퍼져나가는 현상 파동의 특징과 운동 및 행동

파동

에너지를 한 곳에서 다른 곳으로 전달하는 운동입니다. 파동은 에너지만 전달하며, 물질은 전달하지 못합니다. 이 사실은 간단한 실험으로 알 수 있습니다. 먼저 두 소년에게 줄의 양 끝을 붙잡도록 합니다. 한 소년이 줄의 한쪽 끝을 잡고 위아래로 세게 흔들면, 에너지가 파동의 형태로 한 부분에서 다음 부분으로 전달됩니다. 파동이 지나가는 동안 줄의 각 부분은 움직이지만, 줄 자체는 파동의 진행 방향으로 이동하지 않습니다. 다른 쪽 끝을 잡고 있는 소년은 파동이 줄로 전달한 에너지 때문에 자기 손이 움직이는 것을 느낄 것입니다. 이번에는 한 소년이 다른 소년에게 공을 던졌다고 합시다. 공을 받은 소년은 공을 던지는 데 쓰인 에너지의 일부를 느낄 수 있습니다. 그러나 이 경우에는 파동과는 달리 물질인 공이 직접 이동했습니다. 공은 이동하면서 자신에게 실린 에너지를 전달합니다. 우리는 줄을 통해 전달되는 파동이나 물 위에 생기는 파동을 흔히 볼 수 있습니다. 이 외에도 많은 종류의 파동이 항상 우리 주위에 있습니다. 예를 들면, 소리도 파동의 형태로 우리의 귀에 와닿으며, 라디오나 텔레비전 방송도 파동의 형태로 우리 가정까지 전달됩니다. 파동은 대부분 어떤 물질을 통해서만 전달됩니다. 파동이 전달되면서 거쳐가는 물질을 매질이라고 하는데, 파동이 줄로 전달되는 경우에는 줄이 매질입니다. 바다의 파도는 수면으로 전달되고, 지진파는 땅으로 전달됩니다. 그러나 매질이 없이도 전파되는 파동이 있는데, 열·빛·전파 등과 같은 전자기파는 진공 속에서도 전파됩니다. 이런 파동의 매질은 전자기장입니다.

 

 

특징

고요한 연못에 돌을 던지면 수면파가 생깁니다. 이때, 돌을 파원이라고 합니다. 줄의 한쪽 끝을 잡고 흔들면, 줄을 흔드는 사람이 줄에 생기는 파동의 파원이 됩니다. 줄을 잡고 위아래로 세게 흔들면 큰 파동을 만들 수 있습니다. 파동에서 가장 높은 부분을 마루, 가장 낮은 부분을 골 이리고 합니다. 줄이 정지 상태에 있을 때의 위치에서 마루까지의 높이나 골까지의 깊이를 진폭이라고 합니다. 줄의 한쪽 끝을 잡고 점점 빨리 위아래로 흔들면 더 많은 파동을 만들 수 있습니다. 그러면 1초 동안에 어느 지점을 지나가는 파동이 더 많아지므로, 파동의 진동수도 증가합니다. 파동의 속도는 진폭이나 진동수와는 아무런 관계가 없고 오직 매질의 경직성과 밀도에 따라 결정됩니다. 예를 들면, 파동은 느슨한 줄보다 팽팽한 줄에서 더 빠르게 전달됩니다. 또한 파동은 무겁고 밀도가 큰 줄보다 가볍고 밀도가 작은 줄에서 더 빠르게 전달됩니다. 파동의 진동수가 커지면 파동의 마루와 마루 사이나 골과 골 사이의 거리가 짧아집니다. 이 거리를 파장이라고 하는데, 파장은 파동의 속도를 진동수로 나누어 구합니다. 음파의 진동수는 소리의 높이와도 관계가 있습니다. 현악기에서는 현을 팽팽하게 하거나 현의 길이를 짧게 하면 음의 높이가 높아집니다. 낮은 소리를 내는 현은 일반적으로 더 무겁거나 길고, 느슨하게 묶여 있습니다.

 

운동

파동이 매질 속을 지나갈 때, 주목해야 할 운동은 파동 그 자체의 운동과 매질의 운동 두 가지입니다. 횡파- 매질의 진동 방향과 파동의 진행 방향이 서로 수직인 파동을 횡파라고 합니다. 횡파는 파동이 매질 속을 지나가는 동안 매질을 위아래로 움직이게 합니다. 줄에 생기는 파동은 횡파입니다. 횡파의 다른 예로는 빛과 같은 전자기파와 물결파가 있습니다. 종파- 소밀 파라고도 하는 종파는 파동의 진행 방향과 매질의 진동 방향이 같습니다. 예를 들면, 용수철의 한쪽 끝에 있는 코일 몇 개를 압축했다가 놓았을 때 용수철에 생기는 파동이 종파입니다. 음파와 일부 지진파도 종파에 속합니다. 진행파와 정상파- 줄로 전달되는 파동은 줄의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 이동합니다. 이러한 파동을 진행파라고 합니다. 그러나 어떤 조건에서는 파동이 매질 속에 갇혀 있을 수 있습니다. 예를 들어 양쪽 끝을 고정시킨 현을 잡아당겼다 놓으면, 현에 생기는 파동의 에너지는 현의 양 끝 밖으로는 나갈 수 없습니다. 이러한 파동을 정상파라고 합니다. 파동이 갇힌 공간의 크기에 따라 정상파의 파장이 결정됩니다. 정상파는 드럼과 같은 표면이나 방과 같이 밀폐된 공간에서 생깁니다.

