물리학과

제 3회 물리학의 날

충남대학교 물리학과 /
1999. 9. 11. 토요일

1. 개회사

학과장 교수 구 현모

2. 특강

• 광학과 그 응용 (이 동한 교수): 빛을 다루는 학문인 광학은 실제 생활과 밀접한 눈에 보이는 현상을 주로 다룬다. 오랫동안 렌즈나 거울을 이용한 기하광학에 대한 연구가 큰 부분을 차지하였으나 40년 전에 레이저가 발명된 뒤 양자 광학분야가 급격한 발전을 하고 있다. 요즘 신문이나 과학잡지에서 이야기되는 최첨단 과학의 큰 부분은 레이저에 관한 것이다. 현재의 광학은 전자공학이나 재료공학과 아주 밀접하게 관련되어 발전하고 있다. 광학의 응용 분야 중 가장 활발하게 연구되는 분야의 하나로 광통신이 있다. 머리카락 정도의 가는 유리로 이루어진 광섬유를 통해 레이저 빛이 정보를 싣고 먼 거리를 가서 광검출기에 도달하고 광검출기는 빛을 전기 신호로 바꾸어 정보를 얻는다. 또한 먼 거리를 가는 동안 약해지는 빛 신호를 도중에 증폭시켜 주는 광증폭기도 중요한 부분이다. 광통신에는 이외에도 반도체 공학 등 수많은 분야가 관련되어 있다. 이번 강연에서는 광학의 근본 원리를 살펴보고 이러한 원리가 주변에서 보이는 현상 이해에 어떠한 도움이 되는가를 확인해 보고 그 응용 부분도 소개한다.
• 물질의 전기적 특성 (임국형 교수): 전자기력은 우리가 보는 보통 물질을 구성하는 근본 힘이다. 고체나 액체는 왜 그런 상태로 있는가 따위 흥미 있는 문제는, 전자기력으로 설명된다. 물질은 전자기적 특징에 따라 절연체, 반도체, 도체, 초전도체 등으로 나뉜다. 각각의 차이점과 물리적 특성 즉, 왜 도체는 불투명한가? 왜 도체는 햇빛에 쪼이면 쉽게 뜨거워지는가? 왜 반도체가 중요한가? 따위 질문이, 분자 수준에서 나타나는 전자기적 특징으로 설명된다.

3. 실험실 견학 및 실습

여러 실험실에 연구용이나 교육용 실험 장비들이 많이 있지만 오늘은 교육용으로 짧은 시간 안에 보여 줄 수 있는 것들 몇 가지만 소개한다

1) 현대 물리 실험실에서 오늘 볼 수 있는 실험들 몇 가지

• α 입자 궤적: 과포화된 수증기 속을 α 입자가 지나면 자국이 생긴다. 비행기가 비행운을 만드는 원리와 같다.
• 열기전력: 전류가 흐르면서 열을 내는 것의 반대 현상이다. 온도 차이 때문에 전압 차이와 전류가 발생하는 현상을 볼 수 있다.
• 초전도체: 초전도 물질은 자석을 밀어낸다. 따라서 자석 위에 뜰 수 있다. 이를 이용하여 자기 부상 열차를 만들 수 있다.
• 전자회절: 모든 물질은 입자이며 동시에 파동이다. 따라서 보통 입자라고 다루어지는 전자는 파동성을 함께 가지고 있으므로 빛처럼 회절 성질을 보인다.
• e/m 측정: 전기를 띤 작은 기름 방울을 자기장 안에서 원 운동 시켜 자연계의 중요한 상수 값 중의 하나인 질량 대 전하의 비를 측정하는 실험이다.
• 회전 운동: 마찰이 아주 적은 회전 의자 위에 앉은 실험자가 회전하면서 피겨 스케이팅 선수처럼 역학 법칙을 확인할 수 있다.

2) 광학 실험실에서 오늘 볼 수 있는 실험들 몇 가지

• 기하광학: 빛의 반사 굴절 등
• spectrum lamp: 물질의 종류에 따라 결정되는 고유 스펙트럼을 관찰할 수 있다. 이 스펙트럼을 보고, 보기를 들어 먼 별에서 오는 빛을 분석하여 그 별의 물질을 알아낸다.
• 간섭계: 빛의 파장을 재기 위한 장치로서 한 줄기 빛을 두 가닥으로 나누어 다시 합칠 때 경로 차이에 따라서 회절 무늬가 생기는 것을 측정하여 파장을 알아내는 장치이다.
• 홀로그래피: 3차원 영상의 세계를 경험할 수 있는 실험이다.

3) 전산물리 실험실에서 컴퓨터 화면을 통해 볼 수 있는 것들 (송 태권 교수, 오 병성 교수)

여러 가지 물리 현상들을 컴퓨터를 통하여 직접 체험해 볼 수 있도록 다음 프로그램을 인터넷 형식(HTML파일)으로 준비하였다. 전산물리실험실 물리학의 날에 접속하면 직접 작동시켜 볼 수 있다.

• 벼락의 발생: 구름에서 땅까지 벼락이 내려치는 모습을 전산 시늉내기로 보여 준다. 특히 피뢰침이 어떻게 벼락으로부터 사람을 지켜주는지 눈으로 볼 수 있다.
• 던져진 물체의 운동: 던진 각도와 속도를 변화시켜서 멀리 있는 괴물을 맞히는 게임을 해보자
• 빗면에서의 운동: 마찰력이 있는 빗면의 각도를 바꾸면서 미끄러지는 물체의 운동을 살펴보자. 각도와 정지마찰 계수 사이의 관계를 알 수 있다.
• 인공위성의 궤도: 중력이 작용할 때 인공위성의 타원 궤도 운동을 살펴본다. 그리고 궤도를 바꾸기 위해 어떤 방향으로 가스를 분출해야 하는지도 알아본다.

• 기체의 분자 운동: 온도와 압력에 따른 기체의 부피 변화를 살펴봄으로써 PV = nRT 로 나타나는 보일-샤를의 법칙을 확인한다. 이러한 현상이 기체 분자들의 운동에 의한 것임을 눈으로 확인할 수 있다.
• 액정의 작동 : 외부 전기장이 있고 없음에 따라서 달라지는 액정의 작용을 살펴봄으로써 액정 분자가 어떻게 컴퓨터 표시판(display)으로 사용되는지 보여 준다. 그리고 빛의 편광 현상과 이를 표시판에서 어떻게 이용하는 지를 살펴본다.