상기 각 센싱 중계수단이 설치된 영역에서만 상기 원 둘레의 바깥 방향과 안쪽 방향으로 상기 벽이 개방되는 형상을 갖는 차단 벽을 더 포함한다.
본 발명의 빛의 굴절 실험장치에 따르면, 빛의 입사각과 매질의 변경에 따른 빛의 굴절에 대한 정보를 정확한 수치를 참고하면서 시각적으로 습득하면서 실험할 수 있도록 함으로써, 중학교나 고등학교 등의 실험실에서 액체의 굴절률을 정밀 측정할 수 있고 각급 학교 실험수업에서 학생들의 이해증진을 극대화하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 빛의 굴절 실험장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 빛의 굴절 실험장치가 포함하는 센싱 중계장치의 구성을 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 빛의 굴절 실험장치의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 빛의 굴절 실험장치는 베이스 플레이트(110), 차단 벽(111), 제1 막대 플레이트(121), 제2 막대 플레이트(122), 매질 용기(130), 발광 수단(140), 복수의 센싱 중계수단(150), 마이크로 프로세서 유닛(MCU: Micro Processor Unit)(160), 디스플레이 수단(170)을 포함한다.
베이스 플레이트(110)는 원 형상으로 형성된다. 베이스 플레이트(110)의 원 둘레를 따라 각각의 영역에 대응되는 각도가 표기될 수 있다. 상기 각도는 1도에서 360도(0도)까지 총 360개의 각도가 표기될 수 있다. 베이스 플레이트(110)의 원점 영역에는 상면과 하면을 관통하는 고정자가 형성된다. 차단 벽(111)은 베이스 플레이트(110)의 원 둘레를 따라 벽 형상으로 설치되고 각 센싱 중계수단(150)이 설치된 영역에서만 상기 원 둘레의 바깥 방향과 안쪽 방향으로 상기 벽이 개방되는 형상으로 구현될 수 있다.
제1 막대 플레이트(121)는 상기 고정자와 연결되어 베이스 플레이트(110)의 상면에서 원 운동하도록 형성된다. 제2 막대 플레이트(122)는 상기 고정자와 연결되어 베이스 플레이트(110)의 하면에서 원 운동하도록 형성된다. 제2 막대 플레이트(122)의 길이는 베이스 플레이트(110)의 반지름보다 크게 형성되어 종단이 베이스 플레이트(110)의 바깥 영역에 위치하도록 형성될 수 있다.
매질 용기(130)는 제1 막대 플레이트(121)와 고정 연결된다. 매질 용기(130)는 겉면이 투명 재질로 형성되며 내부에는 매질이 수용된다. 상기 매질은 물, 에틸알콜, 메틸알콜, 클리세린, 클로로포름 등 굴절률 실험의 대상이 되는 액체로 구현될 수 있다. 매질 용기는 베이스 플레이트(110)의 원 형상에 대응하는 반원 형상으로 형성될 수 있다.
발광 수단(140)은 제2 막대 플레이트(122)의 종단에 고정 연결된다. 발광 수단(140)은 베이스 플레이트(110)의 원 둘레 바깥 영역에서 차단 벽(111)의 각 각도 영역마다 설치되는 센싱 중계수단(150)으로 빛을 조사한다. 발광 수단은 레이저 포인터로 구현되어 레이저를 센싱 중계수단(150)으로 조사하도록 구현될 수 있다.
센싱 중계수단(150)은 베이스 플레이트(110)의 원 둘레의 각도 영역마다 각각 설치될 수 있다. 예를 들어 1도부터 360도까지 총 360개의 센싱 중계수단(150)의 각각의 각도 영역마다 설치될 수 있다. 도 1에서는 그림의 편의를 위하여 30도, 60도, 90도, 120도, 150도, 180도 등 12개의 센싱 중계수단(150)이 각 각도 영역마다 설치된 예를 들고 있지만, 본 발명의 바람직한 실시예는 센싱 중계수단(150)이 총 360개가 각각의 각도 영역마다 설치되는 것이다.
센싱 중계수단(150)은 발광 수단(140)으로부터의 수광을 감지하면 매질 용기(130) 방향으로 빛을 조사하면서 마이크로 프로세서 유닛(160)으로 선정된 각도 정보를 전송하며, 다른 센싱 중계수단으로부터의 수광을 감지하면 상기 각도 정보를 마이크로 프로세서 유닛(160)으로 전송하도록 동작한다. 이는 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 빛의 굴절 실험장치가 포함하는 센싱 중계장치의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 센싱 중계장치(150)는 발광센서(151), 제1 수광센서(152), 제2 수광센서(153), 제어기(154)를 포함한다. 발광센서(151)는 베이스 플레이트(110)의 원 둘레 안쪽 방향을 지향하도록 설치되고, 제2 수광센서(153)가 발광 수단(140)으로부터 빛을 수광하는 것이 감지되면 제어기(154)의 제어에 따라 빛을 매질 용기(130) 방향으로 조사한다.
