Salah satu hukum penting perambatan gelombang cahaya dalam zat transparan adalah hukum pembiasan, dirumuskan pada awal abad ke-17 oleh Snell dari Belanda. Parameter yang muncul dalam rumusan matematis fenomena pembiasan adalah indeks dan sudut bias. Artikel ini membahas bagaimana sinar cahaya berperilaku ketika melewati permukaan media yang berbeda.
Apa fenomena pembiasan?
Sifat utama gelombang elektromagnetik adalah gerak lurusnya dalam ruang homogen (homogen). Ketika ketidakhomogenan terjadi, gelombang mengalami sedikit banyak penyimpangan dari lintasan bujursangkar. Ketidakhomogenan ini mungkin adanya medan gravitasi atau elektromagnetik yang kuat di wilayah ruang tertentu. Dalam artikel ini, kasus-kasus ini tidak akan dibahas, tetapi perhatian akan diberikan pada ketidakhomogenan yang terkait dengan zat tersebut.
Efek pembiasan sinar cahaya dalam formulasi klasiknyaberarti perubahan tajam dari satu arah gerak lurus berkas ini ke yang lain ketika melewati permukaan yang membatasi dua media transparan yang berbeda.
Contoh berikut memenuhi definisi yang diberikan di atas:
- transisi sinar dari udara ke air;
- dari gelas ke air;
- dari air ke berlian dll.
Mengapa fenomena ini terjadi?
Satu-satunya alasan untuk efek yang dijelaskan adalah perbedaan kecepatan gelombang elektromagnetik dalam dua media yang berbeda. Jika perbedaan tersebut tidak ada, atau tidak signifikan, maka saat melewati antarmuka, berkas akan mempertahankan arah rambat aslinya.
Media transparan yang berbeda memiliki kerapatan fisik, komposisi kimia, suhu yang berbeda. Semua faktor ini mempengaruhi kecepatan cahaya. Misalnya, fenomena fatamorgana adalah akibat langsung dari pembiasan cahaya di lapisan udara yang dipanaskan pada suhu yang berbeda di dekat permukaan bumi.
Hukum utama pembiasan
Ada dua undang-undang ini, dan siapa pun dapat memeriksanya jika mereka dipersenjatai dengan busur derajat, penunjuk laser, dan kaca tebal.
Sebelum merumuskannya, ada baiknya memperkenalkan beberapa notasi. Indeks bias ditulis sebagai ni, di mana i - mengidentifikasi media yang sesuai. Sudut datang dilambangkan dengan simbol 1 (theta satu), sudut biasnya adalah 2 (theta dua). Kedua sudut dihitungrelatif tidak terhadap bidang pemisah, tetapi normal terhadapnya.
Hukum 1. Garis normal dan dua sinar (θ1 dan 2) terletak pada bidang yang sama. Hukum ini benar-benar mirip dengan hukum pertama untuk refleksi.
UU No. 2. Untuk fenomena pembiasan, persamaan selalu benar:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Dalam bentuk di atas, rasio ini adalah yang paling mudah diingat. Dalam bentuk lain, terlihat kurang nyaman. Di bawah ini ada dua opsi lagi untuk menulis Hukum 2:
sin (θ1) / sin (θ2)=n2 / n1;
sin (θ1) / sin (θ2)=v1 / v2.
Di mana vi adalah cepat rambat gelombang pada medium ke-i. Rumus kedua mudah diperoleh dari yang pertama dengan substitusi langsung ekspresi untuk ni:
i=c / vi.
Kedua hukum ini adalah hasil dari banyak eksperimen dan generalisasi. Namun, mereka dapat diperoleh secara matematis dengan menggunakan apa yang disebut prinsip waktu paling sedikit atau prinsip Fermat. Selanjutnya, prinsip Fermat diturunkan dari prinsip Huygens-Fresnel dari sumber gelombang sekunder.
