Pembiasaan cahaya contoh soal dan pembahasan

PEMBIASAN CAHAYA

Pembelokan berkas cahaya yang merambat dari satu medium ke medium

lain yang kerapatan optiknya berbeda disebut pembiasan (refraksi). Mengapa terjadi pembiasan cahaya? Pembiasan terjadi karena kerapatan optik keduamedium berbeda. Kerapatan optik udara lebih kecil dibandingkan kerapatan optickaca. Arah pembiasan cahaya dibedakan menjadi dua macam yaitu :

·         mendekati garis normal

Cahaya dibiaskan mendekati garis normal jika cahaya merambat dari

medium optik kurang rapat ke medium optik lebih rapat, contohnya cahayamerambat dari udara ke dalam air.

·         menjauhi garis normal

Cahaya dibiaskan menjauhi garis normal jika cahaya merambat dari

medium optik lebih rapat ke medium optik kurang rapat, contohnya cahayamerambat dari dalam air ke udara.

  

Gambar 2.20. Pembiasan cahaya yang berbeda kerapatan kerapatan optiknya

(Sumber : Giancoli, 2001: 258)

Syarat-syarat terjadinya pembiasan :

1) Cahaya melalui dua medium yang berbeda kerapatan optiknya;

2) Cahaya datang tidak tegak lurus terhadap bidang batas (sudut datang lebih kecil dari 900)

Beberapa contoh gejala pembiasan yang sering dijumpai dalam kehidupan sehari-hari diantaranya :

·         Dasar kolam terlihat lebih dangkal bila dilihat dari atas.

·         Kacamata minus (negatif) atau kacamata plus (positif) dapat membuat jelas pandangan bagi penderita rabun jauh atau rabun dekat karena adanya pembiasan.

·         Terjadinya pelangi setelah turun hujan.

Indeks Bias

Pembiasan cahaya dapat terjadi dikarenakan perbedaan laju cahaya pada

kedua medium. Laju cahaya pada medium yang rapat lebih kecil dibandingkan

dengan laju cahaya pada medium yang kurang rapat. Menurut Christian Huygens

(1629-1695) :“Perbandingan laju cahaya dalam ruang hampa dengan laju

cahaya dalam suatu zat dinamakan indeks bias.”

Secara matematis dapat dirumuskan :

dimana :

n = indeks bias

c = laju cahaya dalam ruang hampa (3 x 108 m/s)

v = laju cahaya dalam zat

(Sumber : Giancoli, 2001: 256).

Hukum pembiasan Snellius

Pada sekitar tahun 1621, ilmuwan Belanda bernama Willebrord Snell

(1591 –1626) melakukan eksperimen untuk mencari hubungan antara sudut

datang dengan sudut bias. Hasil eksperimen ini dikenal dengan nama hukum Snell

yang berbunyi :

·         Hukum I Snellius: Sinar datang, sinar bias, dan garis normal terletak pada satu bidang datar (gambar 1).

·         Hukum II Snellius: Jika sinar datang dari medium kurang rapat ke medium lebih rapat (misalnya dari udara ke air atau dari udara ke kaca), maka sinar dibelokkan mendekati garis normal (gambar a); jika sebaliknya, sinar datang dari medium lebih rapat ke medium kurang rapat (misalnya dari air ke udara), maka sinar dibelokkan menjauhi garis normal (gambar b).

B.     PEMBIASAN PADA KACA PLANPARALEL

Gambar 2.21. Diagram jalannya sinar pada peristiwa pembiasan cahaya pada kaca plan parallel

Bidang batas I = bidang yang membatasi udara dan kaca

-       Bidang batas II = bidang yang membatasi kaca dan udara

-       AO = sinar datang bagi bidang batas I

-       OP = sinar bias bagi bidang batas I dan sinar datang bagi bidang batas II

-       PB = sinar bias bagi bidang batas II

-       N = garis normal (garis yang tegak lurus dengan bidang batas).

