Ringkasan Bahan Pemantulan Dan Pembiasan Cahaya Lengkap Dengan Pola Soal
Dalam optika geometri, pemantulan dan pembiasan cahaya merupakan elemen yang sangat penting untuk dipahami. Terutama dalam memahami prinsip kerja alat-alat optik menyerupai lup, mikroskop, teleskop, kamera, periskop dan sebagainya. Nah, pada kesempatan kali ini, penulis akan menyajikan ringkasan bahan perihal pemantulan dan pembiasan cahaya. Untuk itu, silahkan kalian simak baik-baik klarifikasi berikut ini.
Materi Pemantulan Cahaya
Apa itu Pemantulan Cahaya?
Pemantulan atau refleksi cahaya ialah proses terpancarnya kembali cahaya dari permukaan benda yang terkena cahaya. Peristiwa pemantulan cahaya secara gampang sanggup kita amati pada permukaan benda yang mengkilap menyerupai cermin atau logam.
Macam-Macam Pemantulan Cahaya
Pemantulan cahaya dibedakan menjadi dua, yaitu sebagai berikut.
■ Pemantulan baur (difus) ialah pemantulan cahaya yang terjadi pada pemukaan benda yang tidak rata, di mana berkas sinar (cahaya) pantulnya mempunyai arah yang tidak teratur (baur). Contohnya, pemantulan cahaya pada tembok, kayu, batu, tanah dan sebagainya.
■ Pemantulan teratur ialah pemantulan cahaya yang terjadi pada permukaan yang rata, di mana berkas sinar (cahaya) pantulnya mempunyai arah yang teratur (sama). Pemantulan teratur bersifat menyilaukan, namun bisa menghasilkan bayangan yang jelas. Pemantulan teratur bisa terjadi pada cermin.
Hukum Snellius Pada Pemantulan Cahaya
Adapun rumusan aturan pemantulan cahaya yang dikemukakan oleh Willebrord Snellius ialah sebagai berikut.
1) Sinar datang, garis normal dan sinar pantul terletak pada satu bidang datar.
2) Sudut tiba sama dengan sudut pantul. Secara matematis, persamaan sudut tiba dan sudut pantul dituliskan dalam bentuk rumus berikut.
θi = θr |
3) Sinar tiba tegak lurus cermin akan dipantulkan kembali.
Contoh Soal:
Dua buah cermin disusun menyerupai pada gambar di bawah ini. Apabila sinar tiba pada cermin A mempunyai sudut tiba 40°, tentukanlah arah sinar pantul (sudut pantul) oleh cermin B.
Jawab
Di titik A, i ialah sudut tiba = 40°.
Berdasarkan Hukum Pemantulan, i = r maka r = 40°.
∠P = ∠BAO = ∠NAO − ∠r = 90° − 40° = 50°
Besar sudut r’ dapat dicari dari
⇔ ∠r’ + ∠P + ∠AOB = 180°
⇔ ∠r’ + 50° + 90° = 180°
⇔ ∠r’ + 140° = 180°
⇔ ∠r’ = 180° − 140°
⇔ ∠r’ = 40°
Besarnya sudut i1 dapat dicari dari
⇔ ∠r’ + ∠i1 = 90°
⇔ 40° + ∠i1 = 90°
⇔ ∠i1 = 90° − 40°
⇔ ∠i1 = 50°
∠i1 merupakan sudut tiba terhadap cermin B.
Berdasarkan Hukum Pemantulan, di titik B berlaku:
∠i1 = ∠r1
∠r1 = 50°
Jadi, arah sinar pantul oleh cermin B membentuk sudut 50° terhadap garis normal.
Materi Pembiasan Cahaya
Apa itu Pembiasan Cahaya?
Pembiasan atau difraksi cahaya ialah adalah insiden pembelokan arah cahaya ketika melewati bidang batas antara dua medium yang berbeda kerapatan optiknya. Pembiasan cahaya terjadi akhir kecapatan cahaya berbeda pada setiap medium.
Syarat Terjadinya Pembiasan Cahaya
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 ialah 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 ialah 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.
Hukum Snellius Pada Pembiasan Cahaya
Adapun rumusan aturan pembiasan cahaya yang dikemukakan oleh Willebrord Snellius ialah sebagai berikut.
1) Sinar datang, garis normal dan sinar bias terletak dalam satu bidang datar.
