A. Apakah Pembiasan Cahaya Itu? Pembiasan Cahaya

  • Published on
    15-Jun-2015

  • View
    3.708

  • Download
    9

Embed Size (px)

Transcript

A. Apakah Pembiasan Cahaya Itu? Pembiasan cahaya berarti pembelokan arah rambat cahaya saat melewati bidang batas dua medium bening yang berbeda indeks biasnya. Hal ini sudah Anda pelajari saat di SMP dulu, namun pada modul ini pembiasan cahaya akan dibahas lebih mendalam. Pembiasan cahaya mempengaruhi penglihatan kita. Sebatang tongkat yang sebagiannya tercelup di dalam kolam berisi air dan bening akan terlihat patah. B. Hukum Snellius Pada Pembiasan Seperti pada peristiwa pemantulan cahaya, pada pembiasan cahaya juga dijumpai hukum Snellius. Misalkan cahaya merambat dari medium 1 dengan kecepatan v1 dan sudut datang i menuju ke medium 2. Saat di medium 2 kecepatan cahaya berubah menjadi v2 dan cahaya dibiaskan dengan sudut bias r seperti diperlihatkan pada Gambar 1 di bawah.

Gambar 1. Sinar yang berasal dari udara dibiaskan menjauhi garis normal saat masuk ke dalam air. Berdasarkan teori muka gelombang, rambatan cahaya dapat digambarkan sebagai muka gelombang yang tegak lurus arah rambatan dan muka gelombang itu membelok saat menembus bidang batas medium 1 dan medium 2 seperti dipelihatkan Gambar 2 berikut:

Gambar 2. Muka gelombang pada peristiwa pembiasan. Cahaya datang dengan sudut i dan dibiaskan dengan sudut r. Cepat rambat cahaya di medium 1 adalah v1 dan di medium 2 adalah v2. Waktu yang diperlukan cahaya untuk merambat dari B ke D sama dengan waktu yang dibutuhkan dari A ke E sehingga DE menjadi muka gelombang pada medium 2. Oleh karenanya BD = v1 t AE = v2 t Dari gambar 2 juga kita dapatkan bahwa = i dan = r sehingga

Bila kita bagi sin i dengan sin r kita akan peroleh Persamaan pembiasan cahaya dengan i = sudut datang r = sudut bias v1 = kecepatan cahaya sebelum dibiaskan v2 = kecepatan cahaya setelah dibiaskan Pada tahun 1621 Snellius, seorang fisikawan berkebangsaan Belanda melakukan serangkaian percobaan untuk menyelidiki hubungan antara sudut datang (i) dan sudut bias (r) di atas. Hasil eksperimennya dibuat dalam tabel

di bawah. Tabel 1: Hasil percobaan tentang pembiasan pada balok kaca. i 18 26 36 43 47 50 60 r 12 17 23 27 29 33 35 i/r 1,50 1,53 1,57 1,59 1,62 1,67 1,71 sin i 0.309 0.438 0.588 0.682 0.731 0.819 0.866 sin r 0.208 0.292 0.391 0.454 0.485 0.545 0.574 1,49 1,50 1,50 1,50 1,51 1,50 1,51

Dari tabel di atas tampak bahwa harga

pada tiap percobaan cenderung bernilai tetap. Tetapan

sama, yakni 1,50 dengan kata lain bahwa harga itu disebut indeks bias.

Persamaan Hukum Pembiasan dengan i = sudut datang r = sudut bias n = indeks bias bahan Persamaan di atas merupakan salah satu dari dua hukum pembiasan cahaya yang selengkapnya dapat dirumuskan sebagai berikut: Hukum Pembiasan Cahaya 1. 2. Sinar datang, sinar bias dan garis normal terletak pada satu bidang. Perbandingan sinus sudut datang dan sinus sudut bias cahaya yang memasuki bidang batas dua medium yang berbeda selalu bernilai tetap (konstan).

