작품번호

2105

제55회 전국과학전람회

(과학작품대회)

초점가변렌즈를 이용한

능동적 눈모형의 개발과

핀홀안경(Pinhole Glasses)

의 원리 탐구 및 활용

출품분야 교사부 출품부문 물 리

2009. 7. 4

구 분 소속 학교 학 년(직 위) 성 명

출품자 동현중학교 교사 김수경

작품번호

2105

제55회 전국과학전람회

(과학작품대회)

초점가변렌즈를 이용한

능동적 눈모형의 개발과

핀홀안경(Pinhole Glasses)

의 원리 탐구 및 활용

출품분야 교사부 출품부문 물 리

2009. 7. 4

- i -

목 차

I. 서 론 ······················································································································1

1. 연구의 동기 ···········································································································1

2. 연구의 필요성 및 목적 ·······················································································1

II. 이론적 배경 ······································································································5

1. 눈의 구조 ···············································································································5

2. 피사체 심도와 핀홀 ·····························································································6

3. 선행연구 ·················································································································8

III. 실험 기구 개발 및 제작 과정 ·······························································11

1. 눈모형의 개발 ·····································································································11

2. 광원 ·······················································································································16

3. 초점가변렌즈의 제작 ·························································································17

IV. 실험 결과 및 결론 ·····················································································18

1. 광원으로부터 눈모형까지의 거리에 따른 상의 변화 ·································18

2. 근시안의 탐구 ·····································································································19

3. 원시안의 탐구 ·····································································································20

4. 초점가변렌즈의 굴절 정도 조절 ·····································································20

5. 핀홀 안경의 원리탐구 ·······················································································21

6. 눈모형의 모듈 개발 및 현장 적용 ·································································31

V. 전망 및 활용성 ·····························································································34

참고문헌 ··················································································································35

부록 ·······················································································································37

- ii -

표 목 차

표 Ⅲ. 황색 색소를 탄 물과 물의 굴절률 ·····················································16

표 Ⅳ-1. 초점가변렌즈를 사용할 때와 사용하지 않을 때 ·····························22

표 Ⅳ-2. 눈모형이 있을 때와 없을 때 빛의 세기 ···········································25

표 Ⅳ-3. 핀홀 구경의 크기에 따라 눈모형의 망막에 도달하는 빛의 세기 25

표 Ⅳ-4. 핀홀 구경의 크기(φ=1, 3, 5)와 광원과 렌즈 사이의 거리에 따른

상 ················································································································27

표 Ⅳ-5. 핀홀 구경의 크기(φ=7, 9, 11)와 광원과 렌즈 사이의 거리에 따른

상 ···················································································································29

표 Ⅳ-6. 7차 교육과정의 빛 관련 단원 분석표 ··················································31

표 Ⅳ-7. 모듈의 타당도 검증 결과 ···································································32

- iii -

그 림 목 차

그림 Ⅰ-1. PASCO사에서 판매되고 있는 눈모형. ············································2

그림 Ⅰ-2. 눈모형. ····································································································3

그림 Ⅱ-1. 눈의 구조. ····························································································5

그림 Ⅱ-2. 이완된 사람 눈의 광학계. ································································5

그림 Ⅱ-3. 초점심도와 피사체심도. ····································································6

그림 Ⅱ-4. 동공 직경과 초점심도의변화. ····························································7

그림 Ⅱ-5 피사체심도의 변화로 시력 향상. ·····················································8

그림 Ⅱ-6. 시력 0.2,0.5, 1.0에서 동공크기에 따른 초점심도의 크기. ·········8

그림 Ⅲ-1. 눈모형의 재료. ····················································································11

그림 Ⅲ-2. 1차 눈모형Ⅰ. ······················································································12

그림 Ⅲ-3. 1차 눈모형Ⅰ. ······················································································13

그림 Ⅲ-4. 1, 2차 눈모형Ⅱ. ·················································································14

그림 Ⅲ-5. 완성된 눈모형Ⅱ. ················································································14

그림 Ⅲ-6. 액체에 레이저 빛을 비추었을 때 산란정도. ································15

그림 Ⅲ-7. 황색색소를 탄 물과 물의 굴절률 비교. ········································15

그림 Ⅲ-8. 완성된 눈모형Ⅱ. ··············································································16

그림 Ⅲ-9. 파워 LED전구. ···················································································16

그림 Ⅲ-10. 초점가변렌즈. ····················································································17

그림 Ⅳ-1. 눈모형의 실험장치 ·········································································18

그림 Ⅳ-2. 눈모형을 광원 가까이 가져갔을 때의 상의 변화 ···················18

그림 Ⅳ-3. 눈모형을 광원 멀리 가져갔을 때의 상의 변화 ···························19

그림 Ⅳ-4. 근시안의 시력 교정 과정 ···························································19

그림 Ⅳ-5. 눈모형Ⅱ에서 빛의 경로와 초점조절. ··········································20

그림 Ⅳ-6. 원시안의 시력 교정 과정 ·································································20

그림 Ⅳ-7. 핀홀 안경 ·····························································································21

- iv -

그림 Ⅳ-8.핀홀 안경을 쓰기 전과 후 ·······························································23

그림 Ⅳ-9. 빛의 세기를 측정하기 위한 실험장치. ········································23

그림 Ⅳ-10. 핀홀. ··································································································24

그림 Ⅳ-11. 레이저 빛이 파워측정기에 도달하는 빛의 양 측정. ················24

그림 Ⅳ-12. 핀홀 구경의 크기에 따른 상 ·····················································26

그림 Ⅳ-13. 핀홀 구경의 크기에 따른 상 ·······················································26

그림 Ⅳ-14. 눈모형 모듈 현장 수업장면 ···························································32

그림 Ⅳ-15. 눈모형을 활용한 모듈 학습지 ·····················································33

- 1 -

I. 서 론

1. 연구의 동기

순수 과학자뿐만 아니라 피아제를 비롯한 많은 교육학자들에게 빛은 중요한 연구

의 대상이었다. 교육분야에서 빛의 성질에 관한 연구를 비록하여 기하광학, 파동과

학에 대한 개념 연구가 꾸준히 이루어지고 있다, 그 결과 학생들은 광학분야의 개

념이 잘 정립되어 있지 않으며 다른 물리 분아에 비해 어려워한다는 사실이 지적되

었다.

최근에는 기하광학 관련 연구가 활발하게 이루어지고 있는데, 특히 McDermott

(1987)는 대학생이 볼록렌즈와 오목거울에 의해 형성된 실상을 어떻게 이해하는지

조사하였다. 한편, Rice와 Feher (1987)는 박물관에서 9～13세의 아동을 대상으로

핀홀을 이용하여 빛과 보는 것에 관한 연구를 하였고, Ronen와 Eylon (1993)은 기

하광학에서의 눈의 역할을 연구하였다. 개인적인 일상의 경험과 공식에 대한 불완

전한 이해로 기하광학을 어려워하기 때문에 수업시 처음부터 눈의 기능을 결부시킨

다면 이해증진에 도움이 된다고 하였다.

우리의 생활에서 너무나 중요한 것이 ‘본다는 것’이다. 본다는 것은 결국 눈을 통

해 이루어지며 따라서 빛에서부터 시작하여 물체가 우리 눈에 보이기까지 빛의 성

질을 학습하는 과정에서 ‘눈’을 빠뜨릴 수 없으며 단순히 볼록렌즈만을 보여주면서

빛의 직진과 굴절현상을 설명하는 데에서 올 수 있는 오개념을 극복하고자 볼록렌

즈만을 제시하는 대신 눈모형을 개발하여 이 눈모형을 통해 ‘본다는 것’을 학습할

수 있는 방안을 제공하고자 하였다.

눈모형을 통해 원시안과 근시안의 시력교정의 원리를 설명하는데, 이 과정에서 인

터넷에서 ‘핀홀 안경(Pinhole Glasses)’이라는 상품의 광고를 우연히 접하게 되었다.

근시와 원시에 관계없이, 렌즈가 아닌 가늘게 뚫은 바늘구멍으로 되어 있는 안경을

통해 물체를 선명히 볼 수 있다는 것이다. 순간 ‘어떻게 그것이 가능할까?’라는 생

각이 들었다. 엄연히 원시안과 근시안이 있고, 각각의 경우에 볼록렌즈와 오목렌즈

로 시력교정을 하게 되는 데 어떻게 렌즈도 아는 것으로 두 경우에 대해 공용해서

사용할 수 있다는 것일까? 이러한 궁금증을 해결하기 위하여 안경을 구매해 살펴보

았다. 안경을 통해 먼 곳을 볼 때 다소 적응이 안 되는 점은 있었지만, 분명 선명히

보였다. 따라서 개발한 눈모형을 활용하여 근시안과 원시안 뿐 아니라 이러한 핀홀

안경과 우리 눈을 통해 이루어지는 빛의 성질을 학습하는 데 도입하면 좋을 것이라

는 생각이 들었다.

2. 연구의 필요성 및 목적

- 2 -

빛 단원이 7차 교육과정에서 7학년에 새로 도입되면서 학생들에게 보다 높은 교

육효과를 위해 많은 연구들이 진행되고 있다. 하지만 학생들이 빛에 대해 많은 오

개념을 갖고 있음을 또한 여러 연구들에서 밝힌 바 있다(박현주, 1987; Goldberg와

Mcdermott, 1987; Ronen과 Eylon, 1993; Galili, 1996; 박현덕, 2002; 김진희, 2004).