Sinar yang datang dari udara ke kaca dibiaskan mendekati garis normal

(renggang ke rapat berarti merapat atau mendekat). Sinar yang datang dari kaca ke

udara dibiaskan menjauhi garis normal (rapat ke regang berarti merging atau

menjauh).

            Berkas sinar masuk dari salah satu sisi balok kaca dengan sudut datang i

dan lalu mengalami pembiasan dua kali. Pertama saat melewati bidang batas

antara udara dan balok kaca, berkas sinar dibiaskan dengan sudut bias r. Kedua,

saat melewati bidang batas antara balok kaca dan udara, berkas sinar datang ke

bidang batas dengan sudut datang i' dan sudut bias r'. Tampak pada Gambar, besar

sudut bias pertama sama dengan sudut datang kedua atau r = i'. Tampak pula

berkas sinar yang masuk ke balok bergeser ke arah kiri bawah saat keluar dari

balok kaca, namun keduanya tampak sejajar.

C.    PEMBIASAN PADA PRISMA

Prisma merupakan benda bening (transparan) yang terbuat dari bahan

gelas yang dibatasi oleh dua bidang permukaan yang membentuk sudut tertentu.

Kedua bidang permukaan disebut bidang pembias dan sudut yang dibentuknya

disebut sudut pembias. Skema pembiasan cahaya pada prisma seperti tampak pada

gambar berikut.

Gambar 2.22. Diagram pembiasan cahaya pada prisma

Sinar datang EF yang mengenai bidang batas pertama dibiaskan mendekati

garis normal N1. Sinar bias FG ini berfungsi sebagai sinar datang bagi bidang

batas kedua sehingga setelah keluar dari prisma, sinar itu dibiaskan menjauhi garis

normal N2. Perpanjangan sinar datang EF dan perpanjangan sinar bias yang keluardari prisma GH membentuk sudut deviasi D. Sudut deviasi adalah sudut yangdibentuk oleh perpanjangan sinar datang dan sinar bias yang keluar dari prisma.

D.    PEMBIASAN PADA LENSA

Lensa merupakan benda bening yang dibatasi oleh dua permukaan atau

lebih dengan paling tidak salah satu permukaannya merupakan bidang lengkung.

Lensa tipis adalah lensa yang ketebalannya dapat diabaikan. Lensa terdiri dari 2

jenis, yaitu lensa cembung (konveks) dan lensa cekung (konkaf). Lensa cembung

memiliki bagian tengah yang lebih tebal daripada bagian tepinya. Sedangkanlensa cekung memiliki bagian tengah yang lebih tipis daripada bagian tepinya.

Ø  Lensa Cembung

Lensa cembung adalah lensa yang bagian tengahnya lebih tebal dari

bagian tepinya. Lensa cembung terdiri dari 3 macam yaitu :

1)      Lensa bikonveks (cembung ganda) yaitu lensa kedua permukaannya cembung.

2) Lensa konkaf konveks (meniskus cembung/cembung cekung) yaitu lensa yang permukaannya satu cembung yang lainnya cekung.

3) Lensa plankonveks (cembung datar) yaitu lensa yang permukaannya satu cembung dan yang lain datar.

E.     PEMBENTUKAN BAYANGAN PADA LENSA CEMBUNG

Seperti pada cermin lengkung, pada lensa dikenal pula tiga berkas sinar

istimewa. Pada lensa positif tiga sinar istimewa tersebut adalah:

1. Sinar datang sejajar sumbu utama akan dibiaskan melalui fokus utama.

2. Sinar datang melalui fokus utama dibiaskan sejajar sumbu utama.

3. Sinar datang melalui pusat optik akan diteruskan tanpa dibiaskan.

Berkas sinar-sinar istimewa di atas dibutuhkan saat hendak menentukan bayangan suatu benda yang dibentuk oleh lensa dengan cara melukis sepertidijelaskan berikut ini :

Posisi benda di sebelah kiri 2F2, s > 2F2

Gambar 2.25. Pembentukan bayangan oleh lensa positif untuk benda yang

diletakkan pada jarak yang lebih jauh dari titik 2F2.