2) Perbandingan sinus sudut tiba dengan sinus sudut bias pada dua medium yang berbeda merupakan bilangan tetap.
Secara matematis, pernyataan Hukum Snellius yang kedua di atas sanggup dituliskan dalam bentuk persamaan berikut.
sin i1 | = | sin i2 | = | sin i3 |
sin r1 | sin r2 | sin r3 |
sin i | = | Tetap | …….. pers. (1) |
sin r |
Tetapan atau konstanta tersebut disebut dengan indeks bias relatif suatu medium terhadap medium lain. Jika sinar tiba dari medium 1 ke medium 2, maka indeks bias relatif medium 2 terhadap medium 1 ditulis sebagai berikut.
n21 | = | n2 |
n1 |
Dengan demikian, persamaan (1) di atas sanggup ditulis ulang sebagai berikut.
sin i | = | n21 |
sin r |
sin i | = | n2 | …….. pers. (2) |
sin r | n1 |
Sehingga kita peroleh rumus hubungan antara sudut datang, sudut bias dan indeks bias medium sebagai berikut.
n1 sin i = n2 sin r |
Keterangan:
n1 = indeks bias mutlak medium 1
n2 = indeks bias mutlak medium 2
n21 = indeks bias relatif medium 2 terhadap medium 1
i = sudut tiba pada medium 1
r = sudut bias pada medium 2
Contoh Soal:
Seseorang menyinari sebuah beling tebal dengan sudut 30° terhadap garis normal. Jika cepat rambat cahaya di dalam beling ialah 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 ialah 1,5
■ Untuk mencari sudut bias, gunakan aturan Snellius.
sin i | = | n2 |
sin r | n1 |
sin 30° | = | 1,5 |
sin r | 1 |
sin r | = | 0,5 |
1,5 |
sin r | = | 0,33 |
r | = | sin−1 (0,33) |
r | = | 19,27° |
Jadi, besar sudut biasnya ialah 19,27°.
Hukum-Hukum Lain yang Berlaku Pada Pembiasan Cahaya
Selain kedua pernyataan Hukum Snellius di atas, masih ada hal lain yang berlaku pada insiden pembiasan cahaya, yaitu sebagai berikut.
1) Jika sinar tiba dari medium kurang rapat ke medium lebih rapat, sinar akan dibiaskan mendekati garis normal. Ini berarti, sudut bias lebih kecil daripada sudut datangnya (r < i).
2) Jika sinar tiba dari medium lebih rapat ke medium kurang rapat, cahaya akan dibiaskan menjauhi garis normal. Jadi, sudut tiba lebih kecil dari sudut bias (i < r).
3) Jika sinar tiba tegak lurus batas dua medium, maka sinar tidak dibiaskan melainkan diteruskan.
Apa itu Indeks Bias?
Indeks bias ialah perbandingan kelajuan cahaya di udara dengan kelajuan cahaya di dalam suatu zat (ex. air, kaca, udara, dsb.). Semakin besar indeks bias suatu zat maka semakin besar cahaya dibelokkan/dibiaskan oleh zat tersebut. Besarnya pembiasan juga bergantung pada panjang gelombang cahaya.
Apa itu Indeks Bias Mutlak?
Indeks bias mutlak ialah perbandingan cepat rambat cahaya di ruang hampa dengan cepat rambat cahaya di dalam medium. Indeks bias mutlak suatu medium sanggup dicari dengan persamaan berikut.
n | = | c |
v |
Keterangan:
n = indeks bias mutlak medium
c = cepat rambat cahaya di ruang hampa (3 × 108 m/s)
v = cepat rambat cahaya di dalam medium.
Contoh Soal:
Cahaya merambat dari udara ke air. Bila cepat rambat cahaya di udara ialah 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 ialah 2,25 × 108 m/s.
Apa itu Indeks Bias Relatif?