여러 연구에서 학생들이 빛에 대해 주로 가지고 있는 오개념의 원인은 빛 자체의

특성을 간과한 채 현상만을 이해하려 하기 때문이며, 과학 교사의 비과학적 개념이

학생들의 개념 변화를 방해하고 있음을 강조하고 있다. 학생들이 어려워한다는 이

유로 빛 자체의 특성을 지나치게 단순화시키거나 제외시키는 현상위주의 수업은 지

양해야 할 것이다. 빛 개념을 눈의 역할과 함께 결부 시킬 때 정확하고 근본적인

이해가 이루어질 것임을 제안하고 있다. 이에 본 연구자는 눈의 구조와 기능을 이

해할 수 있는 눈모형을 개발하고 이를 활용하여 빛의 직진과 굴절현상과 같은 기하

광학과 관련된 현상들을 설명하고자 한다. 또한 초점가변렌즈를 사용함으로써 원시

안과 근시안에 대해 학생들의 이해를 돕고자 한다.

우리가 빛이 없이는 어느 물체도 볼 수 없듯이 빛은 우리 생활에 공기만큼이나

밀접하고 가까이 있는 것이다. 우리가 사물을 본다는 것은 빛의 직진과 굴절에 의

한 것이고 렌즈의 역할을 하는 눈의 수정체에 의해 망막에 상이 맺히게 되고 이를

뇌가 인식함으로써 가능한 것이다. 따라서 눈에서 일어나는 과정이 곧 빛의 굴절과

직진현상을 설명할 수 있는 좋은 예가 되는 것이다. 우리 눈을 통해 일상에서 이루

어지고 있는 이 과정을 그 원리부터 눈모형을 통해 학습하고 좀 더 이해하기 쉽게

접근해 나가는 과정이 학생들에게는 필요할 것이다.

눈모형은 이미 미국의 PASCO사에서 판매되고 있는 것이 있다(그림 Ⅰ-1). 하지

만 이 모형은 불투명한 재질로 되어 있고 실제로 물체에 의한 상이 맺히도록 되어

있지 않고 이미 인쇄된 이미지(그림)을 망막의 위치에 끼워 넣어 상이 뒤집어서 맺

히는 것을 보여주고 있다. 수정체역시 초점 변화가능한 렌즈가 아닌 몇 개의 볼록

렌즈를 바꿔 끼워 넣을 수 있도록 되어 있다. 따라서 이 모형으로는 학생들이 물체

에 상이 맺히는 과정을 볼 수 없고, 수동적으로 그 키트에 들어있는 몇 가지의 물

체에 대해서만 학습이 가능하다.

그림 Ⅰ-1. PASCO사에서 판매되고 있는 눈모형

학생들에게 물체의 상이 맺히는 과정은 빛의 경로를 확인해야만 왜 그러한 상이

맺히는 지를 과학적으로 추론할 수 있다. 하지만 결과만을 제시하는 것으로는 여러

가지 변인에 대해 그 결과를 추론할 수 없다. 따라서 이러한 눈모형으로는 물체를

- 3 -

광원 가까이 가져갈 때와 멀리 가져갈 때, 광원을 물체가까이 가져갈 때와 멀리 가

져갈 때, 그리고 눈모형 즉, 스크린을 가까이 가져갈 때와 멀리가져갈 때에 대해서

와 같이 다양한 학습을 할 수가 없다.

또한 Giuseppe Colicchia(2008)에 의해 고안된 눈모형 이 모형은 불투명한 스티로

폼 재질로 되어 있어서 뒤에 맺히는 상(그림 Ⅰ-2의 ‘R')은 학생들에게 보여 줄 수

있지만, 빛이 직진하는 경로나 빛의 굴절이 이루어지는 과정을 보여줄 수가 없다.

따라서 학생들은 단지 눈모형을 통해 렌즈에 의해서 망막에 상이 맺히는 정도로만

학습할 따름이다. (그림Ⅲ-1).

그림Ⅰ-2. 눈모형.

따라서 본 연구에서 개발하고자 하는 눈모형은 초점가변렌즈를 부착함으로써 수

정체의 볼록렌즈의 두께를 변화시킬 수 있도록 하여 학생들이 빛의 굴절에 관하여

빛의 경로를 눈모형을 통해 직접 관찰함으로써 우리 눈에서 일어나고 있는 ‘본다는

것’과 관련된 빛의 성질에 대하여 학습할 수 있을 것이다. 또한 개발한 눈모형을 통

해 원시안과 근시안의 시력교정 과정을 학생들에게 직접 보여줌으로써 학습할 수

있으며, 핀홀 안경의 원리까지도 학습할 수 있는 기회를 제공하고자 한다.

실제 학생들이 빛의 성질을 이해하는 데 많은 도구들이 사용되고 있지만, 대부분

이 볼록렌즈와 오목렌즈만으로 빛의 경로를 보여주고 있다. 이런 경우 학생들은 눈

과 연결 짓는 데 있어서 능동적이지 못하며, 외부 스크린을 사용하여 상을 맺도록

할 때 눈의 망막에서 상이 맺히는 것과의 관련 맺지 못하는 경우가 많다.

이러한 점에서 본 연구에서는 PASCO사에서 판매되고 있는 것과 같은 수동적인

눈모형에서 벗어나 실제 눈과 유사하게 초점가변렌즈를 사용하여 망막에 상이 맺히

는 것과 빛의 경로를 직접 볼 수 있는 눈모형을 제작하고자 하였다.

또한 눈모형의 응용 및 적용단계에서 일반 눈이 먼 곳을 볼 때와 가까운 곳을 볼

때 어떻게 초점을 잡는 지 초점가변렌즈를 사용하여 보여줄 수 있으며, 원시안이나

근시안의 경우 왜 잘 보이지 않으며 잘 보이게 하려면 어떻게 해야 하는 지에 대해

- 4 -

현장적용을 통해 그 교육적 활용가치를 높이고자 하였다.

또한, 원시안이나 근시안의 경우 오목렌즈와 볼록렌즈로 시력 교정이 가능한데,

이와는 달리 렌즈를 사용하지 않고서도 시력교정의 효과를 가져 올 수 있는 핀홀안

경이다. 대부분의 학생들이 근시안인데 안경을 낀 학생들에게 안경을 벗으면 자연

스레 눈을 찌푸리게 된다. 이렇게 하면 다소 초점이 잡히게 되는 데 이러한 원리가

바로 핀홀 안경의 원리가 된다. 이러한 실생활에서의 현상들에 대해 과학적 원리를

탐구해 나가는 과정이 학생들에게는 과학적 사고를 하게 하는 좋은 계기가 될 수

있을 것이다.

- 5 -

II. 이론적 배경

1. 눈의 구조

눈은 정교한 광학기구이다. 사람의 눈은 그림 Ⅱ-1에서 볼 수 있는 것처럼 매우

정교한 광학기구이다. 바깥의 사물에서 나온 빛은 투명한 조직인 각막, 수양액, 수

정체, 초자체(유리체)를 거쳐서 망막을 자극하여 빛의 존재를 인지하게 되어 있다.

그림에서 각 물질들의 굴절률을 표기해 두었는데 이 값들은 대체로 1.3～1.4 로 되

어 있어 거의 단일 구면경계를 가진 계로 볼 수 있다. 이러한 눈은 그림Ⅱ-1처럼

단순화시켜 표시할 수 있다.

그림 Ⅱ-1. 눈의 구조.

그림 Ⅱ-1에서 표시된 수치는 눈이 가장 이완된 상태의 것으로서 수정체를 지탱

하고 있는 근육조직인 모양체에 아무런 자극이 가해지지 않아 편안한 상태이다. 수

정체의 중심선을 기준으로 물체초점은 전면의 17 mm 되는 지점에 있고, 상초점은

23 mm되는 위치, 즉 망막 위에 있게 된다. 이렇게 긴장을 풀었을 경우 사람의 눈

은 무한히 먼 거리에 초점을 맞추게 된다. 눈은 단일 구면 경계로 되어 있어 물체

초점거리와 상초점거리가 같지 않다. 이 경우 그림 Ⅱ-2에서 마디점(nodal point)

으로 표시한 점으로 들어가는 빛이 굴절되지 않고 곧바로 나아가는 지점이 된다.

그림 Ⅱ-2. 이완된 사람 눈의 광학계.

사람의 눈은 사진기와 비슷하다고 할 수 있으나 사진기의 경우에는 렌즈와 필름

면 사이의 거리를 변화시켜서 초점을 맞추게 되나 눈의 경우에는 렌즈에 해당하는

수정체의 두께를 조절하여 초점거리를 변화시켜서 일정한 거리에 있는 망막에 초점

을 맞추게 된다. 그림 Ⅱ-2에서처럼 모양체의 근육이 이완되어 가장 먼 거리를 볼

수 있는 그 지점을 원점(far point)이라 한다. 한편 모양체가 긴장되어 수정체가 더

볼록해지면 상초점은 앞으로 당겨지게 되고, 이 경우에는 원점보다 가까운 거리에

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있는 물체가 망막에 선명한 상을 맺게 될 것이다. 이러한 방법으로 가장 가까이 볼

수 있는 거리를 근점(near point)이라 한다.

정상적인 눈의 경우 원점은 무한대이고, 근점은 약 25 cm이다. 이 근점을 명시거

리라 고도 한다. 우리가 물체를 관찰할 때 우리가 볼 수 있는 가장 가까운 이 거리

에 물체를 당겨놓거나 다가가서 관찰하게 된다. 어린이의 근점은 10 cm 이하인데

나이가 들수록 점점 늘어나서 성인이 되면 25 cm가 되고 더 나이를 먹어 노안이

되면 이 거리가 1 m이상으로 늘어난다.

