Hukum Pemantulan (Fisika): Apa Itu & Bagaimana Cara Kerjanya?

Melihat bayangan Anda di cermin adalah sesuatu yang sangat umum sehingga Anda mungkin menganggapnya biasa saja, tetapi ada banyak hal yang perlu dipertimbangkan untuk bersembunyi di bawah permukaan.

Permukaan datar cermin di kamar mandi Anda mungkin memberikan pantulan yang sempurna, tetapi bagaimana cermin fun-house yang melengkung menghasilkan distorsi yang aneh, membuat Anda tampak sangat tinggi atau pendek dan jongkok? Bagaimana setiap sinar cahaya memantul dari permukaan dengan cara yang sempurna untuk menciptakan gambar yang jelas? Mengapa Anda tidak dapat melihat pantulan yang jelas dari permukaan yang kasar?

Pertanyaan-pertanyaan ini mungkin semacam hal yang Anda bayangkan akan ditanyakan oleh seorang anak yang terlalu bersemangat, tetapi fisika refleksi, dan khususnya hukum pemantulan, menjelaskan banyak fenomena dan merupakan batu loncatan penting untuk memahami konsep yang lebih kompleks seperti refraksi dan Snell's hukum.

Ketika gelombang cahaya mengenai permukaan, semua atau sebagian darinya akan berbalik tajam dan memantul dari permukaan lagi. Untuk permukaan yang halus seperti cermin datar, hampir semua cahaya yang mengenainya dipantulkan, dan gambar yang dihasilkan adalah pantulan “spekular” yang bersih. Ini adalah bentuk refleksi yang paling Anda kenal, dan tidak diragukan lagi apa yang akan Anda pikirkan ketika Anda membayangkan sebuah refleksi.

Namun, pantulan spekular bukan satu-satunya jenis: Ada juga pantulan cahaya yang menyebar. Ketika sinar cahaya paralel akhirnya mengenai permukaan kasar, sinar cahaya individu menyerang sedikit titik yang berbeda dan tercermin dalam arah yang berbeda sebagai akibat dari ketidakteraturan kasar permukaan. Ini disebut refleksi difus karena meskipun semua cahaya masih dipantulkan, gelombang cahaya tersebar di sekitar dan tidak membentuk satu gambar yang tajam.

Dalam beberapa kasus, misalnya di permukaan jendela, Anda akan melihat pantulan tipuan yang kurang jelas daripada yang Anda lihat di cermin. Ini karena pada antarmuka seperti itu, ada beberapa refleksi tradisional, tetapi juga kemungkinan besar bahwa cahaya akan ditransmisikan melalui jendela sebagai gantinya.

Anda membutuhkanhukum Snelliusuntuk sepenuhnya menggambarkan apa yang terjadi pada cahaya yang ditransmisikan melalui jendela (yang mendapatwhichdibiaskan), tetapi hukum pemantulan masih menjelaskan apa yang terjadi pada cahaya yang dipantulkan bahkan dalam situasi yang lebih rumit ini.

Sebelum beralih membahas hukum refleksi, ada baiknya mempelajari terminologi yang digunakan untuk menggambarkan situasi seperti ini.

Pertama, cahaya dalam perjalanan ke cermin atau permukaan disebut sebagaisinar cahaya insidenatau hanya cahaya datang, dan cahaya itu setelah pemantulan disebutsinar cahaya yang dipantulkan​.

Itusudut datangsinar datang adalah sudut yang dibuatnya dengan "garis normal" untuk permukaan pada titik datang. “Normal” dalam konteks ini berarti garis yang memanjang tegak lurus dari permukaan pada titik tersebut, sehingga seberkas sinar yang mengenai suatu cermin yang menghadap ke depan akan memiliki sudut datang 0 derajat, sedangkan sinar datang secara diagonal sempurna akan memiliki sudut 45 derajat insidensi.

Itusudut pantulsangat mirip dengan sudut datang, tetapi seperti yang Anda duga, menggambarkan sudut yang dibuat oleh sinar cahaya yang dipantulkan dengan garis normal ke permukaan pada titik datang. Ini hanyalah kebalikan dari sudut datang yang didefinisikan di atas.

Perlu juga dicatat bahwa sinar cahaya adalah cara yang sedikit ideal untuk menggambarkan cahaya – pada dasarnya Anda hanya memikirkan itu dalam hal sinar lurus sempurna, sedangkan pada kenyataannya itu adalah gelombang transversal dan jauh lebih rumit untuk menggambarkan. Namun, untuk memahami refleksi, Anda tidak memerlukan tingkat detail ini – selalu baik untuk menyederhanakan berbagai hal jika Anda bisa dalam fisika!