 

행동

지금까지는 하나의 매질 속에 있는 개개의 파동에 대해서만 알아보았습니다. 그러나 파동은 한 매질에서 다른 매질로 옮겨갈 때나 파동의 일부가 멈출 때, 또는 같은 매질 속에 다른 파동이 있을 때 행동이 달라집니다. 반사와 굴절- 파동이 한 매질에서 다른 매질로 옮겨갈 때 파동이 가진 에너지의 일부는 반사되고, 일부는 굴절됩니다. 반사되는 에너지의 양과 굴절되는 에너지의 양은 입사파가 새로운 매질에 부딪치는 각도에 따라 달라집니다. 입사파의 경로와 새로운 매질의 표면에 수직으로 세운 가상선(법선)이 이루는 각도가 클수록 파동은 더 많이 반사됩니다. 반사되는 양과 굴절되는 양은 두 매질이 지닌 특정한 성질에 따라 달라지기도 합니다. 예를 들면, 음파의 반사와 굴절은 두 매질의 밀도와 그 속에서의 소리의 속도에 따라 달라집니다. 만약 이 두 성질이 거의 같다면, 소리는 대부분 새로운 매질 속으로 굴절됩니다. 만약 두 성질이 다르다면, 소리는 대부분 반사됩니다. 공기는 땅보다 밀도가 훨씬 작고, 공기 속에서 소리의 속도도 땅속에서의 속도보다 훨씬 느립니다. 따라서 음파가 지닌 에너지는 대부분 땅에서 반사됩니다. 회절- 고요한 연못에 돌을 던지면 돌이 수면에 닿은 점을 중심으로 원 모양의 파동이 사방으로 퍼져나갑니다. 원이 아주 커지면, 파면의 각 부분은 직선에 가까워집니다. 그러나 이 파면을 장애물 사이에 난 좁은 틈으로 통과시키면, 반대편으로 나오는 파동은 직선이 아니고 틈에서 다시 반원형의 곡선을 그리며 퍼져나갑니다. 이러한 현상을 회절이라고 합니다. 회절이 일어나는 것은 파면의 각 점이 다음 파동의 파원이 되기 때문입니다. 틈을 지나지 않을 때의 파면에서는 이러한 수많은 점에서 발생하는 파동이 모여 직선에 가까운 모양을 나타냅니다. 그러나 틈을 지날 때에는 일부 파동만 지나가고, 그 양쪽 옆의 파동은 지나가지 못하므로 파면은 더 이상 직선 모양으로 나타나지 않습니다. 간섭- 진동수가 같은 두 파동의 마루가 동시에 어떤 지점을 지나갈 때, 두 파동은 위상이 일치한다고 말합니다. 반대로, 한 파동의 마루가 다른 파동의 골과 동시에 어떤 지점을 지나면 한 파동은 다른 파동보다 반파장의 길이만큼 앞섭니다. 두 파동의 위상차는 동(˚) 단위로 측정합니다. 즉, 두 파동의 위상차를 파장의 비로 나타낸 값에 원의 각도 360˚를 곱해서 나타냅니다. 위의 경우에 두 파동의 위상은 180˚ 어긋나 있습니다. 진동수가 같은 파동의 위상이 일치할 때 파동은 서로 보강되고, 위상이 180˚ 어긋날 때에는 서로 상쇄됩니다. 이때, 파원이 서로 간섭을 일으킨다고 합니다. 간섭이 일어나면 파동은 어떤 방향으로는 강해지고, 다른 방향으로는 약해집니다. 파동이론- 빛이나 소리와 같은 파동에 적용되는 개념은 원자의 아주 작은 부분에도 적용됩니다. 과학자들은 입자로 생각했던 아주 작은 부분에도 적용됩니다. 과학자들은 입자로 생각했던 전자나 중성자, 양성자 등이 때로는 파동처럼 행동한다는 사실을 알아냈습니다. 이와 같은 파동을 물질파라고 합니다. 원자를 이루는 입자의 파동이론은 원자와 원자핵의 구조를 이해하는 데 큰 도움을 주었습니다.