Hukum Snellius Pada Pembiasan Cahaya: Bunyi, Rumus, Gambar, Pola Soal Dan Pembahasan
Tentunya kalian sudah sanggup menyebutkan pola insiden sehari-hari yang sanggup dijelaskan dengan konsep pembiasan. Dasar bak tampak lebih dangkal dari bergotong-royong dan sebatang pensil yang dicelupkan ke dalam air tampak bengkok merupakan pola insiden sehari-hari yang berkaitan dengan terjadinya pembiasan cahaya. Pembiasan cahaya tidak sembarang, tetapi mengikuti hukum-hukum pembiasan.
Hukum pembiasan pertama kali dinyatakan oleh Willebrord Snellius, spesialis Fisika berkebangsaan Belanda. Snellius melaksanakan eksperimen dengan melewatkan seberkas sinar pada balok kaca. Secara sederhana, percobaan Snellius ditunjukkan ibarat pada gambar di bawah ini.
Seberkas cahaya (sinar laser/kotak cahaya) di arahkan menuju permukaan balok beling (gambar kiri). Ternyata, sinar dibelokkan pada ketika mengenai bidang batas udara-kaca. Jika digambarkan dalam bentuk dua dimensi (gambar kanan), maka sinar tiba dari udara dibiaskan dalam beling mendekati garis normal. Sehingga besar sudut tiba (i) selalu lebih besar dari sudut bias (r).
Jika percobaan yang sama diulang dengan sudut tiba yang berubah-ubah yaitu sebesar i1, i2, i3 hingga sudut biasnya r1, r2, r3 ternyata Snellius menemukan bahwa hasil perbandingan sinus sudut tiba dengan sinus sudut biasnya selalu konstan atau tetap. Dengan hasil percobaannya tersebut, Snellius mengemukakan Hukum Pembiasan yang berbunyi sebagai berikut.
■ Sinar datang, garis normal dan sinar bias terletak dalam satu bidang datar.
■ 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 |
sin r | n1 |
Sehingga kita peroleh rumus korelasi 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 bia pada medium 2
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.
Ketika cahaya cahaya dari sebuah medium merambat melewati medium lain yang berbeda kerapatan, cepat rambat cahaya akan berubah. Cepat rambat cahaya akan berkurang jikalau memasuki medium dengan kerapatan tinggi. Sebaliknya, cepat rambat cahaya akan bertambah jikalau memasuki medium dengan kerapatan rendah.
Perbandingan cepat rambat cahaya di ruang hampa (c) dengan cepat rambat cahaya di dalam medium disebut indeks bias mutlak. Indeks bias mutlak suatu medium sanggup dicari dengan rumus:
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
Pada aturan Snellius di atas, indeks bias mutlak medium 1 ditunjukkan oleh n1 dan indeks bias mutlak medium 2 ditunjukkan dengan n2. Sementara itu, perbandingan indeks bias mutlak dari dua buah medium disebut indeks bias relatif. Jika cahaya tiba dari medium 1 dengan indeks bias n1 menuju medium 2 dengan indeks bias mutlak n2, maka indeks bias relatif medium 2 terhadap medium 1 dinyatakan dengan persamaan berikut.
n21 | = | n2 |
n1 |
n21 | = | sin i |
sin r |
Dengan mensubtitusikan persamaan n = c/v, kita menerima bentuk persamaan berikut ini.
n21 | = | v1 |
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:
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.