역학과 에너지 · 탄성파와 소리

탄성파의 투과와 반사

매질 경계에서 입사파가 반사파와 투과파로 나뉘는 모습을 비교하고, 위상 변화가 언제 뒤집히는지 한 화면에서 탐구해 보세요.

위상 표시 입사 ↑ 반사 ↑ 투과 ↑

학습 가이드

파동이 서로 다른 매질의 경계면에 도달하면 일부는 반사되고 일부는 투과됩니다. 소한→밀한 매질로 진행할 때 반사파의 위상이 반전되고, 밀한→소한으로 진행할 때는 위상이 보존됩니다. 투과 과정에서는 진동수는 유지되지만 파장은 매질 속력에 따라 변화합니다.

탐구 질문

고정단에서 반사된 파동의 위상이 반전되는 까닭을 작용 반작용으로 설명해 보세요.
초음파 검진에서 조직 경계면이 뚜렷할수록 이미지가 선명한 까닭은 무엇인가요?
파동이 매질 경계를 통과할 때 변하는 물리량과 변하지 않는 물리량은 각각 무엇인가요?

실생활 예시

태아 초음파 검진과 조직 경계 반사
소나(SONAR)를 이용한 수중 거리 측정
금속 내부 균열을 찾는 비파괴 검사
지진파 반사를 이용한 지구 내부 구조 추정
박쥐의 반향 정위와 음파 분석

교과서 연계

역학과 에너지 III편 p100~107 - 탄성파의 전파, 경계면에서의 투과와 반사, 반사파의 위상 변화

🔊 탄성파의 투과와 반사

경우밀한→소한

입사파A_i = 0.80, f = 1.00 Hz

반사파A_r = 0.27 (반사율 11.1%)

투과파A_t = 0.76 (투과율 88.9%)

위상 변화
밀한→소한: 반사파 위상 보존
소한→밀한: 반사파 위상 반전

에너지 보존
입사 = 반사 + 투과

경계면에서 진동수 f는 변하지 않고, 파장 λ = v / f는 매질의 파동 속력에 따라 바뀝니다.

매질 속력v₁ = 3.11 m/s, v₂ = 4.40 m/s

파장λ₁ = 3.11 m, λ₂ = 4.40 m

초음파 응용

초음파는 경계면에서 반사되는 시간을 분석해 내부 구조를 추정합니다. 오른쪽 위 3D 다이어그램은 대표 활용 예시를 단순화한 것입니다.

태아 초음파: 조직 경계 반사를 영상으로 바꿔 태아의 모습을 확인합니다.
소나: 음파를 쏘고 되돌아오는 시간을 이용해 잠수함, 어군, 해저 지형까지의 거리를 잽니다.
비파괴 검사: 금속 내부 결함에서 반사된 파동으로 균열 위치를 찾습니다.

에너지 막대

입사 에너지 100%가 반사와 투과로 나뉘며, 매질 차이가 커질수록 반사 비율이 커집니다.

입사100%

반사11.1%

투과88.9%