Pantulan dan Pembiasan Dijelaskan: Cermin dan Hukum Snell

Cahaya sebagai sinar

Untuk kebanyakan optik harian, kita menganggap cahaya sebagai sinar: garis lurus dengan anak panah yang menunjukkan arah pergerakan cahaya. Model sinar ini berfungsi dengan baik apabila objek jauh lebih besar daripada panjang gelombang cahaya, seperti cermin, kanta dan bayang-bayang biasa. Model ini mengabaikan kesan gelombang seperti pembelauan, jadi ia hanyalah anggaran, tetapi sangat berguna.

Satu idea membantu memastikan setiap rajah tepat. Sudut diukur dari normal, iaitu garis khayalan yang bersudut tepat dengan permukaan pada titik tempat sinar mengenainya. Mengukur dari permukaan itu sendiri ialah cara yang paling biasa untuk mendapat jawapan yang salah.

Hukum pantulan

Apabila sinar terkena permukaan licin, sinar itu melantun pada sudut yang sama dengan sudut ketibaannya:

θᵢ = θᵣ

Sinar datang, sinar keluar dan normal semuanya terletak pada satu satah rata. Itulah keseluruhan hukum ini, dan hukum ini tepat untuk cermin licin.

Kesan cermin rata terhadap imej

Cermin satah membentuk imej maya. Mata anda menjejaki sinar pantulan ke belakang dalam garis lurus dan mendapati sinar itu seolah-olah datang dari satu titik di belakang cermin, sejauh objek berada di hadapan cermin. Tiada cahaya yang sebenarnya tiba dari situ, sebab itulah anda tidak dapat memancarkan imej itu ke skrin.

Imej itu sama saiz dengan objek, tetapi terbalik dari depan ke belakang, jadi tangan kanan anda kelihatan seperti tangan kiri kembar anda. Susun dua cermin pada sudut tepat dan anda mendapat periskop: setiap cermin mematuhi hukum yang sama, dan kedua-duanya mengarahkan cahaya mengelilingi dinding.

Mengapa cahaya membengkok: indeks pembiasan

Cahaya bergerak paling laju dalam vakum, kira-kira 300,000 km/s. Dalam bahan seperti air atau kaca, cahaya bergerak lebih perlahan. Indeks pembiasan n membandingkan kedua-duanya:

n = c / v

Nilai bagi udara hampir 1, air kira-kira 1.33, kaca biasa kira-kira 1.5, dan berlian melebihi 2. Nilai n yang lebih besar bermaksud laju cahaya yang lebih perlahan dan pembengkokan yang lebih kuat.

Apabila sinar melintasi pada suatu sudut dari satu bahan ke bahan lain, satu sisi rasuk menjadi perlahan sebelum sisi yang satu lagi, lalu rasuk itu membelok. Itulah pembiasan. Sebahagian cahaya dipantulkan pada sempadan yang sama, jadi tingkap membolehkan anda melihat melaluinya dan juga menunjukkan pantulan yang samar.

Hukum Snell

Peraturan tepat untuk pembiasan ialah hukum Snell:

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

Setiap sudut diukur dari normal, dalam bahannya sendiri. Katakan cahaya bergerak dari udara (n kira-kira 1.00) ke dalam air (n kira-kira 1.33) pada 45°. Kemudian sin θ₂ = sin 45° ÷ 1.33, iaitu kira-kira 0.53, lalu menghasilkan sudut hampir 32°. Sinar itu membengkok menghampiri normal.

Menghampiri atau menjauhi normal?

Anda tidak perlu membuat pengiraan untuk mengetahui arahnya:

• apabila memasuki bahan lebih tumpat (nilai n lebih tinggi), sinar membengkok menghampiri normal;
• apabila memasuki bahan kurang tumpat (nilai n lebih rendah), sinar membengkok menjauhi normal.

Laluan cahaya boleh diterbalikkan, jadi sinar yang keluar semula mengikut laluan yang sama secara terbalik. Jika sudut dalam bahan yang lebih tumpat menjadi cukup besar, cahaya yang keluar daripadanya tidak dapat dibiaskan langsung dan sebaliknya dipantulkan sepenuhnya. Kesan ini dipanggil pantulan dalaman penuh, yang digunakan oleh gentian optik.

Pembiasan dalam kehidupan seharian

Pembiasan menerangkan beberapa ilusi yang biasa kita lihat:

• Kolam kelihatan lebih cetek daripada yang sebenarnya. Cahaya yang keluar dari air membengkok menjauhi normal, jadi dasar kolam kelihatan lebih tinggi. Jika melihat hampir tegak ke bawah, kedalaman nampak kira-kira kedalaman sebenar dibahagi dengan n.
• Penyedut minuman kelihatan patah di permukaan air kerana bahagian di bawah air dilihat melalui cahaya yang terbias.
• Syiling yang tersembunyi di sebalik tepi cawan boleh kelihatan apabila kamu menambah air, kerana sinar cahaya kini membias melepasi sisi.
• Miraj di jalan raya sebenarnya bukan lopak air. Cahaya dari langit membengkok ke atas melalui lapisan udara panas yang lebih nipis dan sampai ke mata kamu dari bawah.

Perhatikan bahawa semua ini ialah hukum Snell yang sama, cuma digunakan di tempat yang berbeza.

Salah faham yang biasa

• "Cahaya menjadi perlahan kerana terkena atom lalu berhenti." Gelombang itu tertangguh ketika bergerak melalui bahan; apabila keluar, ia kembali kepada laju penuh.
• "Cermin membalikkan kiri dan kanan." Cermin membalikkan depan dan belakang; kekeliruan kiri-kanan kamu datang daripada cara kamu membayangkan diri berpusing.
• "Pembengkokan bergantung pada ketebalan kaca." Ia bergantung pada sudut dan dua indeks pembiasan, bukan pada ketebalan, yang hanya mengalihkan sinar ke sisi.
• "Imej maya ialah khayalan." Ia cuma satu titik yang kelihatan sebagai tempat cahaya datang. Mata kamu tetap dapat melihatnya dengan jelas.

Cara menerokainya di makmal

Makmal Cahaya & Optik membolehkan kamu menghalakan sinar sebenar ke cermin dan bongkah kaca serta mengukur sudutnya. Laluan melalui dunia pertama percuma:

1. Sahkan peraturan pantulan dalam Hukum Pantulan.
2. Lihat imej tersembunyi dalam Cermin Satah & Imej.
3. Perlahankan cahaya dalam Indeks Pembiasan, kemudian gunakan Hukum Snell.
4. Ramalkan arah dalam Menuju atau Menjauhi Normal, kemudian terangkan kolam dalam Kedalaman Nampak.

Makmal ini ialah model pengajaran yang dipermudahkan dengan permukaan rata yang ideal dan satu panjang gelombang cahaya, jadi nombornya mudah dikira. Kaca sebenar menyebarkan warna sedikit, dan perkara itu akan diterangkan dalam dunia-dunia seterusnya.