제 19 회

전국학생과학발명품경진대회

(1997년도)

(학습용품 분야)

조합 렌즈를 사용한

망원경 원리 설명기

출 품 자 : 김 경 빈

충청남도 천안시 천안쌍용초등학교 6학년

지도교사 : 남 현 옥

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목 차

1. 서 론

A. 제작 동기

B. 제작 목적

2. 이론 탐구

A. 렌즈

B. 망원경

C. 실험에 의한 원리 발견

3. 작품 제작 과정

A. 1차 작품

B. 2차 작품

C. 3차 완성 작품

4. 작품 내용

A. 케플러식 망원경

B. 갈릴레이식 망원경

5. 두 망원경의 비교

6. 결 론

A. 작품의 우수성

B. 기대 효과

참고 문헌

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1. 서 론

A. 제작 동기

망원경으로 물체를 관찰하였는데 상이 거꾸로 보였고 먼 거리에 있는 알아볼 수

없는 광고판의 글씨가 크고 선명하게 보였으며, 쌍안경으로 물체를 보았을 땐 바르

게 보였다. 망원경과 쌍안경 속의 구조는 어떻게 되어 있을까? 왜 물체가 실제보다

크게 보일까? 이러한 궁금증을 풀고 싶었지만 값비싼 망원경과 쌍안경을 분해할 수

는 없었다. 망원경은 주변에서 자주 볼 수 있는 기구이지만 망원경의 원리를 이해

하기는 쉽지 않았다. 그래서 세계대백과 사전을 찾게 되었고, 거기에 간단하게 망원

경의 원리가 설명되어 있었다. 이러한 기본 원리를 이용하여 망원경의 내부를 보여

줄 수 있는 설명기의 제작을 계획하게 되었다.

B. 제작 목적

본 설명기를 제작하는데 있어, 무엇보다도 망원경의 내부 구조와 배율 조절의 원

리를 시각적으로 쉽게 파악함은 물론, 사용자가 직접 조작하며 사용할 수 있도록

다음과 같은 것에 목적을 두었다.

1. 두 종류의 망원경(케플러식, 갈릴레이식)을 제작한다.

2. 배율 조절을 위해 접안렌즈를 여러개 겹쳐 낄 수 있도록(조합) 조합렌즈홈을

외부경통 내장한다.

3. 접안렌즈를 여러개 겹칠수록 상의 크기가 변하는 것을 관찰한다.

4. 망원경의 내부 구조를 들여다볼 수 있도록 한다.

5. 학생이 직접 조작하며 사용할 수 있도록 경통과 렌즈의 결합이 간편하게 한다.

6. 거꾸로 보일 때(도립상)와 바로 보일 때(정립상)의 대물-접안렌즈의 결합 상태

를 알아본다.

7. 케플러식과 갈릴레이식 망원경의 접안렌즈를 여러개 조합할수록 두 경통의 사

이의 길이가 어떻게 변하는지 관찰한다.

8. 두 종류의 망원경의 특성을 비교해 본다.

9. 기존 망원경 보다 본 망원경 설명기의 우수성을 알아본다.

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Ⅱ. 이론 탐구

A. 렌 즈

광학 기계에서 가장 중요한 작용을 하는 것이 렌즈이다. 렌즈는 공기보다 굴절률

이 크고 양쪽 또는 한쪽 면이 구면으로 되어 있는 투명체를 말한다.

1. 볼록렌즈

가장자리보다 중앙 부분이 두꺼운 렌즈로, 렌즈 축에 평행하게 통과한 광선은

그림Ⅱ-1과 같이 한점에 모인다. 이 점을 렌즈의 초점이라고 한다.

2. 오목렌즈

가장자리보다 중앙 부분이 얇은 렌즈로, 이 렌즈 축에 평행하게 통과한 광선은

그림Ⅱ-2와 같이 발산하게 된다. 발산 광선을 진행 방향과 반대 방향으로 연장하

면 한 점에 모이는데 이 점을 허초점이라고 한다.

3. 렌즈에 의해 보이는 물체 모양

a. 가까운 물체를 볼 때

볼록렌즈는 크게 보이고, 오목렌즈는 작게 보인다.

b. 먼 물체를 볼 때

볼록렌즈는 작고 거꾸로 보이며, 오목렌즈는 작고 바르게 보인다.