Indeks bias relatif ialah perbandingan indeks bias mutlak dari dua buah medium yang berbeda. Jika cahaya tiba dari medium 1 dengan indeks bias n1menuju medium 2 dengan indeks bias mutlak n2, maka indeks bias relatif medium 2 terhadap medium 1 dinyatakan dengan persamaan berikut.
n21 | = | n2 |
n1 |
Dengan mensubtitusikan persamaan n = c/v, kita menerima bentuk persamaan berikut ini.
n21 | = | c/v2 |
c/v1 |
n21 | = | v1 | …….. pers. (3) |
v2 |
Keterangan:
n21 = indeks bias relatif medium 2 terhadap medium 1
I = sudut datang
r = sudut bias
n1 = indeks bias medium 1
n2 = indeks bias medium 2
v1 = cepat rambat cahaya pada medium 1
v2 = cepat rambat cahaya pada medium 2
Contoh Soal:
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 |
Hubungan Indeks Bias dengan Cepat Rambat Cahaya, Panjang Gelombang dan Frekuensi
Untuk memilih hubungan antara indeks bias dengan cepat rambat cahaya, kita sanggup mensubtitusikan persamaan (3) ke dalam persamaan (2) sehingga kita peroleh persamaan berikut.
n2 | = | v1 | = | sin i | ………. Pers. (4) |
n1 | v2 | sin r |
Keterangan:
n1 = indeks bias mutlak medium-1
n2 = indeks bias mutlak medium-2
n1,2 = indeks bias medium-2 relatif terhadap medium-1
v1 = cepat rambat cahaya pada medium-1
v2 = cepat rambat cahaya pada medium-2
i = sudut tiba di medium-1
r = sudut bias di medium-2
Ingat bahwa v = λf, dengan f = frekuensi cahaya dan λ = panjang gelombang. Dengan demikian, apabila kita subtitusikan v = λf ke dalam persamaan (3), maka kita peroleh rumus hubungan antara indeks bias medium, frekuensi dan panjang gelombang sebagai berikut.
n1, 2 | = | λ1 × f |
λ2 × f |
n1, 2 | = | λ1 | ………. Pers. (5) |
λ2 |
Keterangan:
n1,2 = indeks bias medium
λ1 = panjang gelombang cahaya pada medium-1
λ2 = panjang gelombang cahaya pada medium-2
f = frekuensi cahaya
Contoh Soal:
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 ketika melewati medium beling ialah 4 × 10-7 m.
Apa itu Pemantulan Sempurna?
Bila sinar tiba dari medium lebih rapat menuju medium kurang rapat, sinar akan dibiaskan menjauhi garis normal. Jika sudut datangnya dirubah, pada dikala sudut tiba membentuk sudut bias 90o, sudut tiba ini disebut sudut kritis (batas). Untuk sudut tiba melebihi sudut kritis, berkas sinar tidak dibiaskan lagi melainkan dipantulkan seluruhnya. Peristiwa ini disebut pemantulan tepat atau pemantulan total.
Syarat Terjadinya Pemantulan Sempurna
pemantulan tepat atau pemantulan total hanya akan terjadi apabila memenuhi dua syarat sebagai berikut.
□ Cahaya tiba dari medium lebih rapat ke medium kurang rapat atau dengan kata lain, indeks bias medium pertama harus lebih besar dari indeks bias medium kedua (n1 > n2).
□ Sudut tiba harus lebih besar daripada sudut kritis. Misalnya, kalau sudut tiba ialah i dan sudut kritis ialah ik maka pada pemantulan tepat berlaku i > ik.
Apa itu Sudut Kritis Pada Pemantulan Sempurna?
Jika sudut sinar tiba dari medium pertama mempunyai sudut bias 90° disebut sudut kritis (sudut batas) dan ditulis ik, maka berdasarkan Hukum Snellius untuk pembiasan cahaya, berlaku persamaan berikut.
n1 sin ik = n2 sin r
n1 sin ik = n2 sin 90°
n1 sin ik = n2 (1)
n1 sin ik = n2
sin ik | = | n2 |
n1 |
ik | = | sin-1 | n2 |
n1 |
Keterangan:
ik = sudut kritis (sudut batas)
n1 = indeks bias medium pertama
n2 = indeks bias medium kedua
n1 > n2
Contoh Soal:
Hitunglah sudut kritis berlian yang mempunyai indeks bias mutlak 2,417 pada dikala diletakkan di udara.
Jawab:
Diketahui:
n2 = 1 (udara)
n1 = 2,417 (berlian)
Maka sudut kritisnya sanggup dihitung dengan rumus berikut.
ik | = | sin-1 | 1 |
2,417 |
ik | = | sin-1 (0,414) |
ik | = | 24,4° |
Jadi, sudut kritis berlian tersebut ialah 24,4°.