Pembiasan cahaya

Apabila kita melihat kolam yang airnya jenih, dasar kolam akan terlihat lebih dangkal dari sebenarnya. Perhatikan orang yang berdiri
di dalam kolam, pasti orang tersebut kelihatan lebih pendek dari sebenarnya. Begitu juga apabila kita melihat ikan di dalam kolam,
ikan tersebut terlihat lebih dekat ke permukaan. Mengapa bisa terjadi hal seperti demikian?

Cahaya merupakan salah satu bentuk gelombang. Oleh karena itu, peristiwa yang dialami gelombang juga dialami oleh cahaya.
Ketika gelombang melalui dua medium yang berbeda, akan mengalami peristiwa pembiasan (refraksi). Pembiasan ini juga dialami
oleh cahaya. Peristiwa yang disebutkan di atas merupakan gejala pembiasan cahaya.
Pembiasan cahaya adalah peristiwa pembelokan arah rambat cahaya ketika memasuki medium yang satu ke medium yang lain.
Besarnya pembelokan atau pergeseran arah rambat cahaya yang keluar dari suatu medium bergantung pada kerapatan optik medium
tersebut. Kerapatan optik ini merupakan sifat dari medium tembus cahaya (zat optik) dalam melewatkan cahaya.
Jika cahaya masuk dari zat optik kurang rapat ke zat optik lebih rapat (contoh udara ke air), cahaya dibiaskan mendekati garis
normal. Sebaliknya, jika cahaya masuk dari zat optik lebih rapat ke zat optik kurang (contoh kaca ke udara), cahaya dibiaskan
menjauhi garis normal. Garis normal adalah garis yang tegak lurus pada bidang batas medium. Untuk lebih jelasnya, perhatikan
gambar di bawah ini.

Besar kerapatan optik suatu medium dinyatakan dalam indeks bias. Itu artinya semakin besar indeks bias suatu medium berarti
kerapatan optik medium juga semakin besar. Dan semakin besar kerapatan optik, maka akan semakin besar pula arah pembelokan
cahaya yang melewati medium tersebut. Lalu tahukan kalian apa itu indeks bias? Berikut ini penjelasan lengkapnya, silahkan simak
baik-baik.

Penyebab terjadinya pembiasan cahaya dibagi menjadi 2 yaitu:

1. Ketika sinar datang dari medium yang kurang rapat menuju medium yang lebih rapat maka sinar datang akan dibiaskan
mendekati garis normal. Contohnya ketika sinar datang melalui medium udara menuju air.
2. Ketika sinar datang dari medium yang lebih rapat menuju medium yang kurang rapat maka sinar datang akan dibiaskan
menjauhi garis normal. Contohnya ketika sinar datang melalui medium air menuju udara.
Hukum pembiasan cahaya

Berikut bunyi hukum pembiasan cahaya atau hukum Snellius yang diselidiki oleh Willebrord Snellius dan Willebrord van Royen:
Sinar datang, sinar bias, dan garis normal terletak dalam satu bidang datar. Perbandingan proyeksi antara sinar datang dan sinar bias
yang sama panjangnya pada bidang batas antara dua zat bening selalu merupakan bilangan tetap. Perbandingan tetap ini disebut
indeks bias antara kedua zat itu. Indeks bias sendiri adalah perbandingan kecepatan cahaya di ruang hampa dengan kecepatan cahaya
dalam zat itu sendiri. Indeks bias dapat dihitung dengan rumus berikut ini:
𝑣1 𝑛1
=
𝑣2 𝑛2
Keterangan:
𝑛1 adalah indeks bias medium 1 (medium awal)
𝑛2 adalah indeks bias medium 2 (medium akhir)
𝑣1 adalah kecepatan cahaya pada medium 1
𝑣2 adalah kecepatan cahaya pada medium 2

Perbandingan cepat rambat cahaya di ruang hampa (c) dengan cepat rambat cahaya di dalam medium disebut indeks bias mutlak.
Indeks bias mutlak suatu medium dapat dicari dengan persamaan berikut.
𝑐
𝑛=
𝑣