2. 피사체 심도와 핀홀

일반렌즈 또는 광학계에서의 초점심도(The Depth of Focus)를 안광학계에서는

선명심도라고 한다. 이상적 광학계에서는 강축위에 있는 물점에서 나온 광선속은

광학계의 입사동(Entrance Pupil)을 향하여 입사하여 구경조리개의 양끝을 거쳐 사

출동(Exit Pupil)의 양끝에서 상점(Image)으로 향하는 원추형을 이루는 경로를 지나

점상으로 한 곳으로 모인다(그림 Ⅱ-3). 이곳에서 상이 가장 선명하며 이 위치에서

벗어나면 흐린 착란원상(Blur Cicle)이 생긴다. 안광학계도 완전한 이상적 결상계가

아니어서 망막에 극한적인 점상이 맺혀야만 가장 선명하고 뚜렷하게 보이는 것은

아니다. 점상전후 일정한 거리의 위치에 망막의 중심와(황반)가 위치하고 있어도

즉, 일정한 한계 직경내에서는 착란원상이 맺혀도 똑같은 정도의 선명도로 보인다.

이는 시세포가 일정한 크기의 직경을 가지고 있어 상이 이 직경의 크기를 벗어나지

않은 범위에서는 같은 선명도를 보이기 때문이다. 이를 광학계의 해상도(Resolving

Power)이라고 한다. 다시 말하면 눈의 해상력 범위 안에서는 같은 선명도로 보이게

된다.

그림 Ⅱ-3. 초점심도와 피사체심도

물점가지의 유효광선소의 버전스크기를 S디옵터(D)로 두면 피사체심도

는,

- 7 -

×

′

로 나타낼 수 있다. 이 식을 안광학계의 정시에 사용하여 풀이하면 굴절력 D'디

옵터는 약 59디옵터(D)인 (+)굴절력을 가지고 있고, 주시물체는 눈 앞에 있어 물체

버젼스 S디옵터(D)의 부호는 (-)이므로

첫째, 분모에 있는 입사동의 직경()이 작을수록 피사체심도는 깊어진다.

둘째, 눈의 굴적력, D'의 크기가 클수록 피사체심도는 깊다.

셋째, 보려는 주시물체가 멀리 있을수록, 즉 물체버젼스 S값이 작을수록 피사

체 심도가 깊다.

안광학계에서 동공의 일반적 크기보다 작은 2 , 1.0 , 0.5 직경의 구멍

을 중앙에 뚫은 검은 원반, 즉 핀홀판(Pinhole Disc)을 눈 앞에 대어 시력이 향상되

는지를 검사하는 것을 핀홀검사(Pinhole Test)라고 한다. 안경처방검사에서 핀홀을

대어 시력이 향상되는 것을 핀홀효과(Pinhole Effect)라고 한다. 위에서 첫째 요소인

입사동직경은 작을수록 피사체심도가 깊어진다는 점을 이용한 것이다. 지름 0.5

정도의 핀홀판은 회절을 일으켜 시력이 더 저하되므로 가장 널리 쓰이는 것은

1.0 와 1.5 직경의 핀홀판이다. 핀홀효과는 그림 Ⅱ-4에서와 같이 안광학계

의 초점심도를 깊게 하여 멀리 있는 물체도 선명하게 볼 수 있어 시력이 향상되는

효과이다.

그림 Ⅱ-4. 동공 직경과 초점심도의변화(→

베스사이머(Westheimer)공식에 의한 동공직경과 피사체심도와의 관계이다. 초점

심도(=피사체심도)는 시력이 낮을수록, 조절량은 많을수록 깊어진다.

정시 또는 정확하게 완전교정안경에서는 초점심도가 시력에 미치는 영향은 아주

적다. 비정시 가운데 근시계 눈의 경우가 가장 큰 영향을 미친다. 해상력, 산란, 그

리고 망막조도 등을 무시하면 근시계의 눈에서는 동공의 크기가 줄어 든 만큼 비례

해서 시력은 좋아진다. 예를 들어 동공크기가 3 일 때 시력이 0.2라면, 다시

- 8 -

1 직경의 핀홀을 통해보면 3배만큼 핀홀크기가 줄어들었다고 생각할 수 있으

므로 시력은 0.2의 3배인 0.6이 된다(그림 Ⅱ-5).

그림 Ⅱ-5(a).

그림 Ⅱ-5(b). 피사체심도의 변화로 시력 향상

그림 Ⅱ-6은 굴스트란드 모형안으로 계산한 동공크기와 초점심도와의 관계를 나

타낸 것이다.

그림 Ⅱ-6. 시력 0.2,0.5, 1.0에서 동공크기에 따른

초점심도의 크기

3. 선행연구

빛의 기본 성질에 대해 학생들이 가지고 있는 개념을 조사한 연구는 국내외적으

로 다양하게 이루어졌다. 박현주(1987) 등은 빛 개념 조사에서 기존의 교과서에서

간과되기 쉬운 점광원, 그림자, 난반사, 렌즈에 대해 많은 학생들이 오개념을 가지

고 있음을 밝히고, 오개념의 원인과 해결 방안을 제시하고 있다. 박현주(1987)의 고

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등학생을 대상으로 한 연구에서 빛의 직진, 반사, 굴절에 대한 개념을 설명식의 지

필 검사로 조사한 결과 85%에 해당하는 학생들이 빛이 광원으로부터 나와 직진한

다는 사실을 알고 있으나, 전구가 점광원의 모임이라는 생각은 못해 전구에 생기는

물체의 그림자 크기를 빛의 직진 현상과 관련지어 설명한 학생은 25%뿐이고, 그림

자의 선명도를 직진 현상과 관련지어 설명한 학생은 전혀 없었다. 광원에서 거리가

멀어짐에 따라 빛의 세기가 약해진다고 답한 87% 중에서 40% 정도만 빛이 방사상

으로 퍼지지 때문이라고 설명했다. 물 속에 있는 물체의 길이가 물과 공기의 차로

인해 빛이 굴절되어 짧아 보인다고 한 학생은 65%이나 물 속에서 공기로 진행할

때 경계면에서 굴절 방향을 바르게 설명한 학생은 적었다

즉, 굴절 현상에 대해서는 경험적으로 알고 있으나 굴절 방향은 정확히 알지 못했

다. 결과에 대한 논의로는 교사의 불완전한 설명으로 인해 학생들은 빛이 공간의

모든 방향을 향해 곧게 나아간다는 생각은 가지고 있으나 그 출발점이 점광원이라

는 생각은 하지 못하는 것이라고 지적했다. 윤연옥(1992)은 고등학교 학생들의 빛에

관한 선입개념 조사연구 중에 40명의 학생 중 난반사를 명확히 이해하는 학생이 한

명도 없었지만 선입개념에 대한 분석으로 난반사에 대한 올바른 개념이 형성된 사

실을 통해 선입개념을 고려한 교사의 수업전략이 학생들의 개념변화에 효과적임을

강조하고 있다.

Goldberg와 Mcdermott(1987)는 기하광학을 배운 학생들과 배우지 않은 학생들을

대상으로 볼록렌즈에 의한 실상에 대한 네 가지 질문을 하였다. 전체 학생의 40%가

렌즈를 치우면 스크린상에 바로선 상이 나타날 것이라고 생각했고, 70%의 학생들이

렌즈를 반쯤 가렸을 때는 스크린에 나타나는 상 역시 렌즈를 가린 만큼 잘려서 나

타날 것이라고 예상했다. 또한 25%의 학생들이 스크린을 렌즈 쪽으로 움직이면 상

의 크기는 변하지만, 상의 선명함에는 변함이 없을 것이라고 생각했다. 그리고 그들

이 관찰한 실상은 어디에 위치하는가라는 질문에는 렌즈 속이나 렌즈 표면 위 또는

전구와 렌즈 사이라는 대답이 가장 많았다. 또한 많은 학생들이 상의 작도에서 평

행 광선만 그리고 평행하지 않은 광선은 그리지 않았다. 이러한 생각은 빛을 광원

이나 물체의 각 점에서 사방으로 퍼져 나가는 것으로 생각하는 대산에 평형광선이

나온다는 것을 나타내는 결과라고 했다. 빛이 렌즈를 통과하더라도 빛의 기본 성질

이 사라지는 것이 아니기 때문에 빛의 직진성, 점광원, 굴절이라는 기본적인 특성으

로 설명해야 하는 현상들이다.

국내 연구에서는 박현덕(2002)이 일반물리를 배운 대학생들에게 볼록 렌즈의 역

할, 상의 개념, 스크린의 역할 등 기하광학에 대한 수업 전 후의 개념 유형과 변화

를 조사한 연구에서 유사한 결과를 얻었다. 이는 잘못된 상 작도를 비롯하여 상과

렌즈 그리고 스크린에 대해서 정확한 개념이 없기 때문이라고 밝혔다. 전통적인 수

업방식으로는 수업 후에도 오개념이 잘 변하지 않는다고 했으며, 치료전략으로는

광원이 점광원의 집합이라는 것과 실상이 각 점광원의 상이 조합된 점을 숙지시키

고 아울러 개념을 도입할 때도 단순화시킨 그림보다는 덜 추상적이고 보다 구체적

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인 그림을 사용해서 과학적인 개념을 제시해야 한다고 제언하였다.

Ronen과 Eylon(1993)은 눈의 기능적 모형(a functional model of th eye)을 수업

에 결부함으로 기초광학 개념의 이해를 도울 것이라고 했다. 한편, 광학 교육과정에

서 눈과 눈의 기능에 관한 논쟁에서 눈의 기능의 이해를 위한 필수조건으로 렌즈의

기능을 마스터 할 것을 제안하고 있으며, 광학교육과정에서 상 형성의 과정에서 눈

의 기능적 모형으로서의 역할을 강조하고 있다. Galili(1996)는 학생들의 기하광학

개념의 변화에 대하여 다양한 부분으로 연구하였다. 개념변화가 일어날 때는 수업

전에 학생이 가진 선개념과 수업 후 배운 개념이 섞여서 혼합된 지식, 즉

IPC(Image Projection Conceptualization)적인 지식으로 변한다. 물체의 한 점에서

나온 한 줄기의 광선이 물체의 정보를 가지고 이동해서 상을 만든다는 생각을 가지

고 있는 것을 나타냈다. IPC 이전 단계, 즉 가정 초보적인 개념 단계를 홀로스틱 단

계(Holistic Conceptualization)라고 하는데, 물체에서 나온 상이 그대로 이동하다가

렌즈에서 상하가 바뀐 뒤 다시 이동하여 스크린에 맺힌다는 생각이다.

