20 Tumpuan Soal Pembiasan Cahaya Beserta Jawabannya Bab 1
Pembiasan atau difraksi cahaya yaitu adalah insiden pembelokan arah cahaya saat melewati bidang batas antara dua medium yang berbeda kerapatan optiknya. Pembiasan cahaya terjadi akhir kecapatan cahaya berbeda pada setiap medium. Ada dua syarat terjadinya proses pembiasan cahaya, yaitu:
□ Cahaya merambat melalui dua medium yang mempunyai perbedaan kerapatan optik, contohnya udara dengan air, udara dengan kaca, air dengan kaca, dan sebagainya.
□ Cahaya yang tiba harus miring pada batas dua medium, alasannya yaitu kalau tegak lurus maka tidak akan mengalami proses pembiasan.
□ Cahaya yang tiba dari medium lebih rapat menuju medium kurang rapat (ex. beling ke udara) harus menghasilkan sudut bias lebih kecil dari 90°. Hal ini alasannya yaitu kalau sinar bias sama dengan 90° maka cahaya tidak akan memasuki medium kedua. Sedangkan kalau sudut bias lebih besar dari 90° maka akan terjadi insiden pemantulan sempurna.
Yang dimaksud dengan kerapatan optik di sini yaitu sifat dari medium tembus cahaya (zat optik dalam melewatkan cahaya). Kerapatan optik yang berbeda pada dua medium akan menyebabkan cepat rambat cahaya pada kedua medium tersebut berbeda. Perbadingan antara cepat rambat cahaya pada medium 1 dan medium 2 disebut indeks bias.
Jika medium 1 yaitu ruang hampa, maka perbandingan antara cepat rambat cahaya di ruang hampa dan di sebuah medium disebut indeks bias mutlak medium tersebut. Secara matematis, rumus indeks bias mutlak dituliskan sebagai berikut.
n | = | c |
v |
Dengan:
n = indeks bias mutlak medium
c = cepat rambat cahaya di ruang hampa (3 × 108 m/s)
v = cepat rambat cahaya pada medium.
Berikut ini yaitu beberapa pola indeks bias mutlak beberapa medium yang disajikan dalam bentuk tabel.
Tabel Indeks Bias Mutlak Berbagai Medium
Medium | Indeks Bias |
Ruang hampa | 1,0000 |
Udara | 1,0003 |
Air | 1,3300 |
Gliserin | 1,4700 |
Kaca kerona | 1,5200 |
Kristal kuarsa | 1,5400 |
Kaca flinta | 1,6200 |
Batu nilam | 1,7600 |
Intan | 2,4200 |
Nah, pada kesempatan kali ini kita akan membahas kumpulan pola soal yang bekerjasama dengan insiden pembiasan cahaya lengkap dengan pembahasannya. Untuk itu, silahkan kalian simak baik-baik klarifikasi berikut ini. selamat berguru dan biar sanggup paham.
1. Cahaya merambat dari udara ke air. Bila cepat rambat cahaya di udara yaitu 3 × 108 m/s dan indeks bias air 4/3, maka tentukanlah cepat rambat cahaya di air!
Penyelesaian:
Diketahui:
c = 3 × 108 m/s
nair = 4/3
Ditanyakan: vair
Jawab:
nair | = | c |
vair |
Maka cepat rambat cahaya di air dirumuskan sebagai berikut.
vair | = | c |
nair |
vair | = | 3 × 108 m/s |
4/3 |
vair | = | 2,25 × 108 m/s |
Jadi, cepat rambat cahaya di dalam air yaitu 2,25 × 108 m/s.
2. Seseorang menyinari sebuah beling tebal dengan sudut 30° terhadap garis normal. Jika cepat rambat cahaya di dalam beling yaitu 2 × 108 m/s, tentukan indeks bias beling dan sudut biasnya.
Penyelesaian:
Diketahui:
θi = 30°
v2 = 2 × 108 m/s
Ditanyakan: n2 (indeks bias kaca) dan θr
Jawab:
■ Untuk mencari indeks bias kaca, gunakan persamaan:
n | = | c | = | 3 × 108 m/s | = | 1,5 |
v | 2 × 108 m/s |
Jadi, indeks bias beling yaitu 1,5
■ Untuk mencari sudut bias, gunakan aturan Snellius.
sin θi | = | n2 |
sin θr | n1 |
sin 30° | = | 1,5 |
sin θr | 1 |
sin θr | = | 0,5 |
1,5 |
sin θr | = | 0,33 |
θr | = | sin−1 (0,33) |
θr | = | 19,27° |
Jadi, besar sudut biasnya yaitu 19,27°.
3. Dalam sebuah eksperimen untuk memilih kecepatan cahaya di dalam air, seorang siswa melewatkan seberkas cahaya ke dalam air dengan sudut tiba 30°. Kemudian, siswa mencatat sudut bias yang terjadi di dalam air ternyata besarnya 22°. Jika kecepatan cahaya di udara dianggap 3 × 108 m/s, tentukan kecepatan cahaya di dalam air.
Penyelesaian:
Diketahui:
i = 30°
c = 3 × 108 m/s
r = 22°
Ditanyakan: v
Jawab:
Dengan menggabungkan persamaan n21 = sin i/sin r dengan persamaan n21 = c/v, maka kita peroleh persamaan berikut.
sin i | = | c |
sin r | v |
Dengan demikian, kecepatan cahaya di dalam air (v) sanggup kita hitung dengan rumus berikut.
v | = | c | × | sin r |
sin i |
v | = | 3 × 108 m/s | × | sin 22° |
sin 30° |
v | = | 3 × 108 m/s | × | (0,37) |
0,5 |
v | = | 2,25 × 108 m/s |
Jadi, kecepatan cahaya di dalam air yaitu 2,25 × 108 m/s.
