Pembiasan cahaya: elemen, hukum, dan eksperimen
Refraksi cahaya adalah fenomena optik yang terjadi ketika cahaya menyerang secara miring pada permukaan pemisahan dua media dengan indeks bias yang berbeda. Ketika ini terjadi, lampu mengubah arah dan kecepatannya.
Pembiasan terjadi, misalnya, ketika cahaya berpindah dari udara ke air, karena air memiliki indeks bias yang lebih rendah. Ini adalah fenomena yang dapat dilihat dengan sempurna di kolam, dengan mengamati bagaimana bentuk tubuh di bawah air tampak menyimpang dari arah yang seharusnya.
Ini adalah fenomena yang mempengaruhi jenis gelombang yang berbeda, meskipun kasus cahaya adalah yang paling representatif dan yang memiliki lebih banyak kehadiran di hari kita sehari-hari.
Penjelasan tentang pembiasan cahaya ditawarkan oleh fisikawan Belanda Willebrord Snell van Royen, yang menetapkan hukum untuk menjelaskannya yang kemudian dikenal sebagai Hukum Snell.
Ilmuwan lain yang memberikan perhatian khusus pada pembiasan cahaya adalah Isaac Newton. Untuk mempelajarinya ia menciptakan prisma kaca yang terkenal. Dalam prisma, cahaya menembus di dalam dirinya dengan salah satu wajahnya, membias dan membusuk dalam warna yang berbeda. Dengan cara ini, melalui fenomena pembiasan cahaya ia membuktikan bahwa cahaya putih terdiri dari semua warna pelangi.
Elemen pembiasan
Elemen-elemen utama yang harus dipertimbangkan dalam studi pembiasan cahaya adalah sebagai berikut: - Sinar datang, yang merupakan sinar datang secara miring pada permukaan pemisahan dua media fisik. -Sinar yang dibiaskan, yaitu sinar yang melintasi media, mengubah arah dan kecepatannya. -Garis normal, yang merupakan garis imajiner yang tegak lurus terhadap permukaan pemisahan kedua media. - Sudut kejadian (i), yang didefinisikan sebagai sudut yang dibentuk oleh sinar datang dengan yang normal. -Sudut refraksi (r), yang didefinisikan sebagai sudut yang dibentuk oleh normal dengan sinar bias.-Selain itu, seseorang juga harus mempertimbangkan indeks bias (n) suatu media, yang merupakan hasil bagi dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa udara dan kecepatan cahaya dalam medium tersebut.
n = c / v
Dalam hal ini, perlu diingat bahwa kecepatan cahaya dalam ruang hampa membutuhkan nilai 300.000.000 m / s.
Indeks bias cahaya di berbagai media
Indeks cahaya bias dalam beberapa cara yang paling umum adalah:
Hukum pembiasan
Hukum Snell sering disebut sebagai hukum refraksi, tetapi kebenarannya adalah bahwa dapat dikatakan bahwa hukum refraksi adalah dua.
Hukum refraksi pertama
Sinar datang, sinar bias dan sinar normal berada di bidang ruang yang sama. Dalam hukum ini, juga disimpulkan oleh Snell, refleksi juga diterapkan.
Hukum refraksi kedua
Kedua hukum pembiasan atau hukum Snell, ditentukan oleh ungkapan berikut:
n 1 sin i = n 2 sen r
N 1 adalah indeks bias medium dari mana cahaya berasal; i sudut insiden; n 2 indeks bias media di mana cahaya dibiaskan; r sudut bias.
Prinsip Fermat
Dari awal waktu minimum atau prinsip Fermat, kita dapat menyimpulkan hukum refleksi dan hukum refraksi, yang baru saja kita lihat.
Prinsip ini menegaskan bahwa lintasan nyata yang mengikuti sinar cahaya yang bergerak antara dua titik ruang adalah yang membutuhkan waktu lebih kecil untuk melewatinya.
Konsekuensi dari Hukum Snell
Beberapa konsekuensi langsung yang disimpulkan dari ungkapan sebelumnya adalah:
a) Jika n 2 > n 1 ; sen r <sen io laut r <i
Jadi ketika sinar cahaya melewati dari medium dengan indeks bias lebih rendah ke medium dengan indeks bias lebih tinggi, sinar bias mendekati normal.
b) Jika n 2 <n 1 ; sen r> sin io sea r> i
Jadi ketika sinar cahaya berpindah dari medium dengan indeks bias yang lebih tinggi ke medium dengan indeks lebih rendah, sinar bias bergerak menjauh dari medium normal.
c) Jika sudut datang adalah nol, maka sudut sinar refraksi juga nol.
Batas sudut dan refleksi internal total
Konsekuensi penting lain dari hukum Snell adalah apa yang dikenal sebagai batas sudut. Ini adalah nama yang diberikan untuk sudut kejadian yang sesuai dengan sudut bias 90º.
Ketika ini terjadi, sinar bias bergerak rata dengan permukaan pemisahan kedua media. Sudut ini juga disebut sudut kritis.
Untuk sudut di atas batas sudut, fenomena yang disebut refleksi internal total terjadi. Ketika ini terjadi, pembiasan tidak terjadi, karena seluruh berkas cahaya dipantulkan secara internal. Refleksi internal total hanya terjadi ketika bergerak dari media dengan indeks bias yang lebih tinggi ke media dengan indeks bias yang lebih rendah.
Salah satu aplikasi refleksi internal total adalah konduksi cahaya melalui serat optik tanpa kehilangan energi. Berkat itu, kita dapat menikmati kecepatan transfer data yang tinggi yang ditawarkan oleh jaringan serat optik.
Eksperimen
Eksperimen yang sangat mendasar untuk dapat mengamati fenomena pembiasan terdiri dari memasukkan pensil atau pena ke dalam segelas penuh air. Sebagai konsekuensi dari pembiasan cahaya, bagian dari pena atau pensil yang terendam tampak sedikit rusak atau menyimpang sehubungan dengan lintasan yang diharapkan.
Anda juga dapat mencoba melakukan percobaan serupa dengan laser pointer. Tentu saja, perlu untuk menuangkan beberapa tetes susu ke dalam gelas air untuk meningkatkan visibilitas sinar laser. Dalam hal ini, disarankan agar percobaan dilakukan dalam kondisi cahaya rendah untuk lebih menghargai jalur berkas cahaya.
Dalam kedua kasus, menarik untuk mencoba berbagai sudut insidensi dan mengamati bagaimana sudut refraksi bervariasi karena perubahan ini.
Penyebab
Penyebab efek optik ini harus dicari dalam pembiasan cahaya yang menyebabkan gambar pensil (atau sinar laser) tampak dibelokkan di bawah air sehubungan dengan gambar yang kita lihat di udara.
Pembiasan cahaya dari hari ke hari
Pembiasan cahaya dapat diamati dalam banyak situasi kita sehari-hari. Beberapa dari mereka telah kami sebutkan, yang lain akan kami komentari di bawah.
Salah satu konsekuensi dari pembiasan adalah bahwa kolam tampaknya lebih dangkal dari yang sebenarnya.
Efek lain dari pembiasan adalah pelangi yang terjadi karena cahaya dibiaskan dengan melewati tetesan air di atmosfer. Ini adalah fenomena yang sama yang terjadi ketika seberkas cahaya melewati prisma.
Konsekuensi lain dari pembiasan cahaya adalah kita mengamati matahari terbenam ketika beberapa menit telah berlalu sejak itu benar-benar terjadi.
