전자레인지 내부의 전자기파를 이용한 빛의 속력 측정 실험

전자레인지는 음식 속 물 분자를 진동시키는 마이크로파(전자기파)를 이용해 가열하는 기기입니다. 흥미롭게도 이 마이크로파의 파장을 활용하면 빛의 속력(c)을 간단한 실험으로 측정할 수 있습니다. 이번 실험에서는 전자레인지 내부에서 발생하는 정재파(standing wave)를 이용해 마이크로파의 파장을 측정하고, 주파수를 곱해 빛의 속력을 직접 구해보는 방법을 소개합니다.

1. 실험 목표

- 전자레인지 내부에서 형성되는 마이크로파의 정재파 패턴을 이용해 파장을 측정한다.
- 전자기파의 속력 공식 $c = \lambda f$을 활용하여 빛의 속력을 추정한다.
- 실생활 기기를 활용한 창의적인 물리 실험을 경험한다.

2. 실험 준비물

• 전자레인지 (회전판 제거 가능 모델 권장)

• 마시멜로 또는 슬라이스 치즈, 초콜릿 등 쉽게 녹는 음식

• 자 또는 줄자 (mm 단위 측정 가능)

• 계산기 또는 스마트폰

3. 실험 원리

전자레인지 내부에서는 마이크로파가 벽에 반사되어 정재파를 형성합니다. 회전판이 없으면 특정 위치에만 열이 집중되는데, 이 위치는 파장의 절반 간격마다 반복됩니다. 이 간격을 측정하면 마이크로파의 파장 λ를 구할 수 있습니다.

전자기파의 속도는 다음 공식으로 계산할 수 있습니다:

$$c = \lambda \cdot f$$

여기서,

• $c$: 빛의 속력 (m/s)
• $\lambda$: 파장 (m)
• $f$: 주파수 (Hz, 전자레인지에 표시되어 있음)

4. 실험 방법

Step 1: 전자레인지의 회전판을 제거합니다 (정재파 관찰을 위해 고정 필요).

Step 2: 접시에 마시멜로 또는 슬라이스 치즈를 넓게 펴서 전자레인지에 넣습니다.

Step 3: 약 10초 정도만 가열하여, 부분적으로 녹는 지점을 확인합니다 (너무 오래 가열하면 전부 녹아버림).

Step 4: 가장 많이 녹은 지점과 그 다음으로 많이 녹은 지점 사이의 거리를 측정합니다. 이 간격은 파장의 절반(λ/2)입니다.

Step 5: 이 값을 2배 하여 파장 λ를 구합니다.

Step 6: 전자레인지 내부에 표시된 주파수(예: 2.45 GHz = 2.45 × 10⁹ Hz)를 확인합니다.

Step 7: 다음 공식을 이용해 빛의 속력을 계산합니다: $$c = \lambda \cdot f$$

5. 예시 계산

• 녹은 지점 간 거리 = 6.0 cm = 0.06 m → 파장 $\lambda = 0.12\, \text{m}$

• 전자레인지 주파수 $f = 2.45 \times 10^9\, \text{Hz}$

• 빛의 속력: $$c = 0.12 \times 2.45 \times 10^9 = 2.94 \times 10^8\, \text{m/s}$$

• 실제 빛의 속력은 약 $3.00 \times 10^8\, \text{m/s}$이므로 오차가 매우 작습니다!

6. 실험 팁

• 회전판이 계속 움직이면 정재파가 퍼져버려 측정이 어렵습니다. 반드시 고정하세요.

• 열이 강하게 집중된 부분이 곧 마이크로파의 마디(파장 절반 간격)입니다.

• 마시멜로는 팽창하고 모양이 변형되므로, 치즈처럼 평평한 재료가 더 정확합니다.

결론

전자레인지를 활용한 이 실험은 복잡한 장비 없이도 전자기파의 특성과 빛의 속도를 직접 측정해볼 수 있는 창의적인 활동입니다. 마이크로파가 일정한 파장을 가지며 공간 내에 정재파를 만들고, 이 물리적 현상을 통해 파장을 계산하고, 빛의 속력까지 추론할 수 있습니다.

실생활 속 기기를 활용한 본 실험은 과학의 원리를 생활과 연결해주는 매우 효과적인 STEAM 교육 사례입니다. 안전에 유의하며 실험을 반복해보고, 다른 주파수의 전자기파와 비교 실험으로 확장해 보는 것도 좋습니다.