4. Suatu berkas cahaya dengan panjang gelombang 6 × 10-7 m tiba dari udara ke balok beling yang indeks biasnya 1,5. Hitunglah panjang gelombang dalam kaca.
Penyelesaian:
Diketahui:
λ1 = 6 × 10-7 m (udara)
n1 = 1 (udara)
n2 = 1,5 (kaca)
Ditanyakan: λ2 (kaca)
Jawab:
Panjang gelombang cahaya di dalam medium kaca, sanggup kita tentukan dengan mensubtitusikan persamaan (9) ke persamaan (5) sebagai berikut.
n2 | = | λ1 |
n1 | λ2 |
1,5 | = | 6 × 10-7 |
1 | λ2 |
λ2 | = | 6 × 10-7 | = | 4 × 10-7 |
1,5 |
Jadi, panjang gelombang cahaya saat melewati medium beling yaitu 4 × 10-7 m.
5. Cahaya tiba dari air ke kaca. Indeks bias air = 1,33, indeks bias beling = 1,54. Hitunglah indeks bias relatif beling terhadap air dan kecepatan cahaya di beling kalau kecepatan cahaya di air sebesar 2,25 × 108 m/s.
Penyelesaian:
Diketahui:
nair = 1,33
nkaca = 1,54
vair = 2,25 × 108 m/s
Ditanyakan: nka (indeks bias relatif beling terhadap air) dan vkaca
Jawab:
■ Indeks bias relatif beling terhadap air
nka | = | nkaca |
nair |
nka | = | 1,54 |
1,33 |
nka | = | 1,16 |
■ Kecepatan cahaya di dalam kaca
nair | = | vkaca |
nkaca | vair |
1,33 | = | vkaca |
1,54 | 2,25 × 108 |
vkaca | = | 1,33 | × | 2,25 × 108 |
1,54 |
vkaca | = | 1,94 × 108 m/s |
6. Lisa bangun di tepi bak sambil memandang seekor ikan di dalam bak tepat di bawahnya. Menurut Lisa, ikan itu berada pada kedalaman 50 cm. Jika indeks bias air 1,33, indeks bias udara 1 dan tinggi Lisa 160 cm, maka tentukanlah kedalaman ikan bergotong-royong dan tinggi Lisa berdasarkan ikan!
Penyelesaian:
Diketahui:
h' = 50 cm
na = 1,3
nu = 1
hL = 160
Ditanyakan: h dan h’L
Jawab:
■ Ketika Lisa melihat ikan, sinar tiba dari air, sehingga persamaan yang dipakai adalah:
h' | = | nu |
h | na |
h | = | na | × | h' |
nu |
h | = | 1,33 | × | 50 |
1 |
h | = | 66,5 cm |
Jadi, bergotong-royong ikan tersebut berada pada kedalaman 66,5 cm.
■ Ketika ikan melihat Lisa, sinar tiba dari udara, sehingga persamaan yang dipakai adalah:
hL' | = | na |
hL | nu |
hL’ | = | na | × | hL |
nu |
hL’ | = | 1,33 | × | 160 |
1 |
hL’ | = | 212,8 cm |
Jadi, tinggi Lisa berdasarkan ikan yaitu 212,8 cm.
7. Seekor ikan berada di dasar bak yang kedalamannya 4 m (nair = 4/3) ibarat yang nampak pada gambar di bawah ini. Pada kedalaman berapakah letak ikan tersebut terlihat oleh mata pengamat dari permukaan air jika:
■ Ikan dilihat pengamat secara tegak lurus
■ Sudut antara mata dan garis normal sebesar 30°
Penyelesaian:
Diketahui:
h = 4 m
nair = 4/3
nud = 1
Ditanyakan: d’ ketika i = 90° dan i = 30°
Jawab:
■ Perhatikan gambar. Jika pengamat melihat ikan secara tegak lurus, akan memenuhi persamaan berikut.
tan r = sin r dan tan i = sin i.
Sinar tiba dari ikan sehingga:
tan i | = | sin i | = | d' |
tan r | sin r | d |
nud | = | d' |
nair | d |
Maka kedalaman ikan diperoleh, yaitu:
1 | = | d' |
4/3 | 4 |
d’ | = | 4 | = | 3 m |
4/3 |
Jadi, kedalaman semu ikan yang terlihat pengamat secara tegak lurus yaitu 3 m.
■ Kedalaman ikan untuk sudut antara mata pengamat dan garis normal r = 30° adalah
sin i | = | nud |
sin r | nair |
sin i | = | 1 |
sin 30° | 4/3 |
sin i | = | sin 30° |
4/3 |
sin i | = | 1/2 |
4/3 |
sin i = 3/8
sin i = 0,375
i = arc sin 0,375 = 22,02°
sehingga:
tan i | = | d' |
tan r | d |
tan 22,02° | = | d' |
tan 30° | 4 |
0,4 | = | d' |
0,6 | 4 |
d’ | = | 0,4 | × | 4 | = | 2,7 m |
0,6 |
Jadi, kedalaman semu ikan untuk sudut r = 30° menjadi 2,7 m.