Keterangan:
n: indeks bias mutlak medium
c: adalah kecepatan cahaya di ruang hampa
v: adalah kecepatan cahaya pada medium

Berikut ini adalah beberapa contoh indeks bias mutlak beberapa medium yang disajikan dalam bentuk tabel.
Tabel Indeks Bias Mutlak Berbagai Medium

Medium Indeks Bias

Ruang hampa (vakum) 1,0000
Udara 1,0003
Es 1,3100
Air (20°C) 1,3300
Etil alkohol 1,3600
Kaca kwartz 1,4590
Kuarsa 1,4600
Gliserin 1,4700
Benzena 1,5010
Kaca plexi 1,5100
Kaca kerona 1,5200
Kaca flinta 1,6200
Batu nilam 1,7600
Intan 2,4200
Hukum Snellius

Hukum Snellius adalah rumus yang memberikan hubungan antara sudut datang dan sudut bias pada cahaya atau gelombang lainnya
yang melalui batas antara dua medium isotropik berbeda, seperti udara dan gelas. Nama hukum ini diambil dari matematikawan
Belanda Willebrord Snellius, yang merupakan salah satu penemunya. Hukum ini juga dikenal sebagai Hukum Descartes atau Hukum
Pembiasan.
Perumusan matematis hukum Snellius adalah

sin θ1 𝑣1 𝑛1
= =
sin θ2 𝑣2 𝑛2

Dengan penulisan lain

n1 sin θ1 = 𝑛2 𝑠𝑖𝑛θ2 atau 𝑣2 sin θ1 = 𝑣1 𝑠𝑖𝑛θ2

Keterangan:
n1 = indeks bias medium 1 / udara = 1
n2 = indeks bias medium 2
θ1 = sudut datang = 53º
θ2 = sudut bias = 30º

Hukum Snellius dapat digunakan untuk menghitung sudut datang atau sudut bias, dan dalam eksperimen untuk menghitung indeks
bias suatu bahan.

Pemantulan Total atau Pemantulan Sempurna

Jika sinar datang dari medium lebih rapat menuju medium kurang rapat, maka sinar akan dibiaskan menjauhi garis normal. Jika
sudut sinar datang kita perbesar, maka sudut bias akan makin besar pula. Suatu saat, sudut bias akan sama dengan 90º. Hal ini berarti
sinar dibiaskan sejajar dengan bidang antarmedium. Jika sudut sinar datang kita perbesar lagi, maka sinar datang tidak lagi di
biaskan, akan tetapi dipantulkan. Peristiwa ini yang kita sebut dengan pemantulan total atau pemantulan sempurna. Perhatikan
gambar berikut ini!

Sinar datang dengan sudut i akan dibiaskan dengan sudut bias r. Jika sudut sinar datang diperbesar sampai i = θ, maka sinar akan
dibiaskan sejajar dengan permukaan air (karena sudut datang θ menghasilkan sudut bias 90°, maka θ disebut sudut batas). Jika
sudut sinar datang lebih besar daripada sudut batas, maka sinar akan dipantulkan seluruhnya oleh permukaan air kembali ke dalam
air. Contoh terjadinya pemantulan total adalah kemilau berlian, fatamorgana, dan serat optik.

Sudut Kritis dan Pemantulan Sempurna

Mengapa berlian tampak berkilauan ketika cahaya jatuh pada permukaannnya? Mengapa pada saat terik matahari jalan raya beraspal
tampak seperti tergenang air? Pada kedua gejala Fisika tersebut, cahaya mengalami pemantulan sempurna. Bagaimana pemantulan
sempurna itu terjadi?

Pembahasan kali ini akan membahas materi pemantulan sempurna juga, hanya saja pada pembahasan kali ini akan dijelaskan secara
mendetail juga disertai dengan contohnya. Silahkan lihat gambar berikut ini.
Gambar di atas menunjukan cahaya bergerak dari medium lebih rapat (kaca) ke medium kurang rapat (udara), atau dari medium
yang memiliki indeks bias lebih besar ke medium yang indeks biasnya lebih kecil. Menurut konsekwensi dari hukum Snellius, jika
cahaya bergerak dari medium lebih rapat ke medium kurang rapat maka cahaya tersebut akan dibiaskan menjauhi garis normal.