김한호(1991)는 고학년 학생들은 저학년 학생들에 비해 과학적 용어(반사. 굴절)

을 더 많이 사용하고 있으나 그 의미는 부정확하거나 의심 없이 사용하는 경향이

있다고 말하고 있다. 이경호(1996)는 빛 개념에 대한 학생들의 응답 유형이 빛에 의

해 나타나는 법칙과 관련된 문항에서보다 빛 자체의 특성을 묻는 문항에서 그릇된

응답유형의 비중이 증가함을 지적하고 광학학습에 있어서는 무엇보다도 실체로서의

빛에 관한 개념에 대한 지도가 선행되어야 함을 제언하였다. 서울대학교 과학교육

연구소(2004)는 과학 교과서의 교육과정이 과학적으로 설명하기보다는 관련 현상을

찾아보는 데서 그치는 경우가 대부분이라고 분석하고 있다. 이건호(1999)는 초등학

교 교사를 대상으로 광원의 종류와 빛의 나아가는 모습, 빛의 반사, 빛의 굴절, 그

림자 형성, 빛에 반응하는 눈 등의 개념조사를 하였다. 근시와 원시에 대하여 눈이

어떻게 다른지를 올바르게 설명한 교사는 94%에 이르렀고 과학적 용어를 사용하여

바르게 인식하고 있었다.

한편, 핀홀 관련연구는 핀홀 카메라에서 시작되어 연구결과가 나와 있다( Barnes;

1989, Young; 1989, Stewart; 1991, Jakovidis; 1993, Greenslade; 1994, Kriss; 1996,

Gardner; 2000, Hewitt; 2000). 최근 들어 핀홀 안경에도 관심을 보이면서 조금씩

연구가 진행되고 있다(Greenslade; 1994, Patera; 2006. ). Mojca Čepič 등(2008)은

핀홀 안경을 착용함으로써 물체의 상이 여러 개로 보이지만 안경을 착용하기 전에

비하여 전체적으로 어두워지는 대신 선명한 상이 맺힘을 실험을 통해 확인하였다.

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III. 실험 기구 개발 및 제작 과정

본 연구에서는 학생들에게 빛의 성질을 고찰시킬 수 있는 눈모형을 개발하였다.

이 눈모형은 ‘본다는 것’에 대해 학생들이 눈의 시각전달 과정을 통해 빛의 성질을

고찰할 수 있도록 하기 위하여 초점가변렌즈를 써서 실제 눈처럼 능동적으로 변화

할 수 있도록 개발하였다. 그리고 이 과정에서 원시안과 근시안의 교정하기 위하여

착용하는 안경인 볼록렌즈와 오목렌즈와는 다른 핀홀 안경의 원리를 탐구적으로 찾

아내고 교육현장에서 활용할 만한 방안을 찾고자 하였다.

1. 눈모형의 개발

본 연구에서 개발하고자 하는 눈모형은 기존에 판매되거나 개발되어 있는 것과는

차별화하여 빛이 지나가는 경로를 직접 학생들이 눈으로 확인할 수 있을 뿐만 아니

라 렌즈에 의해 빛이 굴절되는 현상도 직접 눈모형 내에서 일어나는 과정을 볼 수

있게 하려했다. 또한 학생들에게 초점가변렌즈를 사용하여 실제 수정체와 유사하게

제작하였으며 렌즈의 두께에 의해서 굴절률이 달라진다는 것을 학습할 수 있도록

제작하고자 하였다. 눈모형은 망막에 상이 맺히는 것을 탐구하는 것을 목적으로 하

는 눈모형 Ⅰ과 상이 맺기까지의 빛의 경로를 탐구하는 것을 목적으로 하는 눈모형

Ⅱ로 구분하여 개발하였다.

가. 눈모형의 재료

눈모형 Ⅰ, Ⅱ의 재료를 구하는 데 있어서 적절한 재료를 찾기가 어려웠다. 문구

점을 다니면서 눈모형으로 적절한 것을 찾던 중 캔디머신을 발견하였다. 캔디머신

중 윗부분인 투명한 본체통을 활용하였다(그림 Ⅲ-1).

그림 Ⅲ-1. 눈모형의 재료.

이 재료는 두 군데의 구멍이 있는 데 한 구멍은 작고, 다른 한 구멍은 크기가 컸

다. 따라서 수정체와 망막에 맺히는 스크린을 고정시키기에 적당한 크기였다.

나. 눈모형의 제작

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캔디머신의 본체통에 한 쪽은 작은 구멍이, 다른 한쪽은 약간 큰 구멍이 뚫어져

있다. 작은 구멍은 수정체 부분으로, 큰 구멍은 망막에 맺히는 상의 스크린으로 사

용하였다. 작은 구멍에는 비즈케이스의 밑부분을 도려내고, 볼록렌즈나 초점가변렌

즈를 앞부분에 끼워 수정체 모형을 완성하였다.

1) 문제점

그림 Ⅲ-2에서처럼 망막에 해당하는 뒷부분을 약품 뚜껑을 활용하여 밀봉하였더

니 외부에서 맺힌 상을 보려면 통 속을 들여다봐야 하는 번거로움이 있었다.

그림 Ⅲ-2. 1차 눈모형Ⅰ.

또한 사방으로 퍼지는 광원의 광량에 비해 눈모형Ⅰ의 렌즈를 통해 스크린에 도

착하는 광량은 매우 적다. 그런데 유리체에 해당하는 본체가 투명하여 내부를 통과

하는 광량의 일부가 바깥으로 투과해 나가는 것을 막을 필요가 있었다.

그리고 볼록렌즈를 끼운 비즈통의 밑바닥부분이 플라스틱으로 되어 있는 데 이

부분에 글씨가 작은 새겨져 있어서 스크린에 맺힌 상이 선명하지 않았다. 이러한

사항도 역시 하나의 문제점으로 남아 있었다.

2) 개선사항

그림 Ⅲ-3처럼 눈모형이 안고 있는 문제점을 수정하기 위하여 뒤에 밀폐시킨 약

품 뚜껑을 제거하고 대신에 불투명 기름종이(트레이싱 페이퍼)와 A4 용지를 대체시

켜 보았다. 불투명 기름종이는 얇아서 뒷부분까지 투과하는 정도는 높으나 편평하

게 펴지지 않고, 접착시켰을 때 울퉁불퉁해져서 상이 맺혔을 때 초점이 부분적으로

맞혀지지 않았다. 반면에 A4 용지는 두께가 불투명 기름종이보다는 두껍고 편평하

게 펴질 뿐 아니라 상이 맺히는 것도 선명하였다. 따라서 A4 용지를 뒷부분에 부착

시키기로 결정하였다.

한편, 우리 눈의 안쪽이 전체적으로 멜라닌 색소로 빛의 반사와 투과를 적게 하는

점을 고려하여, 본체내부에서 사방으로 퍼져나가는 빛의 양을 줄이고자 본체 전체

를 접착식 부직포로 감쌌다. 그리고 유리체에 해당하는 본체내부에는 빛의 양이 많

이 도달하게 하기 위하여 비워두었다.

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그림 Ⅲ-3. 1차 눈모형Ⅰ.

그리고 볼록렌즈를 끼운 비즈통은 밑부분을 도려내어 플라스틱에 의해 빛의 양이

줄어듦과 산란효과를 방지할 수 있었다.

다. 눈모형Ⅱ의 제작

상이 맺히는 결과를 우리 눈의 망막에 맺히는 것을 그대로 재현한, 스크린에 상이

맺히는 것을 볼 수 있는 눈모형Ⅰ과는 달리, 우리 눈에서 수정체에 빛이 들어와서

부터 유리체를 지나 망막에 상이 맺히기 까지 지나가는 경로를 우리 눈으로 확인할

수 있는 또 다른 눈모형이 필요하였다. 눈모형Ⅰ에서는 스크린에 상이 맺히도록 하

는 것이 중요한 점이라고 한다면, 눈모형Ⅱ의 중요한 점은 우리 눈에 상이 맺히기

까지의 빛의 경로를 보여주는 것을 목적으로 한다.

눈모형Ⅱ는 빛의 경로를 확인하기 위한 모형으로 뒤에 맺힌 상을 스크린으로 보

는 것이 아니라 통 속 즉, 유리체 속을 들여다 보아야 하므로 캔디머신 기기 중 큰

것을 사용하여 제작하였다.

1) 문제점

눈모형Ⅱ의 작은 구멍에는 볼록렌즈를 끼워 넣은 비즈통을 부착하였고, 큰 구멍에

는 투명한 TP용지를 접착제를 이용하여 부착하였다. 눈모형Ⅰ과는 달리 눈모형 Ⅱ

는 액체를 넣어야 하므로 두 반원구를 접착하는 데 중점을 두어야 했다. 처음 제작

시에는 물을 넣어 누수를 점검하였는데, 접착제로 강력한 에폭시를 사용하였음에도

불구하고 보이지 않는 구멍구멍에서 계속 물이 흘러나왔다. 물의 수위를 조금씩 높

여 가며 누수 부분을 점검하는 과정에서 물이 뒷부분의 TP용지 부분에서 흘러나옴

을 확인하였다. 물을 조금 넣었을 때는 새지 않던 것이 많이 넣게 되면 수압에 의

해 얇은 TP용지가 휘게 되고 이로 인해 구멍이 생기게 됨을 알게 되었다.

