렌즈와 상

1. 개요

렌즈와 상이란 렌즈나 거울이 빛의 경로를 휘어 한곳에 모으거나 흩뜨려 물체의 모습, 곧 상을 만들어 내는 원리를 가리킨다. 렌즈는 빛의 굴절을, 거울은 반사를 이용해 이 일을 해낸다. 상을 맺는 이 원리는 빛이 매질 경계에서 갈라지는 반사와 굴절에서 출발하며, 파장에 따라 색이 나뉘는 빛의 분산과 색, 빛의 파동성이 드러나는 빛의 간섭과 회절과 더불어 광학 지문의 한 축을 이룬다. 렌즈와 상에서 가장 조심할 대목은 실상과 허상의 구분인데, 이 둘을 가르는 물음과 상의 종류를 정하는 변수 관계가 이 개념의 심장이다.

2. 상세

2.1. 렌즈와 거울, 빛을 모으고 흩는 짝

렌즈는 빛을 굴절시켜, 거울은 빛을 반사시켜 그 경로를 바꾼다. 이때 빛을 한곳으로 모으는 쪽과 넓게 퍼뜨리는 쪽이 나뉜다. 볼록 렌즈와 오목 거울이 빛을 모으는 짝을 이루고, 오목 렌즈와 볼록 거울이 빛을 퍼뜨리는 짝을 이룬다. 원리는 굴절과 반사로 서로 다르지만, 상을 만드는 역할에서는 이렇게 둘씩 짝지어 대응한다.

2.2. 실상과 허상 — 빛이 진짜 모였는가

상은 크게 실상과 허상으로 갈린다. 빛이 정말로 한 점에 모여 생긴 상이 실상이고, 빛이 실제로는 모이지 않았는데 퍼져 나가는 빛줄기의 연장선이 한 점에서 만나는 것처럼 보여 생긴 상이 허상이다. 둘을 가르는 물음은 '빛이 그 자리에 실제로 모였는가'다. 실상은 스크린에 맺어 볼 수 있고 위아래가 뒤집힌 도립으로 나타나며, 허상은 스크린에는 잡히지 않지만 눈으로는 또렷이 보이고 똑바로 선 정립으로 나타난다. 그래서 '허상은 눈에 보이지 않는다'는 생각은 틀렸다.

2.3. 상의 종류를 정하는 변수

어떤 상이 맺힐지는 렌즈나 거울의 종류만으로 정해지지 않는다. 물체가 초점보다 안쪽에 있는지 바깥쪽에 있는지가 함께 작용한다. 볼록 렌즈를 예로 들어 보자. 물체가 초점보다 멀리 있을 때는 위아래가 뒤집힌 실상이 맺히고, 물체가 초점보다 가까이 있을 때는 크게 확대된 정립 허상이 맺힌다. 돋보기로 글자를 키워 볼 때가 바로 뒤의 경우다. 반면 오목 렌즈는 물체가 어디에 놓이든 정립 허상만 만든다. 같은 렌즈라도 물체 거리와 초점 거리의 대소에 따라 상이 달라진다는 점이 이 변수 관계의 핵심이다.

3. 수능에서는 이렇게 나온다

평가원은 렌즈와 상을 상 판별 조건형으로 묻는다. 물체 거리와 초점 거리의 대소, 그리고 렌즈나 거울의 종류를 제시한 뒤, 그 조건에서 맺히는 상이 실제로 빛이 모인 실상인지 연장선이 만든 허상인지, 바로 선 정립인지 거꾸로 선 도립인지, 스크린에 받아 낼 수 있는지를 하나씩 판정하게 하는 방식이다. 이 유형에서 함정은 실상과 허상의 성질을 서로 맞바꾸거나, 볼록 렌즈라는 조건만 보고 상을 실상이라 단정하도록 유도하는 선지에 놓인다. 조건을 끝까지 확인했는지가 정답과 오답을 가른다. 구체적인 출제 이력은 아래 위젯을 참조하라.

4. 헷갈리기 쉬운 것들

흔한 오해	왜 어긋났나	바르게 이해하기
허상은 실제가 아니어서 눈에도 잡히지 않는다	빛이 한 점에 모이지 않아 스크린에는 받아 낼 수 없을 뿐, 눈은 벌어져 나가는 빛줄기를 거꾸로 이어 그 상을 알아본다	안경을 낀 채 보는 바깥 풍경, 돋보기로 키운 글씨, 거울에 비친 얼굴이 다 눈에 보이는 허상이다
볼록 렌즈는 빛을 모으니 실상만 맺는다	상이 실상이냐 허상이냐는 렌즈 모양이 아니라 물체가 초점 안쪽인지 바깥쪽인지로 갈린다	물체를 초점 안쪽에 들이면 같은 볼록 렌즈도 확대된 정립 허상을 맺는다
실상은 똑바로, 허상은 뒤집혀 보인다	방향이 거꾸로다. 실상이 도립, 허상이 정립이다	스크린에 맺히는 실상은 상하가 뒤집히고, 눈으로 보는 허상은 바로 선다

5. 관련 개념

• 반사와 굴절 — 렌즈의 굴절과 거울의 반사가 상을 맺는 바탕이 되는 원리
• 빛의 분산과 색 — 빛을 굴절시킨다는 점에서 분산과 굴절이라는 뿌리를 함께 나눈다
• 빛의 간섭과 회절 — 상 맺힘과는 다른 각도에서, 빛의 파동성을 드러내는 이웃 현상