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B. 망원경

1. 망원경의 원리

대물 볼록렌즈에 의해서 맺힌 상을 접안렌즈로 확대해서 보는 것이며, 대물렌즈

의 초점거리가 길수록 큰상을 맺기 때문에 배율을 크게 할 수 있으며, 접안렌즈

는 초점거리가 짧을수록 확대율이 높아 큰상을 볼 수 있다. 따라서 망원경의 배

율은 접안렌즈의 교환에 의해 변화시킬 수 있으며, 상을 밝게 하기 위해서는 큰

대물렌즈를 써야 한다.

2. 망원경의 종류

망원경에는 크게 나누어 렌즈를 사용하여 만든 굴절 망원경과 반사경을 사용한

반사 망원경이 있다. 다시 굴절 망원경은 케플러식 망원경과 갈릴레이식 망원경

으로 나누어진다.

a. 케플러식 망원경

대물렌즈와 접안렌즈에 볼록렌즈를 사용한 망원경을 말한다. 이때 대물렌즈는

초점거리가 길고 구경이 크며 물체의 도립 실상(거꾸로 보임)을 만들고, 접안렌

즈는 이 상을 허상으로 확대하는 역할을 한다. 시야는 넓고 천체망원경으로 많

이 쓰인다.

b. 갈릴레이식 망원경

대물렌즈를 볼록렌즈로, 접안렌즈를 오목렌즈로 사용한 망원경으로 정립상(바

로 보임)을 볼 수 있으나, 시야가 좁고 고배율을 얻기 어렵다. 저배율의 소형

오페라 글라스(관람용 작은 쌍안경) 외에는 거의 사용하지 않는다.

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c. 실험에 의한 원리 발견(배율)

그림Ⅱ-1, Ⅱ-2에서 보는 것처럼, 광선은 렌즈의 두꺼운 쪽으로 굴절하는 것

을 볼 수 있었으며, 또한 기존 천체망원경의 경우 배율을 높이기 위해 저배율

의 접안렌즈(아이피스)를 고배율의 렌즈로 바꾸어 끼운다는 사실을 알았다. 이

같은 사실에서 착안, 볼록렌즈 또는 오목렌즈를 하나씩 겹치며 상을 보면서 어

떤 현상이 일어나는지 관찰했다. 실험 결과에서 얻을 수 있었던 것은 상이 점

점 커진다는 사실이었다. 이는 여러개 겹쳐진 렌즈는 하나일 때 보다 더 두껍

게 되어, 굴절의 각도가 더 커졌고 따라서 배율이 높아졌음을 뜻하는 것이었다.

Ⅲ. 작품 제작 과정

본 설명기는 1차, 2차의 과정을 거치며 수정 보완되어 3차 완성 작품을 제작하게

되었다.

1차 작품

➡

2차 작품

➡

3차 작품

케플러식

우유팩 망원경

하드보드지 이용

겹쳐 끼우기식 망원경

조합렌즈를 사용한

아크릴 경통망원경

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A. 1차 작품

구성소품

소품명 수량 소품명 수량빈우유팩 2개 종이컵 1개볼록렌즈 1개 랩 지관 1개

오목렌즈 1개 유리테이프 1개

작품사진

내 용

∘ 빈 우유팩을 이용, 케플러식 망원경을 만든다.

∘ 우유팩 바닥에 구멍을 만든 후, ㄱ에 접안렌즈로 40mm 볼록렌

즈를 유리테이프로 부착하고 랩 지관 ㄴ을 덧 붙인다.

∘ 다른 우유팩 바닥에 역시 구멍을 낸 후, ㄷ에 60mm 볼록렌즈

를 부착하고 종이컵 ㅁ을 덧 붙인다.

∘ 두 우유팩을 서로 끼운다.

∘ ㄴ에 눈을 대고 별자리(사물)를 본 후, 우유팩을 전후 조절하

며 초점을 맞춘다.

단 점

∘ 배율 조절이 불가능하다.

∘ 망원경의 내부를 들여다보기가 불편하다.

∘ 견고하지 않다.

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B. 2차 작품

구성소품

소 품 명 수 량 소 품 명 수 량

볼록렌즈

(직경 각기 다른)7개 하드보드지 10장

오목렌즈

(직경 각기 다른)3개 유리테이프 1개

작품사진

내 용

∘ 두 종류의 망원경(케플러식, 갈릴레이식)을 만든다.