Anda telah mempelajari bahwa indeks bias dibedakan atas indeks bias mutlak dan indeks bias relatif. Sekedar mengingatkan, di bawah ini dijelaskan kembali pengertian kedua indeks bias ini. Indeks bias mutlak medium yaitu indeks bias medium saat berkas cahaya dari ruang hampa melewati medium tersebut. Indek bias mutlak suatu medium dituliskan nmedium. Indeks bias mutlak kaca dituliskan nkaca, indeks bias mutlak air dituliskan nair dan seterusnya. Tabel 2 di bawah memperlihatkan indeks bias mutlak beberapa zat. Tabel 2. Indeks bias mutlak beberapa zat. Medium Indeks bias mutlak

Udara (1 atm, 0 C) Udara (1 atm, 0 C) Udara (1 atm, 0 C) Air Alkohol Gliserin Kaca kuarsa Kaca kerona Kaca flinta Intan

1,00029 1,00028 1,00026 1,33 1,36 1,47 1,46 1,52 1,65 2,42

Pada tabel terlihat bahwa tekanan dan suhu mempengaruhi indeks bias zat khususnya udara. Perbedaan itu tampak kecil saja. Dalam modul ini, bias udara sama dengan satu. Indeks bias relatif adalah perbandingan indeks bias dua medium yang berbeda. Indeks bias relatif medium kedua terhadap medium pertama didefinisikan sebagai perbandingan indeks bias medium kedua terhadap medium pertama. Persamaan indek bias relatif dua medium dengan n21 = indeks bias relatif medium kedua terhadap medium pertama n1 = indeks bias mutlak medium pertama n2 = indeks bias mutlak medium kedua Pada uraian sebelumnya telah kita dapatkan bahwa

Persamaan pembiasan cahaya dari medium 1 medium 2

Jadi, nilai tetap (konstan) pada penyataan kedua hukum pembiasan cahaya di atas adalah indeks bias relatif antara dua medium seperti diuraikan sebelumnya. Sedangkan yang dimaksud satu bidang pada pernyataan pertama dapat dijelaskan dengan melihat kembali gambar 2 di atas. Pada gambar tersebut tampak sinar datang, sinar bias dan garis normal berada pada satu bidang, yakni bidang batas. Cukup jelas, bukan? Contoh: 1. Cepat rambat cahaya di medium A besarnya 2 x 108 m/s. Bila cepat rambat cahaya di ruang hampa 3 x 108 m/s, berapakah indeks bias mutlak medium itu? Penyelesaian: Cahaya datang dari ruang hampa menuju medium A dan indeks bias ruang hampa (n1) kita anggap sama dengan indeks bias udara. Diketahui : n1 = 1

v1 = 3 x 108 m/s v2 = 2 x 108 m/s Ditanya : n2 = ? Jawab :=

n2 = 1,5 Jadi, indeks bias medium tersebut adalah n2 = 1,5. Contoh: 2. Berapakah kecepatan cahaya di suatu medium yang indek biasnya 1,6? Penyelesaian: Tanpa disebut atau dinyatakan dalam soal, kita harus sudah maklum bahwa cepat rambat cahaya di ruang hampa adalah 3 x 108 m/s sehingga dari,

n= kita dapatkan cepat rambat cahaya pada medium tersebut yakni,

v= = 1,88 x 108 m/s Contoh: 3. Seberkas cahaya datang dari udara (nu = 1) ke dalam air (na = 1,33) dengan sudut datang 30. Tentukan besar sudut bias! Penyelesaian Diketahui : nu = 1 na = 1,33 i = 30 Ditanya : r = ? Jawab : Berkas sinar berasal dari udara menuju air jadi n =n =1 dan 1 u n2=na=1,33. Berdasarkan hukum Snellius,

=

=

sin r = r = 22,1

=

Besar sudut bias r = 22,1 di atas tentunya didapat dengan bantuan kalkulator atau tabel trigonometri pada matematika. Anda tentu dapat melakukannya. Contoh: 4. Seberkas sinar datang dari udara ke lapisan minyak yang terapung di air dengan sudut datang 30. Bila indeks bias minyak 1,45 dan indeks bias air 1,33, berapakah besar sudut sinar tersebut di dalam air? Penyelesaian: Pada kasus ini mula-mula berkas sinar merambat di udara lalu masuk ke lapisan minyak yang terapung di permukaan air, baru kemudian sinar masuk ke dalam air. Jadi, sebelum sampai ke dalam air sinar mengalami dua kali pembiasan seperti diperlihatkan gambar di bawah.