제1 수광센서(152)는 발광센서(151)와 이웃하여 베이스 플레이트(110)의 원 둘레 안쪽 방향을 지향하도록 설치되고, 다른 센싱 중계수단의 발광센서로부터 조사되는 빛을 감지한다. 제2 수광센서(153)는 베이스 플레이트(110)의 원 둘레 바깥 방향을 지향하도록 설치되고, 발광 수단(140)으로부터 조사되는 빛을 수광한다.
제어기(154)는 베이스 플레이트(110) 상에서 자신이 설치되는 영역에 대한 각도 정보를 유지한다. 예를 들어 30도 각도영역에 설치되는 제30 센싱 중계수단이 포함하는 제30 제어기의 경우 30도 라는 각도 정보를 유지할 수 있다. 다만 입사각과 굴절각의 측정을 위하여, 각도 정보는 0도 영역, 90도 영역, 180도 영역, 270도 영역을 기준으로 0도에서 90도의 값으로 설정될 수 있는데, 120도 각도 영역에 설치되는 제120 센싱 중계수단이 포함하는 제120 제어기는 60도라는 각도 정보를 유지하고, 210도 각도 영역에 설치되는 제210 센싱 중계수단이 포함하는 제210 제어기는 30도라는 각도 정보를 유지하며, 330도 영역에 설치되는 제3330 센싱 중계수단이 포함하는 제330 제어기의 경우 30도라는 각도 정보를 유지할 수 있다. 이를 위하여 제어기(154)는 각도 정보가 기록되는 메모리를 포함할 수 있다.
제어기(154)는 제1 수광센서(152)가 다른 센싱 중계수단의 발광센서로부터 조사되는 빛을 감지하는 경우, 상기 각도 정보를 마이크로 프로세서 유닛(160)으로 전송한다. 제어기(154)는 제2 수광센서(152)가 발광 수단(140)으로부터 조사되는 빛을 감지하는 경우, 발광센서(151)가 빛을 매질 용기(130) 방향으로 조사하도록 제어한다.
이러한 센싱 중계장치(150)의 구성과 동작에 따라 실험자는 제2 막대 플레이트(122)를 돌리면서 매질 용기(130)에 수용된 액체로 조사되는 빛의 입사각을 변화시키면서 그에 따른 굴절각을 시각적으로 관찰할 수 있고, 해당 입사각에 대한 정보와 굴절각에 대한 정보가 센싱 중계장치(150)에 의해 자동으로 측정되어 마이크로 프로세서 유닛(160)으로 전송될 수 있다.
마이크로 프로세서 유닛(160)은 베이스 플레이트(110)의 후면에 설치되어 복수의 센싱 중계수단(150)과 각각 유무선으로 연결되고, 복수의 센싱 중계수단(150)으로부터 각각 수신하는 각도 정보를 통해 매질 용기(130)에 수용된 매질에 대한 굴절률 정보를 생성한다. 상기 굴절률 정보는 입사각, 굴절각, 입사각의 sin 값과 굴절각의 sin 값 간의 비 등으로 구현될 수 있다. 상기 굴절률 정보는 상술한 값들뿐만 아니라 입사각과 굴절각을 입력값으로 하여 널리 알려진 공식들을 통해 생성될 수 있는 다양한 종류의 굴절률에 대한 정보로 구현될 수 있다.
또한, 마이크로 프로세서 유닛(160)은 전반사에 대한 정보를 생성할 수 있다. 예를 들어 제2 막대 플레이트(122)가 베이스 플레이트(110)의 90도에서 220도 각도 영역에 위치하면서 발광 수단(140)이 빛을 매질 용기(130)에 수용된 액체로 먼저 조사하는 경우, 빛이 굴절률이 큰 매질은 액체에서 굴절률이 작은 매질인 공기로 진행하므로 전반사가 일어날 수 있다. 전반사가 발생하는 조건에 부합하는 입사각으로 빛이 조사될 경우, 270도에서 90도 구간의 각도 영역에 설치된 센싱 중계장치(150)의 제1 수광센서(152)는 상기 액체에서 공기로 조사되는 빛을 수광하지 못하고, 오히려 액체 영역에 대응하는 90도에서 270도 구간의 각도 영역에 설치된 센싱 중계장치(150)가 빛을 수광하게 된다.