Dari gambar diatas, untuk benda nyata yang diletak didepan lensa, maka

bayangan yang terbentuk bersifat terbalik, nyata, diperkecil.

Melukis Pembentukan Bayangan pada Lensa

Ø  Persamaan Lensa

1)      Jarak Fokus

Dimana :

f = jarak fokus cermin (m) = R/2

s = jarak benda (m)

s’ = jarak bayangan (m)

R = jari-jari kelengkungan cermin

(Sumber :Halliday, Resnick dan Walker, 2001:1146).

a)      Untuk lensa cembung jarak fokus positif (f) disebut juga lensa konvergen (mengumpulkan cahaya).

b)      Untuk lensa cekung jarak fokusnya negatif (-f) disebut juga lensa divergen (menyebarkan cahaya).

2)      Perbesaran Bayangan

Dimana :

s = jarak benda

s' = jarak bayangan

h = tinggi benda

h' = tinggi bayangan

3)      Kekuatan Lensa

Walaupun titik fokus merupakan titik terpenting pada lensa, ukuranlensa tidak dinyatakan dalam jarak fokus f, melainkan oleh suatubesaran lain. Besaran yang menyatakan ukuran lensa dinamakankuat lensa (diberi lambang P) yang didefinisikan sebagai kebalikandari fokus f. Secara matematis dapat ditulis sebagai

Dimana : P = kekuatan lensa (dioptri)

f = jarak fokus lensa (dalam cm)

(Sumber: Halliday, Resnick dan Walker, 2001:1170).

Jarak fokus lensa cembung bernilai positif (+) sehingga kuat lensacembung bernilai positif (+). Sebaliknya, jarak fokus lensa cekungbernilai negatif (-), maka kuat lensa cekung bernilai negatif (-).Jadi, kuat lensa menggambarkan kemampuan lensa untukmembelokkan sinar. Untuk lensa cembung, makin kuat lensanya,makin kuat lensa itu mengumpulkan sinar. Sebaliknya, untuk lensacekung, makin kuat lensanya, makin kuat lensa itu menyebarkansinar.

Pembentukan Banyangan Benda di Ruang I

Jika benda ada di ruang I atau berada diantara pusat optik dengan titik fokus F2 pada lensa cembung, maka pembentukan banyangannya seperti gambar di bawah ini.

Karena hasil bayangan merupakan perpotongan dari perpanjangan sinar bias maka sifat bayangannya yakni maya, tegak dan diperbesar serta berada di ruang IV.

Pembentukan Banyangan Benda Di Titik Fokus F2

Jika benda ada tepat di titik fokus F2 pada lensa cembung, maka pembentukan banyangannya seperti gambar di bawah ini.

Pembentukan Banyangan Benda Di Ruang II

Jika benda ada di ruang II atau berada diantara F2 dengan 2F2 pada lensa cembung, maka pembentukan banyangannya seperti gambar di bawah ini.

Dari gambar di atas terlihat bahwa jika benda berada di ruang II maka bayangan benda akan terbentuk di ruang IV dengan sifat-sifat bayangan yakni nyata, terbalik, dan diperbesar.

Pembentukan Banyangan Benda Di 2F2

Jika benda tepat berada di titik 2F2 pada lensa cembung, maka bentukan banyangannya seperti gambar di bawah ini.

Dari gambar di atas terlihat bahwa jika benda tepat berada di titik 2F2 maka bayangan benda akan terbentuk akan tepat berada di 2F1 dengan sifat-sifat bayangan yakni nyata, terbalik, dan sama besar.

Pembentukan Banyangan Benda Di Ruang III

Jika benda berada di ruang III pada lensa cembung, maka bentukan banyangannya seperti gambar di bawah ini.

Dari gambar di atas terlihat bahwa jika benda berada di ruang III maka bayangan benda akan terbentuk di ruang II dengan sifat-sifat bayangan yakni nyata, terbalik, dan diperkecil.