Gambar 3. Berkas sinar memasuki air dari udara melalui lapisan minyak mengalami dua kali pembiasan.

Pembiasan pertama, berkas sinar datang dari udara ke minyak dengan n1 = 1 dan n2 = 1,45 serta i1 = 30, kita hitung besar sin r1,

=

sin r1

=

=

0,345.

Dalam hal ini kita tidak membutuhkan besar sudut r1, sebab untuk langkah pengerjaan berikutnya justru nilai sin r, yang dibutuhkan. Pembiasan kedua, berkas sinar datang dari minyak ke air dengan n1 = 1,45 dan n2 = 1,33, dan dari gambar di atas tampak besar i2 = r1 atau sin i2 = sin r1, kita hitung besar r2

=

=

sin r2 r2

= =

=

0,375

22

Contoh: 5. Cepat rambat cahaya di dalam kaca 2,00 x 108 m/s dan cepat rambat cahaya di dalam air 2,25 x 108 m/s. Tentukan: a) indeks bias relatif air terhadap kaca b) indeks bias relatif kaca terhadap air Penyelesaian: Diketahui : vkaca = 2,00 x 108 m/s vair = 2,25 x 108 m/s Ditanya : a) nair-kaca b) nkaca-air Jawab : a) nair-kaca=

= =

0,89

b) nkaca-air=

= =

1,13

Mudah, saja bukan? Coba Anda kerjakan latihan di bawah ini! 1. Berdasarkan tabel 1, tentukanlah cepat rambat cahaya pada medium alkohol, kaca flinta dan intan! 2. Berdasarkan tabel 1, tentukanlah indeks bias relatif air terhadap alkohol dan indeks bias relatif kaca korona terhadap air! Bila Anda kerjakan dengan baik latihan di atas, akan Anda dapatkan jawaban latihan nomor 1 berturut-turut 2,21x108m/s, 1,82x108m/s dan 1,24x108 m/s, serta jawaban untuk latihan nomor 2 berturut-turut 0,98 dan 1,14.

Medium Optik Kurang Rapat dan Medium Optik Lebih Rapat Di samping menunjukkan perbandingan cepat rambat cahaya di dalam suatu medium, indeks bias juga menunjukkan kerapatan optik suatu medium. Semakin besar indeks bias suatu medium berarti semakin besar kerapatan optik medium tersebut. Di samping itu, diketahui pula bahwa cahaya merambat lebih cepat pada medium yang kerapatan optiknya kecil. Jadi, dengan melihat data pada tabel 2 di atas, kaca merupakan medium optik lebih rapat bila dibandingkan air, sedangkan udara merupakan medium kurang rapat bila dibandingkan kaca dan air. Cobalah Anda bandingkan kerapatan optik antara medium yang satu terhadap medium yang lain yang ada pada tabel 2. Bila cahaya merambat dari medium kurang rapat ke medium yang lebih rapat, cahaya akan dibiaskan mendekati garis normal, sebaliknya bila cahaya merambat dari medium lebih rapat ke medium kurang rapat akan dibiaskan menjauhi garis normal seperti diperlihatkan gambar 4.

(a)

(b) Gambar 4. (a) Cahaya dibiaskan mendekati garis normal. (b) Cahaya dibiaskan menjauhi garis normal. . Pembiasan dan Warna Cahaya Mari kita lanjutkan pelajaran dengan melihat kemungkinan adanya hubungan antara pembiasan dan warna cahaya. Anda telah pahami bahwa besar cepat rambat cahaya sama dengan frekuensi dikalikan dengan panjang gelombangnya atau v = f. sehingga dari persamaan,

n21 =

kita dapatkan

Pada kenyataannya frekuensi cahaya tidak mengalami perubahan saat cahaya melewati bidang batas dua medium. Artinya perubahan kecepatan cahaya berhubungan dengan perubahan panjang gelombangnya saja. Jadi, Persamaan indeks bias relatif sebagai perbandingan panjang gelombang cahaya 1= panjang gelombang cahaya pada medium 1 2=