∘ 대물렌즈로 볼록렌즈를 ㄹ, ㅁ에 부착한다.

∘ 케플러식 첫 경통 ㄱ에 접안렌즐로 볼록렌즈를 부착한다.

∘ 겹쳐진 각각의 경통 ㄴ 왼쪽 끝에도 볼록렌즈를 부착하여 속으로

겹치게 한다.

∘ 같은 방법으로 갈릴레이식을 만들되, ㄷ에 접안렌즈로 오목렌즈를

부착하여 속으로 겹치게 한다.

∘ 물체를 보며 경통 A, B를 조절하여 초점을 맞춘다.

단 점

∘ 경통의 크기를 차례대로 하여 꼭 끼워지게 해야하는 불편이 있다.

∘ 겹쳐진 렌즈끼리 충돌이 되어 마모가 발생한다.

∘ 초점 조절시 하드보드지의 접촉으로 인한 먼지가 발생하여 렌즈

가 뿌옇게 흐려진다.

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C. 3차 완성 작품

1) 케플러식 망원경

a) 작품 전체 사진

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b) 각 부품별 제작 방법

부 품 명 외 부 경 통

구성소품

소 품 명 수 량 소 품 명 수 량강력 아크릴 종이관(지관) 1개90mm볼록렌즈 5개 녹색 시트지 1장

종이컵(대) 1개 강력 접착제 1개

작품사진

제작방법

∘ 아크릴로 된 외부 경통을 만든다.

∘ 규격 : 가로 31cm, 세로 10.5cm, 높이 10.5cm

∘ ㄷ에 볼록렌즈 5개를 겹쳐 넣을 수 있는 조합렌즈홈을 만든다.

∘ 조합렌즈홈 ㄷ에 꼭 맞는 빛 차단 뚜껑을 경첩 ㄱ으로 고정한다.

∘ 랩 지관에 녹색 시트지를 붙여 접안 후두 ㄴ을 만든다.

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부 품 명 내 부 경 통

구성소품

소 품 명 수 량 소 품 명 수 량강력 아크릴 흑색 도화지 1장90mm볼록렌즈 1개 강력 접착제 1개

종이컵(대) 4개 녹색 시트지

작품사진

제작방법

∘ 아크릴로 된 내부 경통을 만든다.

∘ 규격 : 가로 23cm, 세로 10cm, 높이 9.5cm

∘ 종이컵 4개를 겹친 후 녹색시트지를 붙여 후두 ㄷ을 만들어 대물

렌즈 앞에 끼운다.

∘ 흑색 도화지를 둥글게 하여 경통 속에 내장한다.

∘ 대물 볼록렌즈를 내부 경통 끝에 있는 홈에 넣고 빛 차단 뚜껑으

로 닫는다.

2) 갈릴레이식 망원경

a) 작품 전체 사진

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b) 각 부품별 제작 방법

갈릴레이식 망원경의 부품별 제작 방법도 케플러식 망원경과 같다. 단지 경통

의 길이가 케플러식보다 짧고 외부 경통의 조합렌즈홈에 오목렌즈가 들어가기

때문에 케플러식보다 홈을 좀 더 넓게 만들어야 한다.

c) 각 부품 사진 및 규격

부품명 사 진 규 격

외

부

경

통

가로 : 15.5cm

세로 : 10.5cm

높이 : 10.5cm

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부품명 사 진 규 격

내

부

경

통

가로 : 11.0cm

세로 : 9.5cm

높이 : 9.5cm

Ⅳ. 작품 내용

A. 케플러식 망원경

작품사진

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사용방법

1. 내부경통 ㄹ 우측에 대물렌즈로 볼록렌즈 ㅁ을 끼우고 렌즈 고정

뚜껑을 닫는다.

2. 외부경통의 조합렌즈홈 ㄴ에 접안렌즈로 볼록렌즈 1개를 넣은 후,

뚜껑 ㅂ을 닫는다.

3. 눈을 ㄱ에 대고 사물을 본 후, 내부경통 ㄹ을 조절하여 초점을 맞

춘다.

4. 볼록렌즈를 1개 더 ㄴ에 겹쳐 넣고 초점을 맞춘다.

5. 이같은 요령으로 볼록렌즈를 3개, 4개, 5개식 겹쳐 넣으며 별자리

및 사물을 판단한다.