Dari pemaparan di atas maka kita dapat lihat bahwa jika benda berada di ruang I maka bayangannya berada di ruang IV, jika benda berada diruang II maka bayangannya akan berada di ruang III, begitu juga jika benda berada di ruang III maka bayangannya berada di ruang II. Berdasarkan hal tersebut untuk ruang benda dan ruang bayangan dapat dirumuskan sebagai berikut:

Ruang Benda + Ruang Bayangan = 5
contoh soal:
Fisikastudycenter.com- Contoh Soal dan Pembahasan materi Pembiasan Cahaya Bagian Pertama (nomor.1 - 5), Materi Fisika kelas 10 SMA mencakup penggunaan rumus pembiasan, menentukan perubahan-perubahan yang terjadi pada gelombang yang melintasi dua medium berbeda dan mencari kedalaman semu/kedalaman tampak.

Soal No. 1
Perhatikan gambar berikut! Sinar melintasi dua buah medium yang memiliki indeks bias berbeda.



Jika sudut datang sinar adalah 53° dan sudut bias sebesar 37° tentukan nilai indeks bias medium yang kedua jika medium yang pertama adalah udara!
Pembahasan
Soal diatas termasuk tipe mudah, penggunaan dari persamaan :
n₁ sin i = n₂ sin r
Dimana :
n₁ = indeks bias medium 1 (tempat sinar datang)
n₂ = indeks bias medium 2(tempat sinar bias)
i = besar sudut datang
r = besar sudut bias

Sehingga:
n₁ sin i = n₂ sin r
(1) sin 53° = n₂ sin 37°
⁴/₅ = n₂ ³/₅
n₂ = ⁴/₃
Catatan :
Indeks bias udara adalah 1 meskipun tidak disebutkan dalam data soal (harus hafal).

Soal No. 2
Cahaya datang dari udara menuju medium yang berindeks bias ³/₂. Tentukan kecepatan cahaya dalam medium tersebut!

Pembahasan
Lebih dulu diingat bahwa kecepatan gelombang cahaya di udara (atau di vakum) adalah 3 x 10 ⁸ m/s, di beberapa soal data ini tidak diberikan dengan asumsi sudah diketahui oleh siswa.
Gunakan persamaan berikut:
n₁ v₁ = n₂ v₂
dimana n₁ dan n₂ adalah indeks bias masing masing medium dan v₁ dan v₁ adalah kecepatan gelombang di masing-masing medium.
Sehingga:
n₁ v₁ = n₂ v₂
(1)(3 x 10⁸) = (³/₂) v₂
v₂ = 2 x 10⁸

Soal No. 3
Suatu gelombang datang dari medium yang berindeks bias ³/₂ menuju medium yang berindeks bias ³/₄ √6. Jika besar sudut datang adalah 60° tentukan besar sudut bias yang terjadi!

Pembahasan
Gunakan persamaan yang sama seperti soal nomor 1.
n₁ sin i = n₂ sin r
(³/₂) sin 60° = (³/₄ √6) sin r
(³/₂)(¹/₂ √3) = (³/₄ √6) sin r
sin r = ^√3/_√6
sin r = ¹/₂√2
r = arcsin ¹/₂√2 = 45°

Soal No. 4
Perhatikan gambar kolam beisi air berikut!



Tentukan kedalaman semu kolam jika indeks bias air adalah ⁴/₃!

Pembahasan
Untuk mencari kedalam semu kolam gunakan persamaan berikut:
h_semu = ^n₁/_n2 x h_asli
dimana dalam kasus di atas n₁ adalah indeks bias udara (1) dan n₂ adalah indeks bias air kolam. Sehingga:
h_semu = ^n₁/_n2 x h_asli
h_semu = ⁽¹⁾/_(⁴/3) x (12 meter) = 9 meter

Catatan:
Jika diturunkan dari persamaan aslinya, soal diatas akan menghasilkan jawaban − 9 meter yang mengandung arti bayangan sejauh 9 meter dan bersifat maya.

