Gambar dalam lensa, pengoperasian instrumen seperti mikroskop dan teleskop, fenomena pelangi dan persepsi yang menipu tentang kedalaman badan air adalah contoh fenomena pembiasan cahaya. Hukum yang menjelaskan fenomena ini dibahas dalam artikel ini.
Fenomena pembiasan
Sebelum membahas hukum pembiasan cahaya dalam fisika, mari kita berkenalan dengan esensi dari fenomena itu sendiri.
Seperti yang Anda ketahui, jika medium homogen di semua titik dalam ruang, maka cahaya akan bergerak di dalamnya sepanjang jalan lurus. Pembiasan jalur ini terjadi ketika berkas cahaya melintasi pada sudut antarmuka antara dua bahan transparan, seperti kaca dan air atau udara dan kaca. Pindah ke medium homogen lain, cahaya juga akan bergerak dalam garis lurus, tetapi sudah akan diarahkan pada beberapa sudut ke lintasannya di medium pertama. Ini adalah fenomena pembiasan berkas cahaya.
Video di bawah ini menunjukkan fenomena pembiasan menggunakan kaca sebagai contoh.
Poin penting di sini adalah sudut datang padapesawat antarmuka. Besarnya sudut ini menentukan apakah fenomena pembiasan akan diamati atau tidak. Jika balok jatuh tegak lurus ke permukaan, maka, setelah melewati media kedua, ia akan terus bergerak sepanjang garis lurus yang sama. Kasus kedua, ketika pembiasan tidak akan terjadi, adalah sudut datang berkas yang berpindah dari media yang lebih rapat secara optik ke media yang kurang rapat, yang lebih besar dari beberapa nilai kritis. Dalam hal ini, energi cahaya akan sepenuhnya dipantulkan kembali ke medium pertama. Efek terakhir dibahas di bawah ini.
Hukum pertama pembiasan
Bisa juga disebut hukum tiga garis dalam satu bidang. Misalkan ada seberkas cahaya A yang jatuh pada antarmuka antara dua bahan transparan. Di titik O, sinar dibiaskan dan mulai bergerak sepanjang garis lurus B, yang bukan merupakan kelanjutan dari A. Jika kita mengembalikan tegak lurus N ke bidang pemisah ke titik O, maka hukum ke-1 untuk fenomena pembiasan dapat dirumuskan sebagai berikut: sinar datang A, normal N dan sinar bias B terletak pada bidang yang sama, yang tegak lurus terhadap bidang antarmuka.
Hukum sederhana ini tidak jelas. Formulasinya merupakan hasil generalisasi dari data eksperimen. Secara matematis, dapat diturunkan menggunakan apa yang disebut prinsip Fermat atau prinsip waktu terkecil.
Hukum Pembiasan Kedua
Guru fisika sekolah sering memberi siswa tugas berikut: "Memformulasikan hukum pembiasan cahaya." Kami telah mempertimbangkan salah satunya, sekarang mari kita beralih ke yang kedua.
Denotasikan sudut antara sinar A dan tegak lurus N sebagai 1, sudut antara sinar B dan N disebut θ2. Kita juga memperhitungkan bahwa kecepatan balok A dalam medium 1 adalah v1, kecepatan balok B dalam medium 2 adalah v2. Sekarang kita dapat memberikan rumusan matematis dari hukum ke-2 untuk fenomena yang sedang dipertimbangkan:
sin(θ1)/v1=sin(θ2)/ v2.
Formula ini diperoleh oleh orang Belanda Snell pada awal abad ke-17 dan sekarang menyandang nama belakangnya.
Sebuah kesimpulan penting berikut dari ekspresi: semakin besar kecepatan rambat cahaya dalam medium, semakin jauh dari normal berkas akan (semakin besar sinus sudut).
Konsep indeks bias medium
Rumus Snell di atas saat ini ditulis dalam bentuk yang sedikit berbeda, yang lebih nyaman digunakan saat memecahkan masalah praktis. Memang, kecepatan v cahaya dalam materi, meskipun kurang dari itu dalam ruang hampa, masih merupakan nilai besar yang sulit untuk dikerjakan. Oleh karena itu, nilai relatif diperkenalkan ke dalam fisika, kesetaraan yang disajikan di bawah ini:
n=c/v.
Di sini c adalah kecepatan balok dalam ruang hampa. Nilai n menunjukkan berapa kali nilai c lebih besar dari nilai v pada materi. Ini disebut indeks bias bahan ini.
Dengan mempertimbangkan nilai yang dimasukkan, rumus hukum pembiasan cahaya akan ditulis ulang dalam bentuk berikut:
sin(θ1)n1=sin(θ2) n2.
Materi yang memiliki nilai n besar,disebut densitas optik. Melewatinya, cahaya memperlambat kecepatannya sebanyak n kali dibandingkan dengan nilai yang sama untuk ruang hampa udara.
Rumus ini menunjukkan bahwa berkas akan berada lebih dekat ke garis normal pada medium yang lebih rapat secara optik.
Misalnya, kita perhatikan bahwa indeks bias udara hampir sama dengan satu (1.00029). Untuk air nilainya adalah 1,33.
Pemantulan total dalam medium rapat optik
Mari kita lakukan percobaan berikut: mari kita mulai seberkas cahaya dari kolom air menuju permukaannya. Karena air secara optik lebih rapat daripada udara (1, 33>1, 00029), sudut datang 1 akan lebih kecil dari sudut bias θ2. Sekarang, kita akan meningkatkan secara bertahap 1, masing-masing, 2 juga akan meningkat, sedangkan ketimpangan θ1<θ2selalu tetap benar.
Akan tiba saatnya 1<90o dan 2=90 o. Sudut 1 ini disebut kritis untuk sepasang media air-udara. Setiap sudut datang yang lebih besar dari ini akan mengakibatkan tidak ada bagian dari berkas yang melewati antarmuka air-udara ke media yang kurang rapat. Seluruh sinar pada batas akan mengalami refleksi total.
Penghitungan sudut kritis datang c dilakukan dengan rumus:
θc=arcsin(n2/n1).
Untuk media air danudara itu adalah 48, 77o.
Perhatikan bahwa fenomena ini tidak dapat dibalik, yaitu, ketika cahaya bergerak dari udara ke air, tidak ada sudut kritis.
Fenomena yang dijelaskan digunakan dalam pengoperasian serat optik, dan bersama dengan dispersi cahaya adalah penyebab munculnya pelangi primer dan sekunder saat hujan.