즉, 액체 구간의 각도 영역에서 조사된 빛이 공기 구간이 아닌 액체 구간의 각도 영역에서 수광되는 것이 감지되는 경우, 마이크로 프로세서 유닛(160)은 전반사가 발생한 것으로 감지하고 이에 대한 굴절률 정보를 생성할 수 있다. 마이크로 프로세서 유닛(160)이 생성한 굴절률 정보는 디스플레이 수단(170)을 통해 표시될 수 있다. 디스플레이 수단(170)은 베이스 플레이트(110)의 상면에 설치되어 상기 굴절률 정보를 표시함으로써 실험자는 표시되는 보다 정확한 굴절률 정보를 시각적으로 확인하면서 입사각을 변환시켜 빛의 굴절에 대한 다양한 실험을 수행할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110: 베이스 플레이트
111: 차단 벽
121: 제1 막대 플레이트
122: 제2 막대 플레이트
130: 매질 용기
140: 발광 수단
150: 센싱 중계장치
160: 마이크로 프로세서 유닛
170: 디스플레이 수단

Claims (3)

  1. 원 둘레를 따라 각각의 각도가 표기되고, 원점 영역에 상면과 하면을 관통하는 고정자가 형성되는 원 형상의 베이스 플레이트;
    상기 고정자와 연결되어 상기 베이스 플레이트의 상면에서 원 운동하는 제1 막대 플레이트;
    상기 고정자와 연결되어 상기 베이스 플레이트의 하면에서 원 운동하는 제2 막대 플레이트;
    상기 제1 막대 플레이트와 고정 연결되고 겉면이 투명 재질로 형성되며 매질이 수용되는 매질 용기;
    상기 제2 막대 플레이트와 고정 연결되고 상기 베이스 플레이트의 원 둘레 바깥 영역에서 빛을 조사하는 발광 수단;
    상기 베이스 플레이트의 원 둘레의 각도 영역마다 각각 설치되고, 상기 발광 수단으로부터의 수광을 감지하면 상기 매질 용기 방향으로 빛을 조사하면서 마이크로 프로세서 유닛으로 선정된 각도 정보를 전송하며, 다른 센싱 중계수단으로부터의 수광을 감지하면 상기 각도 정보를 마이크로 프로세서 유닛으로 전송하는 복수의 센싱 중계수단;
    상기 베이스 플레이트의 후면에 설치되어 상기 복수의 센싱 중계수단과 각각 유무선으로 연결되고, 상기 복수의 센싱 중계수단으로부터 각각 수신하는 각도 정보를 통해 상기 매질 용기에 수용된 매질에 대한 굴절률 정보를 생성하는 마이크로 프로세서 유닛(MCU: Micro Processor Unit); 및
    상기 베이스 플레이트의 상면에 설치되어 상기 마이크로 프로세서가 생성한 상기 굴절률 정보를 표시하는 디스플레이 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 빛의 굴절 실험장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 중계수단은,
    상기 베이스 플레이트의 원 둘레 안쪽 방향을 지향하도록 설치되고, 제2 수광센서의 상기 발광 수단으로부터의 수광이 감지되면 제어기의 제어에 따라 빛을 상기 매질 용기 방향으로 조사하는 발광 센서;
    상기 발광 센서와 이웃하여 상기 베이스 플레이트의 원 둘레 안쪽 방향을 지향하도록 설치되고, 다른 센싱 중계수단의 발광 센서로부터 조사되는 빛을 감지하는 제1 수광 센서;
    상기 베이스 플레이트의 원 둘레 바깥 방향을 지향하도록 설치되고, 상기 발광 수단으로부터 조사되는 빛을 수광하는 제2 수광 센서; 및
    상기 베이스 플레이트 상에서 자신이 설치되는 영역에 대한 각도 정보를 유지하고, 상기 제1 수광 센서가 다른 센싱 중계수단의 발광 센서로부터 조사되는 빛을 감지하는 경우 상기 각도 정보를 상기 마이크로 프로세서 유닛으로 전송하며, 상기 제2 수광 센서가 상기 발광 수단으로부터 조사되는 빛을 감지하는 경우 상기 발광 센서가 빛을 상기 매질 용기 방향으로 조사하도록 제어하는 제어기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 빛의 굴절 실험장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트의 원 둘레를 따라 벽 형상으로 설치되고 상기 각 센싱 중계수단이 설치된 영역에서만 상기 원 둘레의 바깥 방향과 안쪽 방향으로 상기 벽이 개방되는 형상을 갖는 차단 벽
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 빛의 굴절 실험장치.
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