광통신(전반사) 단원은 빛이 광섬유 안에서 밖으로 새지 않고 멀리 나아가는 까닭을 전반사로 설명합니다. 또 전기 신호가 빛 신호로 바뀌어 전달된 뒤 다시 전기 신호로 돌아오는 흐름을 다룹니다. 아래 20문항으로는 전반사 조건, 발신기와 수신기의 역할, 코어와 클래딩의 관계, 굴절률로 속력과 파장을 구하는 계산을 이해했는지 확인합니다.
📝 광통신(전반사) 시험지 — 20문항, 정답·해설은 뒤쪽 별지
이름
날짜
점수/100
배점 · 20문항 · 한 문항 5점 · 100점 만점 · 권장 풀이 시간 30분 · 기본·보통·심화가 섞여 나옵니다(정답·해설은 별지).
‘PDF 만들기’를 누르면 화면과 같은 문제로 A4 PDF 파일이 내려받아지고, 폰에서도 됩니다. 같은 학년·같은 과목 문제는 하루에 한 번 만들어지고, 그날은 같은 문제가 다시 나옵니다. 인쇄물 맨 위에 이름·날짜·점수 칸이 함께 찍힙니다.
원장 한마디
저는 수학학원 원장이라 물리를 가르치는 사람은 아닙니다. 다만 시험지 한 장을 집에서 어떻게 쓰면 덜 헛수고인지는 압니다.
이 20문항에는 전반사 조건, 발신기와 수신기, 코어와 클래딩처럼 말로 풀어 보아야 남는 내용이 많습니다. 처음 풀 때는 책을 덮고 혼자 끝까지 가 보세요. 막히는 문제는 답을 찾기 전에 소리 내어 한 번 읽어 보시고요.
채점은 번호마다 동그라미와 가위표만 칩니다. 틀린 번호는 그날 해설을 읽고 덮어 두었다가, 몇 주 뒤 시험이 가까워졌을 때 그 번호만 다시 풀어 보십시오. 맞힌 개수보다 어느 번호에서 막혔는지가 남는 시험지입니다.
— 수학의 신호 원장
광통신(전반사)에서 배우는 내용
이 단원의 뼈대는 두 갈래입니다. 하나는 전반사입니다. 굴절률이 큰 쪽에서 작은 쪽으로 빛이 나아가고 입사각이 임계각을 넘으면, 경계면에서 빛이 모두 되돌아옵니다. 다른 하나는 통신의 흐름입니다. 발신기가 전기 신호를 빛 신호로 바꾸고, 광섬유를 지나온 빛을 수신기가 다시 전기 신호로 바꿉니다.
두 갈래는 광섬유의 구조에서 만납니다. 중심의 코어는 굴절률이 크고 바깥의 클래딩은 작아서, 코어와 클래딩의 경계에서 전반사가 거듭되며 빛 신호가 이어집니다. 여기에 굴절률 n인 매질에서 속력은 c/n이고 파장은 진공에서의 값을 n으로 나눈 값이라는 관계가 더해져, 시간과 파장을 구하는 문항으로 이어집니다.
광통신(전반사)에서 헷갈리는 곳
빛이 가는 방향부터 굴절률이 작은 쪽에서 큰 쪽으로 향할 때는 입사각이 아무리 커도 전반사가 일어나지 않습니다. 각도를 보기 전에 어느 매질에서 어느 매질로 가는지를 먼저 확인해야 합니다.
임계각과의 대소 입사각이 임계각보다 작을 때 전반사한다는 식으로 반대로 쓴 서술이 보기에 나옵니다. 입사각이 임계각보다 클 때 일어난다는 방향을 정확히 잡아 두어야 합니다.
전류인지 빛인지 광섬유 속에서는 신호가 전류가 아니라 빛으로 전달됩니다. 전기를 빛으로 바꾸는 쪽이 발신기, 빛을 전기로 되돌리는 쪽이 수신기인데 이 둘을 서로 바꿔 외우기 쉽습니다.
시험지에서 뽑아 본 문제
세 학생의 설명 중 옳은 것만을 있는 대로 고른 것은? 광통신은 전기 신호를 빛 신호로 바꾸어 광섬유로 보내고, 멀리 떨어진 곳에서 이를 다시 전기 신호로 되돌려 정보를 얻는 통신 방법이다. 광섬유는 굴절률이 큰 코어와 굴절률이 작은 클래딩으로 이루어지고, 양쪽 끝에 발신기와 수신기가 연결된다. 세 학생이 이 과정을 각자 다음과 같이 설명했다. 학생 A: 발신기는 빛 신호를 ① 학생 A만 ② 학생 B만 ③ 학생 A, 학생 C ④ 학생 B, 학생 C정답 · ④ 학생 B, 학생 C — 발신기는 전기 신호를 빛 신호로 바꾸므로 A의 설명은 틀리다. 코어와 클래딩의 경계에서 빛이 전반사하며 진행하고, 수신기가 빛 신호를 전기 신호로 바꾸므로 B와 C의 설명이 옳다.