그리고 본체통이 투명하므로 눈모형Ⅰ에서와 마찬가지로 통과하는 빛이 바깥으로

투과되는 정도를 줄이고 외부에서 빛의 경로도 볼 수 있도록 해야 했다.

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2) 개선사항

눈모형Ⅱ는 그림Ⅲ-4에서 보는 것처럼 망막에 해당하는 뒷부분을 종이가 아닌 약

품뚜껑을 활용하여 완전히 밀봉하였다. 그랬더니 물이 세지 않았다.

Ⅲ-4. 1, 2차 눈모형Ⅱ.

본체를 통해 레이저 빛을 외부에서 보았을 때 좀 더 선명하게 볼 수 있도록 그림

Ⅲ-5에서 처럼 접착식 부직포로 구의 절반을 부착했다. 투명한 통에 비해 검은색

부직포가 뒷배경(background)이 되어 빛이 선명하게 보였다.

그림 Ⅲ-5. 완성된 눈모형Ⅱ.

이렇게 함으로써 눈모형 Ⅱ는 밝은 광원을 사용할 경우 스크린에 맺힌 상을 볼

수 있을 뿐 만 아니라 레이저 빛의 경로를 볼 수 있는 즉, 눈모형 Ⅰ의 기능을 병

행할 수 있게 되었다. 물론 광원이 약한 경우와 핀홀을 사용하여 광량을 많이 줄일

경우에는 눈모형 Ⅰ으로 상이 맺힌 것을 보는 것이 효과적으로 수행할 수 있을 것

이다.

　

3) 유리체 채우기

이제 이 눈모형에 빛의 경로를 볼 수 있는 액체를 넣어야 하는 것이 문제이다. 일

반적으로 중학교 과학 1 교과서에 의하면 우유나 물감을 탄 물을 넣는 것으로 되어

있다. 하지만, 우유를 넣을 경우 장기간 보관상에 문제가 생긴다. 우유는 온도에 의

해 단백질이 변성되므로 시간이 지나면 단백질의 응고가 생겨 빛의 경로를 볼 수

없게 된다. 따라서 여러 가지 물질을 물에 넣어 레이저 빛이 지나가는 경로가 보이

는 정도를 알아보기 위한 실험을 하였다.

가) 유리체용 액체

우리 눈의 유리체는 99%의 물과 1%의 콜라겐으로 구성되어 있다. 이 유리체로

눈모형에 넣을 적당한 재료를 찾는 실험을 하였다.

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그림 Ⅲ-6은 각 물질을 투과하는 빛의 양이 많고 선명한 정도를 비교하기 위한

실험이다. 식용유는 선명도가 낮았고, 식초의 경우 거의 산란되지 않아 레이저 빛을

볼 수 없었다. 초록색소를 탄 물은 농도를 연하게 했음에도 불구하고 투과정도가

낮아 비커의 끝까지 도달하는 빛의 양이 적었다. 반면에 황색색소를 탄 물과 쌀엿

에서는 레이저 빛이 선명하게 보였다. 하지만, 쌀엿의 경우 비커에 담는 과정에서

공기가 들어갔으며 이 공기에 의해 빛이 산란되어 부분적으로 황색색소를 탄 물에

비해 투과력이 낮았다. 또한 공기방울이 하나의 볼록렌즈 역할을 해서 레이저 빛을

부분적으로 집광시켜 반사하였다.

따라서, 황색색소를 탄 물이 선명도와 빛의 양에서 가장 적절하여 유리체로 눈모

형 Ⅱ에 채우기로 하였다.

그림 Ⅲ-6. 액체에 레이저 빛을 비추었을 때 산란정도.

나) 황색 색소를 탄 물의 굴절률

우리 눈의 유리체가 99%의 수분으로 구성되어 있기 때문에 우리가 사용할 황색

색소를 탄 물과는 내용물이 거의 유사하다고 볼 수 있다.

눈모형에서 빛이 내부 물질을 통과해야 하므로 실제 우리 눈 속의 물과 황색 색

소를 탄 물의 굴절률이 얼마만큼 차이가 나는 가를 비교하기 위한 실험을 하였다.

그림 Ⅲ-7. 황색색소를 탄 물과 물의 굴절률 비교.

이 실험은 황색 색소를 탄 물과 수돗물의 절대적이거나 상대적인 굴절률을 계산

해 내는 것이 목적이 아니라 상대적인 크기의 차이를 보고자 한 것이므로 아크릴

광학용 물통을 지나면서 꺽이는 각도는 무시하였다.

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황색 색소를 탄 물 물

입사각 30° 45° 30° 45°

반사각 43° 72° 43° 71°

굴절률 1.362 1.345 1.362 1.337

표 Ⅲ. 황색 색소를 탄 물과 물의 굴절률

실험 결과에 의하면 황색 색소를 탄 물과 일반 물의 굴절률은 비슷하여 유리체

에 황색 색소를 탄 물을 넣어도 수분이 99%인 우리 눈의 상황과 크게 다르지 않음

을 알 수 있었다.

다) 눈모형 Ⅱ에 유리체용 색소 채우기

황색 색소를 탄 물이 물의 굴절률과 거의 같고 빛이 산란되어 우리 눈에 들어와

선명하게 보이는 것을 확인하였고, 그림 Ⅲ-8에서처럼 눈모형 Ⅱ에 채워 넣어 눈모

형 Ⅱ를 완성하였다.

그림 Ⅲ-8. 완성된 눈모형Ⅱ.

2. 광원

눈모형Ⅰ에서 망막(스크린)에 선명한 상이 맺히게 하기 위해서는 광원의 세기가

커야 한다. 또한 초점이 맞는 지 확인하기 위해서는 광원이 일정한 모양을 띠고 있

는 것이 좋다. 따라서 200 W용 일반 전구를 사용하기로 하였다. 이 전구는 전구의

소켓에 광학용 포스트에 에폭시로 접착시켜 광학대에서 사용가능하였다. 이로써 고

정도 할 수 있을 뿐 아니라 광학대 위에서 자유롭게 이동도 가능하고, 거리도 측정

가능하였다. 또한 광원으로 파워 LED를 사용하여 ‘ㄱ’자로 제작한 것을 사용하였다.

이것은 일반전구의 필라멘트가 입체적으로 되어 있어서 각 위치의 초점거리가 달라

서 초점거리를 판단하는 데 있어서 애매한 점을 고려한 것이다.

그림 Ⅲ-9. 파워 LED전구.

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3. 초점가변렌즈의 제작

근시안과 원시안의 시력 교정 원리를 학습하기 위하여 눈모형 앞에 또 다른 렌즈

를 놓아야 한다. 이 렌즈는 초점이 변화가능해서 볼록렌즈와 오목렌즈를 모두 표현

할 수 있는 것이어야 한다. 또한 빛의 투과율이 높아야 하므로 투명해야 한다. 이러

한 조건을 충족시킬 수 있는 렌즈를 제작하기 위해서 많은 고심한 끝에 주사기를

이용하여 물의 양을 조절하고 우리의 눈모형에 끼워 사용할 수 있는 렌즈를 제작하

였다.

그림 Ⅲ-15에서 보는 바와 같이 주사기에 물을 넣어 볼록렌즈로 되었을 때 초점

거리에서 햇빛이 모아 짐을 볼 수 있다(좌상). 또한 물을 넣어 볼록렌즈가 되었을

때 글자위에 놓고 보면 글자가 확대되는 것을 관찰할 수 있었고(우하), 물을 빼 내

어 오목렌즈가 되었을 때 글자가 축소되는 것을 관찰할 수 있었다(좌하).

그리고, 제작된 초점가변렌즈를 오랫동안 놔두었더니 공기방울이 들어가서 이것을

통해 글자를 본 것이다(우상). 재미있는 것은 볼록렌즈 속에 공기방울에 의한 오목

렌즈가 들어있는 마치 이중렌즈처럼 보인다. 이것은 예상치 않았던 것이지만 렌즈

의 기능을 학습하는 데 있어서 좋은 교육자료가 될 수 있을 것이다.

그림 Ⅲ-10. 초점가변렌즈.

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IV. 실험 결과 및 결론

개발한 초점가변렌즈의 능동적인 눈모형Ⅰ, Ⅱ와 핀홀 안경으로 빛의 직진 현상

과, 빛의 굴절 현상과 같은 빛의 성질을 고찰하였다.

그림 Ⅳ-1. 눈모형의 실험장치

개발한 능동적인 눈모형을 통해 빛의 성질을 고찰하였다(그림 Ⅳ-1). 근시안과 원

시안의 경우 초점가변렌즈를 이용하여 시력을 교정하는 원리에 있어서 빛의 성질을

적용할 수 있다. 또한 핀홀안경의 원리를 눈모형을 활용하여 찾을 수 있다. 전체적

인 실험장치는 그림 Ⅳ-1에서와 같이 광원이 있고, 그 앞에 눈모형을 두어 망막에

해당하는 스크린에 맺힌 상을 관찰하는 것이다.

1. 광원으로부터 눈모형까지의 거리에 따른 상의 변화

그림 Ⅳ-2는 눈모형 Ⅰ을 초점이 맞은 상태에서부터 광원가까이로 가져갔을 때

눈모형의 망막에 맺힌 상의 변화를 관찰한 것이다. 광원으로부터 가까워짐에 따라

상의 크기가 커지고 초점이 흐려짐을 알 수 있다.

그림 Ⅳ-2. 눈모형을 광원 가까이 가져갔을 때의 상의 변화; 눈모형과

광원 사이의 거리가 (a)는 18 , (b)는 15 , (c)는 12 , (d)는 9

, (e)는 6 이다.