Hukum pemantulan menyatakan bahwa untuk sinar datang cahaya, sudut datang akan sama dengan sudut pantul. Sederhananya, jika seberkas sinar mendekati permukaan reflektif tepat tegak lurus dengan permukaan, itu akan dipantulkan kembali sepanjang garis yang sama, tetapi jika tidak cukup tegak lurus, itu akan dipantulkan ke sisi lain dari garis tegak lurus oleh garis yang sama jumlah.

Memanggil sudut refleksiθ​_r dan sudut datangθ​_saya, rumus hukum pemantulan adalah:

Jadi, jika Anda menyorotkan laser pointer ke cermin kamar mandi Anda pada sudut 45 derajat terhadap garis normal (jadi tepat setengah jalan antara sejajar dengan wajah cermin dan tegak lurus dengannya), maka itu akan dipantulkan pada 45 derajat di sebaliknya arah.

Pikirkan tentang pemain biliar yang memantulkan bola dari bagian datar bantal, atau pemain tenis yang menilai sudut bola akan memantul setelah menyentuh tanah. Kedua situasi ini tidaksempurnasama dalam hal sudut datang dan sudut pantul (karena beberapa energi hilang dalam kedua kasus), tetapi pada dasarnya, cahaya berperilaku dengan cara yang sama.

Contoh paling sederhana dari hukum pemantulan adalah ketika Anda melihat ke cermin datar. Bayangkan Anda sedang melihat ke bawah di cermin panjang penuh di kaki Anda, dan pikirkan di mana sinar cahaya sebenarnya berjalan.

Sinar cahaya datang dari kaki Anda ke arah cermin, pada sudut datang tertentu. Hukum pemantulan memberi tahu kita bahwa sudut yang dipantulkan harus sesuai dengan sudut datangnya, sehingga harus membentur cermin sekitar setengah jalan antara kaki Anda dan ketinggian mata Anda, dan Anda dapat menghitung ini tepat dengan sedikit trigonometri.

Anda mungkin telah memperhatikan beberapa masalah dengan refleksi ketika Anda mencoba untuk menonton TV, dan ini adalah contoh lain dari hukum refleksi dalam kehidupan sehari-hari. Masalahnya adalah bahwa TV adalah permukaan yang halus dan secara efektif bertindak sebagai cermin datar untuk matahari atau cahaya lampu yang merusak gambar Anda.

Meskipun ada banyak upaya teknologi untuk memperbaikinya, Anda dapat memanfaatkan hukum pemantulan dan cukup memutar TV ke ubah sudut antara garis normal ke layar dan cahaya yang datang, sehingga memindahkan pantulan dari garis mata.

Cermin rumah yang menyenangkan sedikit lebih rumit, tetapi Anda dapat memahami apa yang terjadi jika Anda memikirkannyabentukdari permukaan cermin. Pikirkan tentang bagaimana hukum pemantulan akan berlaku pada cermin yang sedikit melengkung, sehingga bagian atas dan bawahnya menonjol keluar, dan bagian tengahnya relatif lebih jauh ke belakang. Bagaimana gambar Anda akan berubah?

Ada banyak contoh masalah yang dapat Anda coba dengan pemahaman dasar tentang apa yang dimaksud dengan hukum, tetapi ada satu yang sangat menarik dan akan membantu Anda memahami konsep-konsep kunci.

Bayangkan dua cermin pada sudut 90 derajat satu sama lain dan bertemu di satu sisi, seolah-olah mereka membentuk setengah bentuk persegi. Jika Anda menyinari seberkas cahaya pada dua cermin ini, itu akan memantulkan yang pertama, lalu yang kedua, dan kemudian memantul dari cermin. Namun, sudut yang akhirnya dipantulkan kembali sejajar dengan sudut datang.

Bisakah Anda membuktikan ini? Bayangkan bahwa cahaya datang pada 30 ° pada cermin pertama dan kemudian bekerja melalui jalur sinar selangkah demi selangkah dan lihat apa yang Anda dapatkan. Jika ya, bagaimana jika itu tidak secara khusus 30 °, dan Anda baru saja mengatakan itu adalah insiden miringφsebagai gantinya – dapatkah Anda membuktikan hal yang sama secara umum?