Fitur Hukum 2
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Dapat dilihat bahwa semakin besar eksponen n1 (media optik padat di mana kecepatan cahaya sangat berkurang), semakin dekat θ 1 ke normal (fungsi sin (θ) naik secara monoton sebesarsegmen [0o, 90o]).
Indeks bias dan kecepatan gelombang elektromagnetik dalam media adalah nilai tabel yang diukur secara eksperimental. Misalnya, untuk udara, n adalah 1.00029, untuk air - 1,33, untuk kuarsa - 1,46, dan untuk kaca - sekitar 1,52. Cahaya sangat memperlambat pergerakannya dalam berlian (hampir 2,5 kali), indeks biasnya adalah 2,42.
Angka di atas mengatakan bahwa setiap transisi berkas dari media bertanda ke udara akan disertai dengan peningkatan sudut (θ2>θ 1). Saat mengubah arah sinar, kesimpulan sebaliknya adalah benar.
Indeks bias bergantung pada frekuensi gelombang. Gambar di atas untuk media yang berbeda sesuai dengan panjang gelombang 589 nm dalam ruang hampa (kuning). Untuk cahaya biru, angka ini akan sedikit lebih tinggi, dan untuk warna merah - lebih sedikit.
Perlu dicatat bahwa sudut datang sama dengan sudut bias sinar hanya dalam satu kasus tunggal, ketika indikator n1 dan n 2 sama.
Berikut adalah dua kasus berbeda penerapan hukum ini pada contoh media: kaca, udara dan air.
Sinar berpindah dari udara ke kaca atau air
Ada dua kasus yang layak dipertimbangkan untuk setiap lingkungan. Anda dapat mengambil contoh sudut datang 15o dan 55o pada perbatasan kaca dan air dengan udara. Sudut bias dalam air atau gelas dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
θ2=arcsin (n1 / n2 sin (θ1)).
Media pertama dalam hal ini adalah udara, yaitu n1=1, 00029.
Substitusikan sudut datang yang diketahui ke dalam persamaan di atas, kita peroleh:
untuk air:
(n2=1, 33): 2=11, 22o (θ1 =15o) dan 2=38, 03 o (θ1 =55o);
untuk kaca:
(n2=1, 52): 2=9, 81o (θ1 =15o) dan 2=32, 62 o (θ1 =55o).
Data yang diperoleh memungkinkan kita untuk menarik dua kesimpulan penting:
- Karena sudut bias dari udara ke kaca lebih kecil dari pada air, kaca mengubah arah sinarnya sedikit lebih banyak.
- Semakin besar sudut datang, semakin menyimpang berkas dari arah semula.
Cahaya bergerak dari air atau kaca ke udara
Sangat menarik untuk menghitung berapa sudut bias untuk kasus sebaliknya. Rumus perhitungan tetap sama seperti pada paragraf sebelumnya, hanya sekarang indikator n2=1.00029, yaitu sesuai dengan udara. Dapatkan
saat balok bergerak keluar dari air:
(n1=1, 33): 2=20, 13o (θ1=15o) dan 2=tidak ada (θ 1=55o);
saat balok kaca bergerak:
(n1=1, 52): 2=23,16o(θ1 =15o) dan 2=tidak ada (θ1=55o).
Untuk sudut 1 =55o, 2 yang bersesuaian tidak dapat bertekad. Ini karena ternyata lebih dari 90o. Situasi ini disebut pemantulan total di dalam medium rapat optik.
Efek ini dicirikan oleh sudut datang yang kritis. Anda dapat menghitungnya dengan menyamakan dalam hukum no. 2 sin (θ2) menjadi satu:
θ1c=arcsin (n2/ n1).
Mengganti indikator kaca dan air ke dalam ekspresi ini, kita mendapatkan:
untuk air:
(n1=1, 33): 1c=48, 77o;
untuk kaca:
(n1=1, 52): 1c=41, 15o.
Setiap sudut datang yang lebih besar dari nilai yang diperoleh untuk media transparan yang sesuai akan menghasilkan efek refleksi total dari antarmuka, yaitu tidak ada sinar bias.
