Pembiasan dan Refleksi Dijelaskan: Cermin dan Hukum Snell

Cahaya sebagai sinar

Dalam kebanyakan optik sehari-hari, kita menganggap cahaya sebagai sinar: garis lurus dengan panah yang menunjukkan arah rambat cahaya. Model sinar ini bekerja dengan baik ketika benda jauh lebih besar daripada panjang gelombang cahaya, seperti pada cermin, lensa, dan bayangan biasa. Model ini mengabaikan efek gelombang seperti difraksi, jadi hanya merupakan pendekatan, tetapi sangat berguna.

Ada satu gagasan yang membuat setiap diagram tetap akurat. Sudut diukur dari garis normal, yaitu garis khayal yang tegak lurus terhadap permukaan di titik tempat sinar jatuh. Mengukur dari permukaannya langsung adalah cara paling umum untuk mendapatkan jawaban yang salah.

Hukum refleksi

Ketika sinar mengenai permukaan yang halus, sinar itu memantul dengan sudut yang sama seperti sudut saat datang:

θᵢ = θᵣ

Sinar datang, sinar keluar, dan garis normal semuanya berada pada satu bidang datar. Itulah seluruh hukum tersebut, dan hukum ini tepat untuk cermin halus.

Pengaruh cermin datar terhadap bayangan

Cermin datar membentuk bayangan maya. Mata kamu menelusuri sinar pantul ke belakang dalam garis lurus dan mendapati bahwa sinar itu seolah-olah berasal dari suatu titik di belakang cermin, sejauh jarak benda di depan cermin. Tidak ada cahaya yang benar-benar tiba dari sana, sehingga kamu tidak bisa memproyeksikan bayangan itu ke layar.

Bayangannya berukuran sama dengan benda, tetapi terbalik dari depan ke belakang, sehingga tangan kananmu terlihat seperti tangan kiri kembaranmu. Susun dua cermin pada sudut siku-siku dan kamu mendapatkan periskop: setiap cermin mematuhi hukum yang sama, dan keduanya mengarahkan cahaya mengitari dinding.

Mengapa cahaya membelok: indeks bias

Cahaya bergerak paling cepat dalam ruang hampa, sekitar 300,000 km/s. Dalam material seperti air atau kaca, cahaya bergerak lebih lambat. Indeks bias n membandingkan keduanya:

n = c / v

Nilai untuk udara sangat mendekati 1, air sekitar 1.33, kaca biasa sekitar 1.5, dan berlian lebih dari 2. Nilai n yang lebih besar berarti kelajuan cahaya yang lebih rendah dan pembelokan yang lebih kuat.

Ketika sinar melintasi dari satu material ke material lain dengan membentuk sudut, satu sisi balok melambat lebih dulu daripada sisi lainnya, sehingga balok berbelok. Itulah pembiasan. Sebagian cahaya dipantulkan pada batas yang sama, sehingga jendela memungkinkan kamu melihat menembusnya sekaligus menampilkan pantulan samar.

Hukum Snell

Aturan tepat untuk pembiasan adalah hukum Snell:

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

Setiap sudut diukur dari garis normal, di materialnya masing-masing. Misalkan cahaya bergerak dari udara (n sekitar 1.00) ke air (n sekitar 1.33) pada sudut 45°. Maka sin θ₂ = sin 45° ÷ 1.33, yang hasilnya sekitar 0.53, sehingga sudutnya mendekati 32°. Sinar tersebut membelok mendekati garis normal.

Menuju atau menjauhi garis normal?

Kamu tidak perlu menghitung untuk mengetahui arahnya:

• saat memasuki material yang lebih rapat (nilai n lebih tinggi), sinar membelok menuju garis normal;
• saat memasuki material yang lebih renggang (nilai n lebih rendah), sinar membelok menjauhi garis normal.

Lintasannya dapat dibalik, jadi sinar yang keluar kembali mengikuti jalur yang sama secara terbalik. Jika sudut di dalam material yang lebih rapat menjadi cukup besar, cahaya yang meninggalkan material itu tidak dapat mengalami pembiasan sama sekali dan justru dipantulkan sepenuhnya. Efek ini disebut pemantulan internal total, yang menjadi dasar kerja serat optik.

Pembiasan dalam kehidupan sehari-hari

Pembiasan menjelaskan beberapa ilusi yang sering kita lihat:

• Kolam terlihat lebih dangkal daripada sebenarnya. Cahaya yang keluar dari air membelok menjauhi garis normal, sehingga dasar kolam tampak lebih tinggi. Jika melihat hampir lurus ke bawah, kedalaman tampak kira-kira sama dengan kedalaman sebenarnya dibagi n.
• Sedotan terlihat patah di permukaan air karena bagian yang berada di bawah air terlihat melalui cahaya yang membelok.
• Koin yang tersembunyi di balik tepi cangkir dapat terlihat saat kamu menambahkan air, karena sinarnya kini membelok melewati tepi.
• Fatamorgana di jalan sebenarnya bukan genangan air. Cahaya dari langit membelok ke atas melalui lapisan udara panas yang lebih renggang dan sampai ke matamu dari bawah.

Perhatikan bahwa semua ini adalah hukum Snell yang sama, hanya diterapkan di tempat yang berbeda.

Kesalahpahaman umum

• "Cahaya melambat karena menabrak atom dan berhenti." Gelombang mengalami penundaan saat merambat melalui material; setelah keluar, cahaya kembali ke kelajuan penuh.
• "Cermin membalik kiri dan kanan." Cermin membalik depan dan belakang; kebingungan kiri-kanan muncul dari cara kamu membayangkan berbalik.
• "Pembelokan bergantung pada ketebalan kaca." Pembelokan bergantung pada sudut dan dua indeks bias, bukan ketebalan, yang hanya menggeser sinar ke samping.
• "Bayangan maya itu khayalan." Bayangan maya hanyalah titik tempat cahaya seolah-olah berasal. Matamu dapat melihatnya dengan jelas.

Bagaimana cara menjelajahi ini di laboratorium.

Lab Cahaya & Optik memungkinkanmu mengarahkan sinar nyata ke cermin dan balok kaca, lalu mengukur sudutnya. Jalur melalui dunia pertama yang gratis:

1. Verifikasi aturan pantulan di Hukum Pemantulan.
2. Lihat gambar tersembunyi di Cermin Datar & Gambar.
3. Perlambat cahaya di Indeks Bias, lalu gunakan Hukum Snell.
4. Prediksi arah di Menuju atau Menjauhi Garis Normal, lalu jelaskan kolam di Kedalaman Semu.

Lab ini adalah model pengajaran sederhana dengan permukaan datar ideal dan satu panjang gelombang cahaya, sehingga hasil angkanya rapi. Kaca nyata sedikit menyebarkan warna, dan itu akan dibahas di dunia-dunia berikutnya.