함께 해봐요-바늘구멍으로 낙타 통과시키기

성경에 "낙타가 바늘구멍을 통과하는 것은 부자가 하늘나라에 들어가는 것보다 쉽다"라는 구절이 있다.

낙타가 바늘구멍을 통과하는 것도 어려운데 부자는 더 어렵다는 얘기를 은유적으로 풀어놓은 말이다.

그런데 물리에서는 낙타를 바늘구멍으로 통과시킬 수 있다.

어떻게 낙타를 바늘구멍으로 통과시킬 수 있을까. 신비한 물리의 세계로 떠나보자.

준비물: 백열등(책상용 스탠드), 검은색 두꺼운 마분지 1장, A4 용지 1장, 돋보기 3개, 바늘

실험 1: 아주 작은 바늘구멍을 뚫고 전등을 비춰보면 검은색 마분지에 전등의 필라멘트가 보인다.

이 상은 전등의 필라멘트에서 나온 빛이 바늘구멍을 통과해 스크린 역할을 하는 두꺼운 마분지에 도달했기 때문에 생기게 됐다.

물리에서는 이것을 상(像, image)이라 하는데 빛이 모아져 물체의 형상을 만들어낸 것을 의미한다.

바늘구멍 사진기의 가장 큰 특징은 다른 카메라와 다르게 렌즈가 없다는 점이다.

따라서 빛이 굴절하지 않기 때문에 초점을 맞출 필요가 없다.

마분지를 멀리 두면 상이 커지고 가까이 가져가면 상이 작아진다.

실험2: 그런데 한 개의 구멍과 함께 여러 개의 구멍을 뚫으면 어떻게 될까? 실험을 하기 전에 예상을 해보는 것도 과학을 하는 아주 중요한 일이다.

이것은 전등에서 나간 빛이 여러개의 구멍을 통과하면서 스크린에 닿기 때문이다.

실험3: 이번엔 스크린과 바늘구멍 사이에 렌즈를 넣어보면 어떨까? 좀 더 선명한 하나의 상이 생겼다.

이것은 바늘구멍을 통과한 여러개의 빛이 렌즈에 의해 모아졌기 때문이다.

그래서 여러 개의 필라멘트 상보다 밝은 하나의 상을 볼 수 있다.

이 경우는 렌즈가 빛을 굴절시키기 때문에 렌즈의 위치를 조절하여 초점을 맞추어야 한다.

실험4: 이번에는 바늘구멍 대신에 렌즈를 여러 개 놓아보자. 렌즈는 바늘구멍보다 크고 빛을 모으는 성질이 있기 때문에 좀 더 밝은 상의 모습을 볼 수 있다.

그렇다면 비슷한 방법으로 바늘구멍의 크기를 크게 하면 많은 빛이 통과해서 더 밝은 상을 맺을 수 있을까?

구멍을 크게 할 경우 상은 흐릿해진다.

통과하는 빛의 양은 많아지지만 렌즈처럼 빛을 모아주는 역할은 하지 못하기 때문이다.

그래서 상을 밝고 선명하게 하려면 바늘구멍 대신에 커다란 렌즈를 놓으면 된다.

그러면 렌즈를 통과한 빛이 굴절되어 스크린의 한점으로 모이기 때문에 초점만 잘 맞춘다면 바늘구멍보다 훨씬 밝고 선명한 상을 얻을 수 있다.

이상의 실험을 통해 낙타가 바늘구멍으로 들어가 스크린에 낙타의 상이 맺히는 순간을 관찰하면서 카메라의 원리까지 익힐 수 있다.