Ketika cahaya datang dengan sudut datang nol, maka sudut biasnya juga nol, seperti ditunjukan oleh sinar 1. Kemudian, pada saat
sudut datang diperbesar (sinar 2, sinar 3, dan sinar 4), sudut bias pun bertambah besar atau semakin menjauhi garis normal. Pada
saat sinar datang dengan sudut datang tertentu (seperti gambar di atas pada sinar 5) cahaya akan dibiaskan 90° terhadap garis normal
sehingga sinar biasnya sejajar dengan permukaan bidang batas medium (kaca-udara). Pada keadaan seperti ini, sudut sinar datang
disebut sudut kritis.

Dengan kata lain, sudut kritis adalah saat sudut datang ketika sinar datang dibiaskan dengan sudut bias 90°. Jika sudut datang
diperbesar lagi melebihi sudut kirits, cahaya tidak akan dibiaskan melainkan akan dipatulkan sempurna. Artinya, cahaya tidak akan
keluar dari medium kaca, seperti yang ditunjukan pada gambar di atas pada sinar 6. Peritiwa inilah yang disebut pemantulan
sempurna.
Berdasarkan hal tersebut, dapat disimpulkan bahwa pemantulan sempurna hanya terjadi jika memenuhi dua syarat berikut.
1. Cahaya datang dari medium lebih rapat ke medium kurang rapat
2. Sudut datang lebih besar daripada sudut kritis.

Prinsip pemantulan sempurna dimanfaatkan dalam teknologi komunikasi, yakni pada serat optik (fiber optic), seperti pada gambar
di bawah ini. Serat optik adalah suatu serat halus terbuat dari plastik atau kaca yang digunakan untuk menyalurkan cahaya atau
gelombang elektromagnetik. Serat optik terdiri atas bagian inti dan bagian luar sebagai pembungkusnya. Bagian inti terbuat dari
kaca yang memiliki indeks bias tinggi dan berkualitas baik. Indeks bias yang tinggi akan mengakibatkan sudut kritis kecil sehingga
sinar datang dengan sudut datang yang tidak terlalu besar akan mengalami pemantulan sempurna.

Bagian luar yang merupakan pembungkus, terbuat dari plastik atau material lain yang berfungsi melindungi bagian inti.
Oleh karena cahaya atau gelombang elektromagnetik yang masuk ke dalam serat optik mengalami pemantulan sempurna, pada
saat keluar dari serat optik, energi cahaya tidak banyak yang hilang. Berdasarkan hal itu jika yang dikirim adalah sinyal-sinyal
komunikasi dalam bentuk gelombang cahaya, pada saat diterima di tempat tujuan sinyal tersebut sampai secara utuh tanpa banyak
kehilangan energi. Berdasarkan pada proses terjadinya pemantulan sempurna, dapat ditentukan pula besarnya sudut kritis untuk
dua medium tertentu sebagai berikut. Pada saat terjadi pemantulan sempurna, berlaku persamaan berikut.
sin i/sin r = n2/n1 dengan n1 < n2 dan r =90° sehingga

Keterangan:
ik = sudut kritis
Pemantulan pada cermin datar

Cermati gambar di atas, titik S’ merupakan bayangan dari titik S. Adapun proses pembentukan bayangan pada cermin datar adalah
sebagai berikut.
• Sinar datang SP1 (sinar 1) jatuh pada cermin datar dengan sudut datang θ1, kemudian sinar ini dipantulkan. Perhatikan
jalan sinar 1.
• Sinar datang SP2 (sinar 2) jatuh pada cermin datar dengan sudut datang θ2, kemudian sinar ini dipantulkan. Perhatikan
jalan sinar 2.
• Perpanjangan sinar pantul 1 dan sinar pantul 2 di belakang cermin dilukiskan dengan garis putus-putus dan berpotongan
di titik S’.
Dengan demikian, letak bayangan titik S adalah S’ yang dibentuk dari perpotongan perpanjangan dua sinar pantul.