여기서 눈모형에 수정체로 사용한 볼록렌즈의 초점거리는 약 6 이다.

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여기서 a는 광원과 눈모형의 렌즈까지의 거리이고, b는 눈모형의 깊이에 해당하

며, f는 초점거리이다. 눈모형은 렌즈와 스크린 즉, 수정체까지의 거리(b)가 정해져

있으므로, 광원을 옮겨가면서 초점을 찾으면 된다.

그림 Ⅳ-3은 광원으로부터 멀리 가져갔을 때 눈모형의 망막에 맺힌 상의 변화를

관찰한 것이다. 광원으로부터 멀어짐에 따라 상의 크기가 작아지고 초점이 흐려짐

을 알 수 있다. 이것은 일반적으로 렌즈와 스크린과 광원이 있을 때 각각의 변인의

거리를 변화시킴에 따라 상의 변화를 관찰하는 실험에서도 많이 볼 수 있다.

그림 Ⅳ-3. 눈모형을 광원 멀리 가져갔을 때의 상의 변화; 눈모형과 광원

사이의 거리가 (a)는 18 , (b)는 21 , (c)는 24 , (d)는 27 ,

(e)는 30 (f)는 33 이다.

2. 근시안의 탐구

본 연구에서 개발한 눈모형은 초점가변렌즈를 활용하여 원활하게 두께 조절이 되

지 않는 수정체위에 부착함으로써 초점을 잡아 능동적으로 시력을 교정하는 과정

및 원리를 학습할 수 있다.

그림 Ⅳ-4는 눈모형 Ⅰ이 광원으로부터 18 떨어진 지점에서 초점이 잘 맞는

경우이다. (b)는 광원으로부터 멀리 가져가서 25 떨어진 지점에 있을 때 망막에

맺힌 상이다. ((C) 능동적으로 초점을 조절하기 위하여 초점가변렌즈를 사용하여 초

점을 맞추었을 때 망막에 맺힌 상이다.

그림 Ⅳ-4. 근시안의 시력 교정 과정; (a)는 근시안, (b)는 초점가변렌즈를

눈모형에 부착한 사진, (c)는 초점가변렌즈를 이용하여 시력이 교정된 경우

이 경우 학생들에게 물체가 망막에 맺힌 상을 관찰하는 것만으로는 그 과학적 원

리를 파악했다고 말할 수 없다. 실제 빛의 경로를 예측하고 관찰함으로써 빛의 굴

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절현상과 그 현상으로 인한 결과물인 망막에 맺힌 상을 연결시켜 원리를 파악할 수

있다.

그림 Ⅳ-5는 눈모형Ⅱ앞에 레이저 포인터를 두 개 세로로 고정하여 발진시켜 눈

모형 안에서 빛의 경로를 볼 수 있는 실험결과이다. (a)는 초점 변화 가능한 렌즈를

사용하기는 하였으나 편평하여 볼록렌즈만 사용한 경우와 같다. 초점이 볼록렌즈

가까이에서 맺혀 있음을 알 수 있다. 즉 근시안의 경우에 해당한다. 이 경우 핀홀

안경을 부착하는 것은 곧 초점 변화 가능한 렌즈를 사용하여 초점을 맞출 수 있다.

(b)와 (c)는 주사기에서 물을 빼내어 오목렌즈의 효과에 의해 초점을 눈모형 Ⅱ의

뒤쪽 스크린, 즉 망막에 맺히도록 초점을 조절하는 것을 보여주고 있다. 이 실험결

과로부터 학생들은 빛의 직진현상과 렌즈에 의해 굴절되는 효과 뿐 만 아니라 근시

안의 교정 원리까지도 학습할 수 있을 것이다.

그림 Ⅳ-5. 눈모형Ⅱ에서 빛의 경로와 초점조절.

3. 원시안의 탐구

원시안은 수정체의 두께가 너무 얇아져 있어서 망막보다 초점이 뒤에 맺히게 된

다. 그림 Ⅳ-6는 눈모형 Ⅰ을 광원 가까이 가져가서 광원으로부터 11 떨어진 지

점에 있을 때의 눈으로 원시안에 해당하는 경우이다. (a)는 원시안의 망막에 맺힌

상이고, (b)는 초점가변렌즈의 물을 주입하여 가변볼록렌즈가 되어 시력을 보정했을

때 망막에 맺힌 상이다.

그림 Ⅳ-6. 원시안의 시력 교정 과정; (a)는 원시안, (b)는

초점가변렌즈를 이용하여 시력이 교정된 경우

4. 초점가변렌즈의 굴절 정도 조절

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초점가변렌즈에 주사기로 물을 넣거나 빼 냄으로써 굴절하는 정도가 변화하는 능

동적인 볼록렌즈와 오목렌즈로 변화하게 된다. 이 때 주사기의 물의 양이 변화함에

따라 초점가변렌즈의 굴절 정도가 달라지게 되므로, 주입된 물의 양과 초점과의 관

계를 살펴보았다.

표 Ⅳ-1은 광원으로부터 눈모형이 18 떨어진 상태에서 초점이 가장 잘 맞을

때 초점가변렌즈의 주사기의 눈금이 6 이다. 이 눈모형을 광원으로부터 멀리서

부터 점차 가까이 가져가서 초점을 지나 더 가까이 접근할 때까지 주입되거나 빼

낸 주사기 속의 물의 양을 측정한 것이다. 주입된 양의 (-)기호는 주사기의 물을 밖

으로 빼 내는 것을 의미한다.

눈모형을 광원에서부터 3 씩 멀리 가져가면서 이동했을 때 초점이 흐려지게

되고, 이 때 초점을 맞추기 위하여 초점가변렌즈를 사용하여 주사기의 물을 빼내게

된다. 이 상황은 근시안에 해당하는 것으로 오목렌즈를 만들어 빛을 퍼뜨리기 위해

서는 주사기의 물을 빼 내야 한다. 반면에 3 씩 멀리 가져갈 때 초점을 맞추기

위해서는 초점가변렌즈의 주사기의 물을 주입해야 한다. 이 상황은 초점이 망막의

뒤에 형성되는 원시안에 해당하는 것으로 학생들이 선개념에 의하여 볼록렌즈를 만

들어야 한다는 지식 없이 Hand-On에 의해 조작해 봄으로써 볼록렌즈의 형태이어

야지만 초점을 잡을 수 있다는 것을 알 수 있다. 물을 2 주입할 때마다 초점거

리는 약 3 씩 짧아짐을 알 수 있다.

5. 핀홀 안경의 원리탐구

핀홀 안경은 그림 Ⅳ-7에서와 같이 렌즈없이 핀홀만으로 끼워져 있다.

그림 Ⅳ-8에서처럼 초점이 흐린 상태에서 카메라 바로 앞에 핀홀 안경을 부착한

후 사진을 찍었다. 초점이 완전하게 맞지는 않지만 착용 전, 후를 비교해 보았을 때

착용 후에 선명해 짐을 알 수 있다.

그림 Ⅳ-7.핀홀 안경

- 22 -

표 Ⅳ-1. 초점가변렌즈를 사용할 때와 사용하지 않을 때

- 23 -

(a) (b)

(c) (d)

그림 Ⅳ-8.핀홀 안경을 쓰기 전과 후; (a), (c)는 착용 전이고, (b)(d)는 착용 후 카메라로 찍은 사진

가. 핀홀 구경의 크기와 도달하는 빛의 세기

핀홀 안경은 초점에 관계없이, 즉 원시안이든 근시안이든 초점을 맞출 수 있다는

것이 장점이다. 하지만 기본적으로 핀홀을 통과하는 빛의 세기가 약하므로 스크린

에 도달하는 빛의 양이 많이 줄어들어 어둡게 된다. 이러한 점을 보정하기 위하여

되도록 빛의 세기가 큰 광원을 사용하는 것이 좋다. 본 실험에서는 200W의 일반전

구와 파워 LED를 사용하였다.

광원과 렌즈사이의 거리는 13 이고, 이 때 눈모형Ⅰ의 바로 뒤에 파워측정기를

설치하였다. 따라서 다음 표의 빛의 세기는 눈모형Ⅰ의 스크린을 통과한 후의 빛의

세기이다. 핀홀 안경을 착용할 경우 도달하는 빛의 양이 얼마만큼 줄어드는 가를

살펴보기 위하여 눈모형Ⅰ의 망막인 스크린에 도달하는 빛의 세기를 측정하기 눈모

형의 앞에 두어 도달하는 빛의 세기를 측정하였다. 실험 장치는 그림Ⅳ-9와 같다.

그림 Ⅳ-9. 빛의 세기를 측정하기 위한 실험장치.

파워측정기는 미국의 THORLABS사의 핀홀을 사용하였는 데 이것은 핀홀의 크

기를 조절할 수 있을 뿐 아니라, 일정한 눈금이 그려져 있어서 필요한 핀홀의 크기

를 제어할 수 있도록 되어 있다.

- 24 -

그림 Ⅳ-10. 핀홀.

1) 볼록렌즈만 사용했을 때

눈모형Ⅰ에 볼록렌즈만 끼운 상태에서 핀홀 안경의 종류를 핀홀의 크기 1 에

서부터 12 까지 변화시키면서 빛의 세기를 측정하였다. 또한 그림 Ⅳ-7에 있는

것과 같이 시판되고 있는 핀홀 안경을 넣어서 빛의 세기를 측정하였다. 그 결과는

표 Ⅳ-3과 같다. 결과에 의하면 200의 전구가 사방으로 빛을 방출하게 되고 그

빛 중 눈모형Ⅰ의 스크린에 도달하는 빛의 양은 면적에 비례하므로, 핀홀 안경이

없을 때 도달하는 빛의 양은 이론적으로,

×

가 된다. 여기서 은 눈모형Ⅰ의 스크린 뒤에 위치한 파워측정기까지의 반지름으

로 은 파워측정기의 면적으로 여기에 도착하는 빛의 양으로 볼 수 있고, 는

백열전구로부터 파워측정기가 위치한 거리까지의 거리인 28 떨어진 지점으로

은 전체적으로 도달하는 총 빛의 양이다.

