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[짬짜면 과학 교실] 독수리의 시력보다 좋은 눈: 렌즈의 이용

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2018년 07월 28일 17:00 프린트하기

GIB 제공
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    독수리의 시력보다 좋은 눈 

 

    _윤병무

 

    ​0은 볼록 렌즈의 별명이에요
    아빠처럼 허리가 볼록해서 생긴 별명이에요
    8은 오목 렌즈의 별명이에요
    엄마처럼 허리가 오목해서 생긴 별명이에요

​    8이 0에게 자랑했어요
    줄자의 눈금만 보아도 알 수 있잖니?
    나는 너보다 길이가 길어서
    너보다 멀리 볼 수 있어

​    0은 8의 말을 들여다보았어요
    8의 자랑을 확대해 보니
    8의 말이 크게 보였어요
    0도 8에게 뽐내고 싶었어요

​    0은 말을 부풀려 8에게 말했어요
    나는 먼 곳은 잘 볼 수 없지만
    돋보기나 현미경을 보면 알 수 있잖니?
    나는 가까운 것을 크게 해 볼 수 있어

  ​  말은 그렇게 했어도 0의 속마음은
    8처럼 먼 곳을 보고 싶었어요
    이때 빛이 0의 볼록한 배에 모였어요
    빛은 늘 곧은 자세여서 별명이 1이에요

​    1은 0의 배꼽에 점을 찍으며 말했어요
    0아, 너는 8보다 훨씬 먼 곳을 볼 수 있어
    너 혼자선 안 되지만, 0과 0이 나열하거나
    0과 8이 나열하면 아주 먼 곳도 선명해져

  ​  늘 곧은 말만 하는 1을 잘 알고 있는
    0과 8은 1을 의심하지 않았어요
​    0과 8은 1의 말대로 나란히 서 보았어요
    그랬더니 먼 산의 나무까지 훤히 보였어요

​    이유를 알 수 없어 0과 8은 갸웃했어요
    1이 대나무를 비추며 설명해 주었어요
​    나란히 선 너희 둘을 내가 통과하는 동안
​    내가 굴절되어 너희가 망원경이 된 거야

  ​  가까운 것만 크게 볼 수는 있는 0은 이제
    둘이 합심하면 먼 곳도 볼 수 있어 기뻤어요
    0과 협동하면 더 멀리 볼 수 있어 8도 기뻤어요
    한데, 마음을 볼 수 있는 렌즈도 있을까요?

 

 

 

​​초등생을 위한 덧말

 

​지난번에 ‘빛과 그림자’에 대해 이야기할 때 알아보았듯이, 사물에 그림자가 생기는 것은 그 사물이 빛을 가로막았기 때문이에요. 흐르는 계곡물이 바위에 부딪히면 휘어지는 것과는 다르게 빛은 항상 곧게만 뻗어 나가요. 빛의 성질이 그러해서 아주 멀리 떨어져 있는 태양의 밝은 빛이 8분 동안이나 곧장 뻗어 와서 지구에 닿는 거예요. 그 빛이 건물 같은 불투명한 사물에 가로막히면 그 사물의 그림자가 생겨요. 

 

하지만 어떤 사물이 유리창같이 투명하면 빛은 그 사물을 곧장 통과해 버려요. 이때 그 사물이 평평한 유리창이면 빛은 꺾이지 않고 그대로 통과해요. 반면에 그 투명한 사물이 도수 있는 안경알처럼 평평하지 않으면 빛은 그 사물의 고르지 않은 두께에 따라 각도가 생겨서 나아가는 방향이 꺾이게 되어요. 이 자연 현상을 ‘빛의 굴절’이라고 해요. 그런데 이렇게 빛이 굴절될 때는 공통된 성질을 갖고 있어요. 그것은 빛은 항상 투명한 물체의 두꺼운 쪽으로 꺾여 나간다는 거예요.

 

GIB 제공
GIB 제공

이런 빛의 성질을 이용해서 오래전부터 사람들은 렌즈를 만들어 사용해 오고 있어요. 렌즈는 유리나 정밀하게 만든 플라스틱 등의 투명한 재료를 오목하거나 볼록한 모양으로 만들어 빛을 퍼지게 하거나 모이게 하는 기구예요. 사람들은 왜 렌즈를 오목하거나 볼록하게 만들었을까요? 그것은 렌즈의 모양에 따라 빛이 퍼지거나 모일 때 렌즈를 통해 보이는 대상의 모습이 맨눈으로 볼 때보다 더 선명히 보이거나 크게 보이기 때문이에요. 그럼 두 가지 모양으로 구분되는 오목 렌즈와 볼록 렌즈에 대해 알아보아요.