특 성

∘ 상이 거꾸로 보인다. (도립상)

∘ 조합렌즈홈 ㄴ에 볼록렌즈를 여러개 겹쳐 끼울수록 상이 점점

커진다.

∘ ㄴ에 볼록렌즈를 여러개 겹칠수록 경통 ㄹ이 ㄷ 속으로 점점 들

어가, 접안렌즈와 대물렌즈 사이의 거리가 짧아진다.

∘ 시야가 넓다.

B) 갈릴레이식 망원경

작품사진

사용방법

1. 내부경통 ㄹ 우측에 대물렌즈로 볼록렌즈 ㅁ을 끼우고 렌즈 고정

뚜껑을 닫는다.

2. 외부경통의 조합렌즈홈 ㄴ에 접안렌즈로 오목렌즈 1개를 넣은 후,

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사용방법

뚜껑 ㅂ을 닫는다.

3. 눈을 ㄱ에 대고 사물을 본 후, 내부경통 ㄹ을 조절하여 초점을 맞

춘다.

4. 오목렌즈를 1개 더 ㄴ에 겹쳐 넣고 초점을 맞춘다.

5. 이같은 요령으로 오목렌즈를 3개, 4개씩 겹쳐 넣으며 사물을 관찰

한다.

특 성

∘ 상이 바로 보인다. (정립상)

∘ 조합렌즈홈 ㄴ에 오목렌즈 1개를 넣었을 땐, 초점이 맞지 않는

다.

∘ 조합렌즈홈 ㄴ에 오목렌즈를 여러개 겹쳐 끼울수록 상이 점점

커진다.

∘ ㄴ에 오목렌즈를 여러개 겹칠수록 경통 ㄹ이 ㄷ에서 점점 나오

며, 접안렌즈와 대물렌즈사이의 길이가 길어진다.

∘ 시야가 좁다.

Ⅴ. 두 망원경의 비교

두 망원경 원리 설명기의 특성을 비교해 보면 다음과 같다.

특

성

종

류

별

렌 즈겹쳐진 접안렌즈와 대물렌즈 사이

거리

접안

렌즈

겹칠

수록

상의

변화

(배율)

보이

는상

시

야

용

도

접

안

대

물

1

개

2개

겹침

3개

겹침

4개

겹침

5개

겹침

케플러

식볼록 볼록 34 31 29 27.7 26.7

점점

커짐

거꾸로

보임

(도립)

넓음천체망

원경

갈릴레

이식오목 볼록

초점

안맞음9.6 12.5 15.5 .

점점

커짐

바로

보임

(정립)

좁음오페라

글라스

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Ⅵ. 결 론

A. 작품의 우수성

기존 망원경과 비교하여 본 설명기가 지닌 우수성을 살펴보면 다음과 같다

1. 망원경의 내부를 들여다볼 수 있다.

2. 같은 종류의 접안렌즈를 계속 겹침으로써 원하는 만큼의 고배율이 가능하다.

3. 저렴하여 대량 생산이 가능하다.

4. 간단한 재료로 누구나 쉽게 제작이 가능하다.

5. 가볍고 견고하다.

6. 아크릴 재질이기 때문에 가공하기가 용이하다.

B. 기대 효과

본 설명기를 학습용으로 사용할 경우 다음과 같은 효과를 기대할 수 있을 것이다.

1. 지금까지 학교에 학습기자재로써 망원경 원리 설명기가 없었으나, 본 설명기

를 통해 망원경 원리를 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

2. 망원경 배율의 원리를 이해할 수 있을 것이다.

3. 학습자가 직접 렌즈를 결합시키며 설명기를 조작함으로써 흠이 유발이 쉽

게 이뤄질 것이다.

4. 본 설명기의 접안 - 대물렌즈의 결합방식 뿐만 아니라. 다양한 방법으로 결

합해 봄으로써 새로운 광학적 사실을 발견할 수 있을 것이다.

5. 본 설명기에서 학습된 지식이 다른 광학기계(카메라, 현미경)를 이해하는데

도움이 될 것이다.

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참고 문헌

대구광역시 교육과학연구원. [천체망원경과 천체관측의 실제]

대구 : 발행소 불명, 1996

『동아세계대백과사전』 서울 : 동아출판사, 1990.S.V. “망원경”

송인명․이춘우. 『고등학교 물리』 서울 : 교학사, 1996

『우등생 교실』. 서울 : 소년생활사, 1988.S.V. “과학실험. 관찰"