실제 도착한 빛의 양을 살펴보면,

×

×

이 된다. 그렇다면 실제 눈모형Ⅰ의 스크린의 지점에 도착하는 빛의 양에 비해

A4용지의 스크린에 도착하는 빛의 양은 1 %밖에 되지 않는다는 알 수 있다. 이것

을 다시 한번 더 확인하기 위하여 레이저 포인터를 활용하여 측정해 보았다. 실험

장치는 그림 Ⅳ-3과 같다. 레이저포인터 빛을 비추고 눈모형Ⅰ을 위치시킨 뒤 뒤에

파워측정기를 놓고 빛의 세기를 측정한 뒤 눈모형Ⅰ을 제거한 후 빛의 세기를 측정

해 보았다. 레이저포인터와 눈모형Ⅰ 사이의 거리는 앞의 실험과 같게 하였다.

그림 Ⅳ-11. 레이저 빛이 파워측정기에 도달하는 빛의 양 측정.

실험결과는 다음표와 같다.

- 25 -

빛의 세기 ()

눈모형Ⅰ이 있을 때 2300

눈모형Ⅰ이 없을 때 1.5

표 Ⅳ-2. 눈모형이 있을 때와 없을 때 빛의 세기

실험결과에 의하면, 눈모형Ⅰ이 있을 때 파워측정기에 도달하는 빛의 양은 그 위

치에 눈모형Ⅰ이 없을 때에 비하여 약 1 %정도만이 도달함을 알 수 있다. 이 실험

결과는 이론에 의해 계산한 값과 거의 일치함을 알 수 있다.

2) 볼록렌즈와 초점 변화 가능한 렌즈를 같이 사용했을 때

눈모형Ⅰ에 볼록렌즈를 먼저 끼우고 초점 변화 가능한 렌즈를 덧끼운 상태에서

빛의 세기를 측정하였다.

핀홀 구경의 크기 ()빛의 세기

볼록렌즈만 사용 볼록렌즈+초점가변렌즈 사용

없을 때 2410 1600

1 80 52

2 151 80

3 220 121

4 300 164

5 420 243

6 475 279

7 530 296

8 600 325

9 710 387

10 820 436

11 880 479

12 960 521

핀홀 안경 148 86

표 Ⅳ-3. 핀홀 구경의 크기에 따라 눈모형의 망막에 도달하는 빛의 세기

눈모형Ⅰ에 볼록렌즈만 끼운 경우에 비해 볼록렌즈에 다시 초점 변화 가능한 렌

즈를 끼운 경우는 예상할 수 있는 것처럼 도달하는 빛의 양이 즐어들 것이다. 초점

변화 가능한 렌즈의 재질인 콘돔의 표면에서 산란되어 줄어든 양을 계산해 보면,

×≈

즉, 초점 변화 가능한 렌즈를 사용함으로써 약 34%의 빛이 산란되어 스크린에 도

착하지 못한다. 따라서 스크린을 통해 상을 관찰할 때 육안으로 봐도 조금 어두워

짐을 확인할 수 있었다.

나. 핀홀을 부착했을 때의 상의 변화

핀홀 안경의 원리를 탐구하기 위하여 근시안일 때와 원시안일 때 각각 핀홀의 구

- 26 -

경의 크기에 따라 망막에 맺히는 상을 관찰하였다.

1) 근시안의 경우

그림 Ⅳ-12. 핀홀 구경의 크기에 따른 상; 핀홀이 없을 때(좌상) 그 다음부터 12, 11, 10, 9, 8,

7, 6, 5, 4, 3, 2, 1 일 때

그림 Ⅳ-12에서와 같이 근시안일 경우 상이 초점이 맞지 않아 흐려져 있는 상태

에서 핀홀을 통과시키면 바늘구멍의 크기가 작을수록 상이 선명히 맺힘을 알 수 있

다.

2) 원시안의 경우

그림 Ⅳ-13에서와 같이 원시안일 경우 상이 초점이 맞지 않아 흐려져 있는 상태에

서 핀홀을 통과시키면 바늘구멍의 크기가 작을수록 상이 선명히 맺힘을 알 수 있

다.

그림 Ⅳ-13. 핀홀 구경의 크기에 따른 상; 핀홀이 없을 때(좌상) 그 다음부터 12, 11, 10, 9, 8,

7, 6, 5, 4, 3, 2, 1 일 때

- 27 -

광원과

렌즈사이

거리

핀홀이 없을 때핀홀 구경의 크기

5 3 1

7

9

11

13

15

17

19

표 Ⅳ-4. 핀홀 구경의 크기(φ=1, 3, 5)와 광원과 렌즈 사이의 거리에 따른 상

다. 핀홀 구경의 크기와 초점심도와의 관계

핀홀 구경의 크기에 따라 초점심도가 어떻게 달라지는 가를 실험하였다. 그림 Ⅱ

-7, 8, 9에서 살펴 본바와 같이 입사동의 직경이 작을수록 피사체심도는 깊어진다.

그렇다면 핀홀 구경의 크기가 작아짐에 따라 초점심도가 깊어 질 것이고, 핀홀 구

경의 크기가 작아짐에 따라 초점 범위에 해당하는 허용착란원의 크기가 커지고 초

점심도도 깊어지게 된다. 이것을 눈모형을 통해 실험에 의해 탐구하였다. 먼저 핀홀

없이 망막에 상이 초점이 잡히도록 눈모형을 위치시킨 다음, 광원가까이 가져가보

고, 멀리 가져갔을 때 맺힌 상을 관찰한다. 다음으로 핀홀의 크기를 다양하게 변화

시켰을 때 맺힌 상을 관찰하여 초점심도가 변화하는 것을 관찰하였다. 그 결과 핀

홀 구경의 크기가 1 일 때 초점상에 있는 거리 즉, 초점심도가 깊다는 것을 관

찰을 통해 알 수 있었고, 구경의 크기가 커짐에 따라 초점심도가 점점 얕아진다.

- 28 -

광원과

렌즈사이

거리

핀홀이 없을 때

핀홀 구경의 크기

5 3 1

21

23

25

27

29

31

33

35

37

39

41

43

- 29 -

표 Ⅳ-5. 핀홀 구경의 크기(φ=7, 9, 11)와 광원과 렌즈 사이의 거리에 따른 상

- 30 -

- 31 -

6. 눈모형의 모듈 개발 및 현장 적용

7차 교육과정을 살펴보면 표 Ⅳ-6과 같다. 따라서 개발한 눈모형을 통한 빛의 성

질 고찰은 지속적으로 연계해서 활용할 수 있을 것이다.

학년 교과목 단원명

3학년 과학 빛의 나아감

5학년 과학 거울과 렌즈

7학년 과학 빛

8학년 과학 자극과 반응

11학년 과학 자극과 반응

12학년 과학 파동과 입자

표 Ⅳ-6. 7차 교육과정의 빛 관련 단원 분석표

개발한 능동적인 눈모형을 학생들과 함께 수업에 적용해 봄으로써 교육적 활용가

치를 높이고자 하였다. 개발한 눈모형 모듈은 동료교사 3인과 교육전문가 1명에게

타당도를 검증받았다. 타당도 결과 5단계의 리커트 척도에서 4.18로 내용타당도 측

면에서 83.6%의 긍정적인 반응이었다.

- 32 -

모듈 제목 타당도

물체를 보려면 무엇이 필요할까요? 4.4

초점을 잡아라! 4.3

렌즈의 세상 4.3

더 잘 보이게 하려면? 4.0

핀홀 안경의 원리는? 3.9

계 4.18

표 Ⅳ-7. 모듈의 타당도 검증 결과

눈모형의 탐구실험에서 학생들은 눈모형에 대해 많이 친근해 하며, 실제로 ‘본다

는 것’에 대해 많은 관심을 보였다. 특히 Mc Dermott(1987)등에 의한 연구결과에서

와 같이 학생들은 ‘더 잘 보이게 하려면?’의 모듈에서 전구의 일부를 반을 손으로

가릴 경우 망막에 맺히는 상이 어떻게 될 것인가라는 질문에 대해 100% 상이 반으

로 가려질 것이라고 응답하였다. 따라서 이러한 오개념을 수정하는 데에 핀홀 안경

을 이용한 모듈의 수업이 많은 도움이 될 것으로 본다.

그림 Ⅳ-14. 눈모형 모듈 현장 수업장면

- 33 -

그림Ⅳ-15. 눈모형을 활용한 모듈 학습지

- 34 -

V. 전망 및 활용성

본 연구에서는 초점가변렌즈의 능동적인 눈모형을 개발하고 이것을 활용하여

빛의 성질을 고찰하였다. 또한 개발한 눈모형을 활용하여 핀홀 안경(Pinhole

Glasses)의 원리를 탐구해 보고, 이러한 과정을 교육적으로 활용할 수 있는 방안에

대하여 알아보았다.