광섬유의 구조와 전반사에 대한 설명으로 옳은 학생만을 있는 대로 고른 것은? 광섬유 케이블을 설치할 때는 너무 급하게 구부리지 말라는 주의사항이 있다. 이를 두고 학생들이 이야기하였다. 학생 A: 심하게 휘어지면 경계면에서의 입사각이 임계각보다 작아져 빛이 코어 밖으로 새어 나갈 수 있어. 학생 B: 코어의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 작으면 빛을 더 잘 가둘 수 있어. 학생 C: 클래딩은 코어를 ① 학생 A만 ② 학생 C만 ③ 학생 A, 학생 C ④ 학생 B, 학생 C정답 · ③ 학생 A, 학생 C — 광섬유를 급하게 구부리면 경계면 입사각이 임계각보다 작아져 빛이 새어 나갈 수 있으므로 A는 옳다. 전반사가 일어나려면 코어의 굴절률이 클래딩보다 커야 하므로 B는 틀리다. 클래딩은 코어를 감싸 코어와의 경계면에서
광통신의 특징을 옳게 설명한 학생은? 광통신은 구리선을 이용한 전기 통신과 비교할 때 여러 장점이 있다. 세 학생이 그 이유를 설명하고 있다. 라온: 광섬유는 외부의 전자기적 잡음의 영향을 적게 받는다. 아린: 빛은 광섬유 속에서 진공에서보다 더 빠르게 진행하므로 신호가 빨리 도착한다. 도현: 광섬유를 구부리면 빛이 전반사할 수 없으므로 광섬유는 직선으로만 ① 라온 ② 아린 ③ 도현 ④ 아린, 도현정답 · ① 라온 — 광섬유는 전류가 아닌 빛으로 신호를 전달하므로 외부 전자기적 잡음의 영향을 적게 받는다. 물질 속에서 빛의 속력은 진공에서보다 느리므로 아린의 설명은 틀리다. 광섬유가 적당히 구부러져도 경계면의 입사각이 임계각보다
공기(굴절률 1.0)에서 광섬유의 평평한 끝면에 입사한 빛이 코어 속에서 경계면에 임계각 이상으로 입사하여 전반사하려면, 끝면에서의 입사각 θ가 최대 θmax일 때 sin θmax의 값은 얼마인가? 코어 굴절률이 1.5, 클래딩 굴절률이 1.2인 광섬유의 끝면에 공기 중에서 빛을 비스듬히 입사시킨다. 학생 A는 "끝면에서 굴절된 빛이 코어와 클래딩 경계에 임계각으로 입사하는 경우가 한계야."라고 했고, 학생 B는 "끝면에서의 굴절각과 경계면에서의 입사각은 서로 더해서 90°가 돼."라고 했다. 두 학생의 말은 모두 정답 · 0.9 — 경계면에서 임계각 θc는 sin θc = 1.2/1.5 = 0.8이므로 끝면에서의 굴절각 r = 90° − θc이고 sin r = cos θc = 0.6이다. 굴절 법칙 1.0 × sin θmax = 1.5 × si
시험지는 같은 단원의 기본·보통·심화 문항을 섞어 20개로 냅니다. 위 문제는 그 가운데 몇 개를 옮겨 놓은 것입니다.
광통신(전반사) 시험지에 나오는 문항 모양
선다
단답
광통신(전반사) 집에서 이렇게 해 보세요
먼저 전반사 조건을 한 문장으로 소리 내어 말해 봅니다. 어느 매질에서 어느 매질로 가는지, 입사각이 임계각보다 큰지 작은지를 빠뜨리지 않고 말할 수 있으면, 발신기·광섬유·수신기의 순서를 그림으로 그리고 단계마다 신호가 전기인지 빛인지 적습니다. 길게 하루 몰아서 하기보다 짧게 매일 반복하는 편이 낫습니다.
그다음에 계산으로 넘어갑니다. 코어에서의 속력을 c/n으로 구하고, 거리를 그 속력으로 나눠 시간을 얻고, 파장은 진공 값을 n으로 나누는 순서를 손으로 익힙니다. 임계각 문항은 sinθc가 클래딩 굴절률을 코어 굴절률로 나눈 값임을 먼저 적고 푸십시오. 답에 단위를 끝까지 붙이는 습관도 함께 들입니다.