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11.Propagataion of Light (5) - Fermat's Principle (최소 시간의 원리) 1657년, Fermat은 Principle of least time - 최소시간의 원리 라는 기념비적인 원리를 발표한다. 최소 시간의 원리는 말 그대로 공간적으로 떨어진 두 점을 빛이 지나갈 때, 빛의 경로는 가장 짧은 시간이 걸리는 경로로 진행한다는 것이다. 사실 Fermat 이전에도 이와 비슷한 시도가 있었다. 1세기경 고대 이집트 알렉산드리아에 살았던 헤론(Hero)은 두 지점을 지나가는 빛이 최단 거리의 경로를 통과하여 지나간다고 했다. 그는 이를 이용해 반사법칙을 설명했지만, 굴절법칙은 설명하지 못했다. 하지만 Fermat은 최소 시간의 원리를 이용해 빛의 굴절법칙 또한 증명해냈다. 위 그림을 보자. 그림에서 빛은 각각 매질의 굴절률이 $n_1$과 $n_2$인 두 지점 A와 B를 굴절하며 통과..
Tistory 게시글에 Plotly 그래프 삽입하기. 먼저 스킨편집에 들어가 게시글의 head에 를 삽입한다. 다음 글을 쓰고 html 모드로 들어가 다음 코드를 삽입하고, 그래프의 json을 삽입해준다. 출처 : https://mizykk.tistory.com/50
자유 낙하 운동 오늘은 기본적인 자유 낙하 운동을 기술해보려고 한다. 질량이 $m$ 인 물체를 지구 상공 어딘가 높은 곳에서 떨어뜨린다고 생각해보자. 이 때 공기저항은 속도에 비례한다. 따라서, $$ F= ma = mg - kv $$ 여기서 k는 상수이고, 우리는 가속도 $a$가 속도 $v$의 시간미분임을 잘 알고 있다. $$ m\frac{dv}{dt} = mg -kv \\ \frac{dv}{mg-kv} = \frac{dt}{m}$$ 양 변 적분해주면, $$ -\frac{1}{k} ln(mg-kv) =\frac{1}{m} t + C \\ mg-kv = e^{-\frac{k}{m} t+C} \\ \therefore v= \frac{1}{k} (mg-e^{-\frac{k}{m}t+C}) $$ 그러므로 시간이 충분히 지나 $..
주사위 n개를 10,000번 굴린 합은 어떤 분포를 보일까? 이번 게시글에서는 6면체 주사위 n 개를 던져 그 합의 분포를 구하는 실험을 10,000번 시행해보고자 한다. 손으로 던질껀 아니고, Python을 통해 시뮬레이션 해 볼 예정이다. 이론적으로 면이 6개인 단일 주사위를 한 번 던졌을 때 기대값은 $\frac{1+2+3+4+5+6}{6} = \frac{7}{2}$이다. 확률이 $p$인 사건을 $n$번 시행하여 사건 발생 횟수에 따른 확률을 구하면, 그것을 확률 $p$, 시행횟수$n$인 이항분포라고 정의하고 $B(n,p)$로 표현하며, 평균은 $np$, 분산은 $np(1-p)$임이 잘 알려져 있다. 1개 6면체 주사위를 던졌을 때 평균이 $np = \frac{7}{2}$ 이고, 확률은 $\frac{1}{6} $이므로, 분산은 $\frac{7}{2} (1-\..
에너지가 양자화 되지 않는다면, Eigenfunction은 어떻게 될까? 이번 게시글에서는 만약 에너지가 양자화되지 않는다면, eigenfunction은 어떻게 될지 numerical하게 알아본다. 1차원 공간에서 질량이 $m$인 물체가 spring constant $k$에 메달려있다고 가정하자. 이 물체의 운동은 Hooke's law에 의해 표현된다. $$ F= m \frac{d^2x}{dt^2} $$ 이 이차 미분방정식의 일반해는 $$ x(t) = A sin(\omega t) + Bcos(\omega t) $$ $$ where \quad \omega \equiv \sqrt{\frac{k}{m}} $$ 이고, Potential energy는, $$ V(x) = \frac{1}{2} kx^2 $$ 이다. Potential energy는 Parabolic한 형태다. 따라서, $..
10. Propagation of Light (4) - Refraction 이번 게시글에서는 굴절 (Refraction)에 대해서 알아본다. 빛이 굴절률 $n$이 다른 매질을 지날 때, 일부 빛은 반사되지만 대부분의 양은 그대로 진행한다. 이 때 진행방향이 틀어지는데 이것을 굴절이라고 정의한다. 기하학적으로 보면 매질을 지나면서 같은 파면에서 먼저 매질을 지나는 쪽과 나중에 지나는 쪽이 생기고 이로 인해 파동 속도가 달라진다. 상대적으로 파동속도가 느린, 먼저 입사한 쪽으로 꺽인다. 즉, 굴절은 파동의 속도가 매질에 따라 달라지게 되어 나타나는 현상이다. 조금 더 근본적으로는, 빛이 다른 매질로 진행하면서 각 원자에서 재방출된 전자기파의 중첩이 원래 매질과 달라지게 되어 진행방향이 꺽이는 것이다. 빛이 굴절률이 다른 매질을 통과하게 되면 빛의 진행 방향이 달라지고, 빔의 단면이..
9. Propagation of Light (3) - Reflection (반사) Reflection, '반사'라는 현상은 우리에게 아주 익숙하다. 어린 아이들도 빛이 유리같은 투명한 물질의 경계에서 다시 되돌아 오는 것이 반사라는 것을 경험적으로 알고있다. 이번 게시글에서는 Reflection을 조금 더 물리적으로 알아본다. Propagation of Light라는 주제로 매질에서 빛이 진행하면서 발생하는 다양한 상호작용을 알아보고 있다. 빛이 진행하며 매질 내 원자와 만나 scattering이 발생하고, 각 원자는 새로운 점광원이 되어 전자기파를 재방출한다. 이 때 재방출된 전자기파들은 공간적으로 중첩이 일어나는데, 같은 매질 내에서 진행방향으로는 보강간섭, 반대방향으로는 소멸간섭을 일으키며 원래 입사된 전자기파의 방향을 유지하며 진행한다. 이것이 바로 앞서 살펴본 호이겐스 원리이..
8. Propagation of Light (2) - Forced harmonic oscillator 이전 6. Electromagnetic Theory (4) - 유전체에서 진행하는 빛 게시글에서 전자가 shift될 때, 복원력을 고려해서 Simple harmonic oscillator 모델로 1차원 공간에서 dipole moment의 이격거리를 구해보았다. 전자는 양성자에 약 $10^12 N/C$으로 묶여 있는데, 밖에서 들어오는 전자기장의 단위는 대략 $10^3~10^5 N/C$으로 들어오기 때문에 변위가 매우 작다. 그래서 조금 움직여봐야 제자리로 돌아오기 때문에 harmonic oscillator 모델은 적합하다고 볼 수 있다. 그런데, 전자는 질량을 가지고 있기 때문에 관성이 발생하고, 따라서 진동하는 전자에 의해 생성되는 두번째 전자기파(secondary wave)는 외부에서 들어오는 전자기..