Dengan cara yang sama seperti langkah di atas, bayangan benda dua dimensi dan tiga dimensi dapat terbentuk oleh cermin datar.
Proses pembentukan bayangannya sama seperti pada benda titik. Hal yang terpenting adalah dalam setiap proses pembentukan
bayangan, kita harus selalu menerapkan Hukum Snellius pada Pemantulan Cahaya. Berikut ini adalah gambar proses
pembentukan bayangan pada benda bukan titik.

Sifat-Sifat Bayangan pada Cermin Datar

Untuk benda yang bukan berupa titik atau garis, kalian akan mendapatkan bahwa ukuran bayangan benda persis sama dengan
ukuran bendanya. Benda dan bayangan hanya berbeda dalam hal arah kiri dan kanannya. Bagian kiri objek menjadi bagian kanan
bayangan dan sebaliknya, bagian kanan objek menjadi bagian kiri bayangan. Peristiwa ini disebut dengan pembalikan sisi (lateral
inversion). Oleh karena adanya pembalikan sisi ini, tulisan yang hendak dibaca melalui cermin, penulisan hurufnya harus dibalik.

Berdasarkan bayangan benda pada cermin datar, dapat disimpulkan bahwa sifat-sifat bayangan benda yang dibentuk oleh cermin
datar adalah sebagai berikut.
• Bersifat semu (maya), karena bayangan yang terbentuk berada di belakang cermin. Bayangan maya yaitu bayangan yang
terjadi karena pertemuan perpanjangan sinar-sinar cahaya, sedangkan bayangan nyata adalah bayangan yang terjadi
karena pertemuan langsung sinar-sinar cahaya (bukan perpanjangannya).
• Tegak dan menghadap ke arah yang berlawanan terhadap cermin (berkebalikan).
• Ukuran bayangan sama dengan ukuran benda.
• Tinggi benda sama dengan tinggi bayangan.
• Jarak benda terhadap cermin sama dengan jarak bayangan terhadap cermin.

Perbesaran Bayangan pada Cermin Datar

Berdasarkan sifat-sifat bayangan yang dibentuk oleh cermin datar di atas, kita ketahui bahwa tinggi dan jarak bayangan terhadap
cermin datar itu sama dengan tinggi dan jarak benda terhadap cermin. Perbandingan tinggi bayangan dengan tinggi benda pada
cermin disebut perbesaran bayangan. Pada cermin datar, perbesaran bayangan dirumuskan sebagai berikut.
 h' s’
M = = = 1
h s

Keterangan:
M = perbesaran bayangan
h' = tinggi bayangan
h = tinggi benda
s = jarak benda ke cermin
s’ = jarak bayangan ke cermin

Persamaan di atas memberikan arti bahwa tinggi bayangan (h’) sama dengan tinggi benda (h) dan jarak benda ke cermin (s) sama
dengan jarak bayangan ke cermin (s’).

Jumlah Bayangan pada 2 Cermin Datar

Jika sebuah benda berada di antara dua cermin atau lebih yang disusun membentuk sudut tertentu, bagaimanakah jumlah
bayangan yang terbentuk pada kedua cermin? Ya, benda akan mempunyai bayangan lebih dari satu. Coba kalian perhatikan
pembentukan bayangan pada titik yang terletak pada dua cermin datar yang saling tegak lurus berikut ini.

Apabila sebuah benda berada di depan dua buah cermin yang membentuk sudut θ satu sama lain, maka akan terbentuk sejumlah
bayangan. Jumlah bayangan bergantung pada berapa besar sudut θ. Berdasarkan hasil eksperimen, jumlah bayangan yang
dibentuk oleh dua buah cermin datar yang membentuk sudut θ dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut.

360°
n = − 1
θ

Keterangan:
n = jumlah bayangan
θ = sudut apit kedua cermin