Soal No. 5
Perhatikan gambar berikut ini! Seorang anak, sebut A berada berada 12 meter diatas permukaan air sebuah kolam.



Berapa ketinggian anak A yang terlihat oleh anak B yang sedang berendam dalam air?

Pembahasan
Seperti soal nomor 5, namun perhatikan penempatan medium untuk n₁ dan n₂ nya.
h_semu = ^n₁/_n2 x h_asli
dengan n₁ adalah indeks bias dari air, dan n₂ adalah indeks bias dari udara.
Sehingga:
h_semu = ^(4/₃)/₍₁₎ x (12 meter) = 16 meter.

Pembahasan soal pembiasan pada prisma

Nomor 1
Seberkas sinar datang dengan sudut 30 derajat pada suatu prisma sama kaki dengan sudut puncak 30 derajat yang berada diudara. Jika sinar tersebut mengalami deviasi minimum, maka indeks bias prisma adalah....
A. 0,5
B. 1,0
C. 1,5
D. 2
E. 2,5

Pembahasan
Diketahui:

θ1 = 30
β = 30
nm = 1 (udara)
Ditanya: np
Jawab:
Hitung terlebih dahulu sudut deviasi minimum
Dm = 2 θ1 - β
Dm = 2 . 30 - 30 = 30
Menghitung np.

np/1 = 1
np = 1
Jawaban: b

Nomor 2
Hubungan antara sudut deviasi D dengan sudut datang r adalah seperti gambar dibawah. Prisma berada diudara (n = 1) maka indeks bias prisma jika tan 37 = 3/4 adalah...
A. 1,2
B. 1,3
C. 1,4
D. 1,5
E. 1,6

Pembahasan
Diketahui:
Dm = 14
θ1 = 37
nm = 1
Ditanya: np = ...
Jawab
Hitung terlebih dahulu β
β = 2 θ1 - Dm = 2 . 37 - 14 = 60
Menghitung np
nm sin 1/2 (β + Dm) = np sin 1/2 β
1 sin 1/2 (60 + 14) = np sin 1/2 . 60

sin 37 = np sin 30

4/5 = np . 1/2

np = 1,6

Jawaban: E

Nomor 3
Suatu prisma memiliki penampang berupa segitiga sama sisi dengan indeks bias 1,5. Suatu sinar monokromatik dijatuhkan pada salah satu bidang pembiasnya hingga jatuh tegak lurus bidang. Setelah sinar keluar dari prisma, sudut penyimpangan sinar terhadap arah semula adalah...
A. 30
B. 45
C. 60
D. 75
E. 90

Diketahui:
np = 1,5
θ1 = 90 (tegak lurus)
β = 60 (sama sisi)
Ditanya: Dm
Jawab:

Dm = 30
Jawaban: A

Nomor 4
Sebuah prisma kaca flinta mempunyai sudut puncak 10 derajat. Diketahui indeks bias kaca flinta untuk kedua sinar tersebut nm = 1,644 dan nb = 1,664. Dalam keadaan deviasi minimum, besar sudut dispersi antara sinar inframerah dengan sinar ungu adalah...
A. 0,1 derajat
B. 0,2 derajat
C. 0,3 derajat
D. 0,4 derajat
E. 0,5 derajat

Pembahasan
Diketahui:
β = 10
nm = 1,644
nb = 1,664
Ditanya: Dp
Jawab:
Dp = (nb - nm) β
Dp = (1,664 - 1,644) 10
Dp = 0,2
Jawaban: B

Nomor 5 (Soal Essay)
Seberkas sinar dijatuhkan pada suatu prisma sama sisi yang berada diudara dengan sudut datang 45 dan terjadi deviasi minimum. Tentukan besar sudut deviasi minimum dan indeks bias prisma?

Pembahasan
Diketahui:
θ1 = 45
β = 60 (sama sisi)
nm = 1 (udara)
Ditanya: Dm dan np
Jawab:
Terlebih dahulu hitung Dm
Dm = 2 θ1 - β
Dm = 2 . 45 - 60 = 30
Menghitung np.

np = 1