학교현장에서 다루어지고 있는 렌즈는 정형화된 볼록렌즈나 오목렌즈로 학생들이

사물을 들여다보거나 광원을 이용해 스크린에 맺힌 상을 관찰하게 된다. 하지만 본

연구에서 제작한 초점가변렌즈를 사용하여 초점을 변화시켜감에 따라 렌즈의 종류

나 두께에 의해 빛이 어떻게 굴절이 일어나게 되는 지 그 과정을 망막에 맺힌 상으

로 관찰할 수 있을 뿐만 아니라 눈모형 Ⅱ를 통해 빛의 경로를 직접 눈으로 확인할

수 있다. 이러한 점에서 학생들이 빛의 성질을 이해하는 데 많은 도움을 줄 수 있

으리라 본다. 또한 근시안이나 원시안을 교정하기 위해 렌즈를 사용하게 되는 데

이러한 과정을 초점가변렌즈를 사용함으로써 주사기에 물을 주입하거나 빼 냄에 따

라, 학생들이 직접 오목렌즈와 볼록렌즈가 되게 해 봄으로써 그 기능도 충분히 학

습할 수 있을 것이다.

또한 일상생활에서 눈을 찌푸리면 다소 초점이 잡히게 되는 과정을 핀홀을 이용

하여 현상학적으로 관찰가능하며, 이러한 점을 착안하여 개발된 핀홀 안경의 원리

를 학습할 수 있을 것이다.

본 연구에서 수행한 결과물들은 국민공통기본과정 7학년인 중학교 1학년 학생들

의 빛단원 뿐 만 아니라 초등학교의 빛과 관련된 단원에서도 학생들의 흥미와 호기

심을 이끌어 내는 데 좋은 효과를 발휘할 수 있을 것이며, 무엇보다 중요한 것은

우리가 일상에서 늘 ‘본다는 것’에 대해 많은 이해를 도울 수 있을 것이다. 또한 개

발한 능동적인 눈모형은 초등학교와 중학교의 현장수업에서 키트로 제작된다면 좋

은 수업교재로 활용할 수 있을 것이다.

- 35 -

참 고 문 헌

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학생용 학습지

- 37 -

1. 교실 중앙에서 칠판을 향해 레이저 포인터를 비추고 빛의 모양을 관찰한

다. 어떻게 보이는가?

2. 레이저 포인터의 빛을 보려면 어떻게 하면 좋을까?

★ 광학대 위에 설치되어 있는 눈모형으로 다음 실험을 수행한다.

3. 다음 상황을 예상해보자.

1). LED광원을 켜지 않은 상태에서 눈모형의 망막에 상이 맺힐까?

2). LED광원을 켜고 눈모형의 초점가변렌즈를 제거한 상태에서 망막에 상이

맺힐까?

3). LED광원을 켜고 눈모형의 초점가변렌즈를 끼운 상태에서 망막의 스크린

을 제거한다면 망막에 상이 맺힐까?

4. 3의 1), 2), 3) 상황을 직접 실험을 통해 관찰해 보자.

5. 우리가 물체를 보기 위해서는 무엇이 필요한가?

6. 교실의 시계를 보기까지의 경로를 예상해서 나타내 보자.

월 일 학년 반 조 이름 :

물체를 보려면 무엇이 필요할까요?

준비물 : 눈모형, LED광원, 레이저 포인트 광원, 광학대, 분무기

학생용 학습지

- 38 -

7. LED광원을 켜서 눈모형을 보면서 빛의 경로를 나타내 보자.

8. 레이저 광원을 켜서 눈모형을 보면서 빛의 경로를 나타내 보자.

9. 위의 6번에서 예상한 결과가 틀렸을 경우 올바른 빛의 경로를 나타내 보

자.

학생용 학습지

- 39 -

1.LED광원을 보고 눈모형의 망막에 어떤 상이 맺힐 지 예상해서 기록해 보

자.

★ LED광원을 켜서 눈모형의 망막에 정확한 상이 맺히도록 초점가변렌즈를

조절해 보자.

2. 어떤 모양의 상이 맺혔는가? 예상한 것과 일치하는 가?

3. 초점이 잡힌 상태에서 눈모형의 위치를 광원 가까이 가져 갔을 때와 멀리

가져갔을 때 망막에 맺힌 상은 어떻게 달라질까? 예상해 보자.

4. 3번에서 예상한 것을 실험을 통해 확인해 보자. 왜 그렇다고 생각하는가?

5. 이번에는 눈모형을 그대로 두고 LED광원을 멀리 했을 때와 가까이 가져

갔을 때 망막에 맺힌 상은 어떻게 달라질까? 예상해 보자.

6. 5번에서 예상한 것을 실험을 통해 확인해 보자. 왜 그렇다고 생각하는

가?

월 일 학년 반 조 이름 :

초점을 잡아라!

준비물 : 눈모형, LED광원, 레이저 포인트 광원, 광학대

학생용 학습지

- 40 -

광원에 가까이 가져

갔을 때

광원으로부터 멀리

가져 갔을 때

초점가변렌즈의 물의

출입 여부

초점가변렌즈의 모양

7. 눈모형을 LED광원 가까이 가져 갔을 때와 멀리 가져 갔을 때 초점가변렌

즈를 이용하여 망막에 정확한 상이 맺히도록 조절해 보자.

8. 우리 눈에서 초점가변렌즈처럼 수정체의 두께를 조절할 수 있는 것은 무

엇일까?

학생용 학습지

- 41 -

월 일 학년 반 조 이름 :

렌즈의 세상

준비물 : 눈모형, LED광원, 레이저 포인트 광원, 오목렌즈, 볼록렌즈, 광학대

학생용 학습지

- 42 -

1. LED광원에서 눈모형의 망막에 정확한 상이 맺히도록 초점가변렌즈를 조절

하자. 이 때 LED광원을 레이저빛이 나오는 광원으로 대체했을 때 달라지는

것이 무엇인가?

2. 눈모형을 광원 가까이 가져갔을 때 예상되는 빛의 경로를 그려보자.

3. 실제 실험결과 빛의 경로를 2번의 눈모형에 그려보자.

4. 초점가변렌즈로 망막에서 세 개의 빛이 모이도록(즉, 초점이 잡히도록) 조

절해 보자. 이 때 빛의 경로가 어떻게 바뀌는 가를 관찰하자.

5. 눈모형을 광원으로부터 멀리 가져갔을 때 예상되는 빛의 경로를 그려보자.

4. 실제 실험결과 빛의 경로를 5번의 눈모형에 그려보자.

6. 초점가변렌즈로 망막에서 세 개의 빛이 모이도록(즉, 초점이 잡히도록) 조

절해 보자. 이 때 빛의 경로가 어떻게 바뀌는 가를 관찰하자.

월 일 학년 반 조 이름 :

더 잘 보이게 하려면?

준비물 : 눈모형, LED광원, 레이저 포인트 광원, 오목렌즈, 볼록렌즈, 광학대

학생용 학습지

- 43 -

1. LED광원에서 눈모형의 망막에 정확한 상이 맺히도록 초점가변렌즈를 조절

한 뒤 눈모형을 광원 가까이에 가져가 보자. 이 때 오목렌즈와 볼록렌즈를 눈

모형 앞에 가져가 보자. 망막에 맺히는 상은 어떻게 달라지는가?

2. 광원을 레이저빛으로 대체한 뒤 오목렌즈와 볼록렌즈를 제거했을 때와 있

을 때 눈모형 안(유리체)에서 빛의 경로가 어떻게 달라지는가?

3. 이로부터 원시안의 시력 교정 원리가 무엇인지 설명해 보자.

4. 눈모형을 광원으로부터 멀리 가져가 보자. 이 때 오목렌즈와 볼록렌즈를

눈모형 앞에 가져가 보자. 어떻게 되는가?

5. 광원을 레이저빛으로 대체한 뒤 오목렌즈와 볼록렌즈를 제거했을 때와 있

을 때 눈모형 안(유리체)에서 빛의 경로가 어떻게 달라지는가?

6. 이로부터 근시안의 시력 교정 원리가 무엇인지 설명해 보자.

월 일 학년 반 조 이름 :

핀홀 안경의 원리는?

준비물 : 눈모형, LED광원, 레이저 포인트 광원, 핀홀 안경, 핀홀

학생용 학습지

- 44 -

1. 안경을 낀 학생(근시안) 중 한명이 핀홀 안경을 끼고 글씨나 사물을 관찰

해 보자. 어떻게 보이는가?

2. LED광원을 사용하여 눈모형의 렌즈 절반을 가릴 경우 망막에 어떻게 보일

지 예상하여 그려보자.

3. 직접 실험을 통해 관찰하자. 어떻게 보이는가?

4. 망막에 맺힌 상이 선명하게 맺히게 한 뒤 광원으로부터 멀리 눈모형을 가

져간 뒤 눈모형과 광원 사이에 핀홀을 놓자. hole의 사이즈를 크게 했을 때와

작게 했을 때 망막에 맺힌 상을 관찰해 보자. 어떻게 변하는 가?

5. 원시안을 가진 학생이 없을 경우 볼록렌즈를 눈 가까이에 가져 간 뒤 핀

홀 안경을 끼고 글씨나 사물을 관찰해 보자. 어떻게 보이는가?

6. 망막에 맺힌 상이 선명하게 맺히게 한 뒤 광원으로부터 가까이 눈모형을

가져간 뒤 눈모형과 광원 사이에 핀홀을 놓자. hole의 사이즈를 크게 했을 때

와 작게 했을 때 망막에 맺힌 상을 관찰해 보자. 어떻게 변하는 가?

7. 초점이 맞는 상황에서 눈모형을 광원 가까이 가져 갔을 때와 멀리 가져

갔을 때 모두 잘 보이는 것은 무엇때문일까? 핀홀의 hole 사이즈와의 관련성

으로 설명해 보자.

학생용 학습지

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8. 다음 그림을 실험했던 상황과 관련지어 설명해 보자.

망막

(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(I)(j)(k)(l)(m)

9. 8번의 그림에서 초점이 잘 잡히려면 어느 빛들을 가려야 할까?