 

오목 렌즈는 렌즈의 가장자리에 비해 가운데 부분이 얇아요. 오목 렌즈의 성질을 이용한 대표적인 렌즈는 ‘근시경’이에요. 근시경(近視鏡)의 뜻은 한자로 이해하면 쉬워요. 가까울 근(近), 볼 시(視), 거울 경(鏡)이에요. 그 뜻은 ‘가까운 것을 잘 볼 수 있는 사람이 쓰는 안경’이라고 말할 수 있어요. 근시인 사람은 가까이 있는 사물은 잘 볼 수 있지만 멀리 있는 사물은 잘 볼 수 없어요. 정상인보다 안구(눈)의 앞뒤 길이가 길고 수정체 두께를 조절할 수 없기 때문에 근시경이 필요해요. 근시경은 렌즈 중앙의 오목한 부분이 빛을 부챗살처럼 퍼지게 하여 근시인 사람 안구의 가장자리까지 빛이 퍼져 멀리 있는 사물도 잘 보이게 해 주어요.

 

반면에 볼록 렌즈는 렌즈의 가장자리에 비해 가운데 부분이 두꺼워요. 돋보기, 현미경, 망원경, 원시경 등에 쓰이는 볼록 렌즈는 오목 렌즈보다 다양하게 이용되어요. 먼저 오목 렌즈인 근시경과 반대 기능을 하는 ‘원시경’에 대해 알아볼게요. 원시경(遠視鏡)의 뜻도 한자로 이해하면 쉬워요. 멀 원(遠), 볼 시(視), 거울 경(鏡)이에요. 그 뜻은 ‘먼 것을 잘 볼 수 있는 사람이 쓰는 안경’이라고 말할 수 있어요. 원시인 사람은 멀리 있는 사물은 잘 볼 수 있지만 가까이 있는 사물은 잘 볼 수 없어요. 정상인보다 안구(눈)의 길이가 짧고 수정체의 두께를 조절할 수 없기 때문에 원시경이 필요해요. 원시경은 렌즈 중앙의 볼록 부분이 빛을 깔때기처럼 모으게 하여 원시인 사람 안구의 가운데로 빛을 모아 가까이 있는 사물도 잘 보이게 해 주어요.

 

GIB 제공
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볼록 렌즈의 능력은 빛을 집중시키는 기능이에요. 볼록 렌즈 덕분에 현미경이 발명되어 과학을 크게 발전시켰어요. 현미경이 발명된 후 사람들은 미세한 세계를 관찰할 수 있었어요. 세균은 아주 작은 생물이어서 시력이 꽤 좋은 사람도 맨눈으로는 도저히 볼 수 없지만, 볼록 렌즈로 정밀하게 만든 현미경을 이용하면서부터 우리는 실제 크기보다 무려 천 배나 확대된 미세한 물체를 관찰할 수 있어요. 또한 시력이 나빠진 어르신들이 흔히 사용하시는 돋보기 역시 볼록 렌즈로 만들어요. 신문 같은 작은 글씨를 읽거나 바늘귀에 실을 꿸 때 돋보기는 꽤 쓸모 있어요.

 

멀리 있는 사물을 볼 수 있는 망원경 역시 주로 두 개의 볼록 렌즈를 배열해서 만들어요. 약 400년 전에 갈릴레오 갈릴레이가 만들어 사용한 접안 망원경은 오목 렌즈와 볼록 렌즈를 배열해 달 같은 먼 거리의 사물을 관찰했어요. 하지만 그 망원경은 시야가 좁은 단점이 있어서 이후에 기술을 발전시켜 만든 망원경은 주로 두 개의 볼록 렌즈를 이용한 것이에요. 이 망원경은 빛을 렌즈의 한가운데로 모아서, 바라보는 대상을 확대시키는 볼록 렌즈의 성질과 원리를 이용한 것이에요. 

 

GIB 제공
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볼록 렌즈의 특징 중 하나는 볼록 렌즈로 햇빛을 모으면 그 부분이 주변보다 훨씬 밝아지고 온도도 주변보다 훨씬 높아진다는 거예요. 렌즈 전체 면적을 통과한 햇빛이 모아진 햇빛만큼 압축되어 그만큼 더 밝아지고, 그만큼 온도도 높아지는 거예요. 그런데 볼록 렌즈가 빛을 모아 생긴 초점이 그 거리를 넘어서면 빛은 다시 퍼져 나가요. 그리고 신기하게도 볼록 렌즈는 한 팔 길이보다 먼 거리의 대상을 바라보면 그 형태가 거꾸로 보이는 현상을 나타내요. 실제 모습이 거꾸로 보인다는 것은 실제 모습을 오해하게끔 만드는 일이에요. 이처럼 렌즈는 우리 생활에 꽤 쓸모 있지만 그 원리를 잘 알고 있어야 실제 사실을 오해하지 않게 되어요. 친구의 행동, 가족의 행동을 바라볼 때도 그 행동을 일으킨 마음을 잘 헤아려야 해요. 그렇지 않으면 어떤 행동의 의도를 자칫 거꾸로 볼 수도 있으니까요.

 

 

 

※ 필자 소개
윤병무. 시인. 시집으로 <5분의 추억>과  <고단>이 있으며, 동아사이언스에서 [생활의 시선]과 [때와 곳]을 연재했다.

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