Saat seberkas cahaya berpindah dari satu medium ke medium lainnya – seperti ketika keluar dari kolam air, atau ketika melewati kacamata Anda – Anda mungkin telah memperhatikan bahwa cahaya itu membengkok. Ini disebut pembiasan, dan itu terjadi pada sudut yang berbeda tergantung pada cahaya datang dan materi. Ini juga bagaimana mata dapat melihat dan mengirimkan gambar ke otak.
Pembiasan Cahaya
Pembiasan adalah pembelokan berkas cahaya ketika merambat dari satu medium ke medium kedua. Ini hasil dari fakta bahwa cahaya bergerak dengan kecepatan yang sedikit berbeda di media yang berbeda. Berapa banyak sinar cahaya dibiaskan akan tergantung pada seberapa berbeda kecepatannya di media kedua dari yang pertama. Semakin besar perbedaan kecepatan, semakin besar sudut bias.
Anda dapat memikirkan hal ini dengan menggunakan prinsip waktu paling sedikit. Bayangkan seorang penjaga pantai mencoba menjangkau seorang perenang, jauh di bawah pantai dan di dalam air, dalam waktu sesingkat mungkin. Dia tahu dia bisa berlari lebih cepat daripada dia bisa berenang. Mencoba untuk mencapai perenang dengan melakukan perjalanan dalam garis lurus akan menjadi tidak efisien karena kecepatan renangnya yang lambat dibandingkan dengan kecepatan larinya; sebaliknya, dia berlari di pantai sampai dia hampir di depan perenang, dan kemudian melompat ke dalam air.
Jarak yang dia tempuh lebih jauh, tetapi waktu yang ditempuh lebih pendek karena kecepatannya yang berbeda di media yang berbeda. Inilah yang dilakukan cahaya ketika dibiaskan.
Gelombang air juga dapat dibiaskan ketika berjalan di antara area dengan kedalaman yang berbeda, karena gelombang akan merambat dengan kecepatan yang berbeda tergantung pada apakah mereka berada di perairan dangkal atau perairan dalam.
Indeks bias
Indeks bias suatu medium adalah bilangan tak satuantidakdimanan = c/v, dimanacadalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa danvadalah kecepatan cahaya dalam medium. Semakin lambat cahaya merambat dalam suatu medium, semakin tinggi indeks bias medium tersebut. Cepat rambat gelombang cahaya dalam suatu medium akan bergantung pada panjang gelombangnya, demikian pula indeks biasnya.
Ini mengarah pada fenomena yang disebutpenyebaran, yang dapat dilihat pada prisma cahaya: Ketika cahaya putih, yang mengandung gelombang cahaya banyak berbeda panjang gelombang, memasuki prisma, setiap komponen gelombang cahaya dibiaskan pada sudut yang berbeda tergantung pada panjang gelombang. Ini menciptakan tampilan pelangi.
Indeks bias di udara tergantung pada banyak faktor termasuk tekanan dan suhu. "Gelombang" yang terlihat memancar dari objek panas seperti trotoar di musim panas terjadi karena cahaya dibiaskan secara berbeda melalui udara yang lebih panas daripada udara yang lebih dingin, menyebabkan gambar terdistorsi.
Selain itu, udara di dekat jalan yang panas di musim panas sebenarnya dapat memantulkan cahaya yang datang ke arah pengamat pada sudut yang dangkal, sehingga tampak seolah-olah ada cermin atau permukaan air reflektif di jalan.
Hukum Snellius
Hukum Snell menghubungkan indeks bias dua media, serta sudut datangθsayaterhadap sudut biasθr, bagaimana cahaya dibelokkan saat melewati satu medium ke medium lainnya.
n_i\sin (\theta_i)=n_r\sin (\theta_r)
Persamaan ini dapat memprediksi sudut di mana cahaya akan dibiaskan dalam medium tertentu, jika indeks bias kedua medium dan sudut datang diketahui. Ini berlaku dalam situasi apa pun yang melibatkan pembiasan cahaya, dengan dua media apa pun.
Refleksi Internal Total
Jika gelombang cahaya merambat dari medium dengan indeks bias tinggi ke medium dengan indeks bias lebih rendah, ada sudut kritis di mana cahaya menjadi cukup bengkok sehingga tidak ada yang bergerak ke media lain. Ini disebut refleksi internal total.
Sudut kritis adalah sudut datang di mana sinar keluar memiliki sudut bias 90 derajat. Begitu
\theta_i=\sin^{-1}\frac{n_i}{n_r}
Pada sudut di atas sudut kritis, semua cahaya mengalami refleksi internal total.
Refleksi internal total menjelaskan mengapa, dari sudut tertentu, permukaan air/udara dalam tangki ikan jika diamati dari bawah akan terlihat seperti cermin yang sempurna. Udara memiliki indeks bias yang jauh lebih rendah daripada air, sehingga gelombang cahaya pada sudut yang dangkal terhadap permukaan dari bawah akan memantul dari permukaan alih-alih membiaskannya, menciptakan cermin.
Pemantulan internal total juga dapat terjadi pada gelombang air dan gelombang suara.
Lensa
Pembiasan cahaya dalam suatu medium dapat berubah ketika permukaan antar medium melengkung. Faktanya, cahaya yang datang dari arah yang sama akan dibiaskan pada sudut yang berbeda tergantung di mana pada permukaan melengkung itu mengenai.
Lensa adalah potongan bahan transparan dengan sisi melengkung yang menggunakan pembiasan untuk mempengaruhi jalur cahaya. Lensa konvergen lebih tebal di tengah, memungkinkan sinar cahaya yang masuk dari satu sisi lensa menyatu ke titik fokus di sisi lain. Inilah yang digunakan kaca pembesar dan beberapa teleskop.
Lensa cekung lebih tipis di tengah daripada di tepinya, dan sinar cahaya yang masuk dari satu sisi dibiaskan keluar dan menyebar terpisah saat muncul di sisi lain.
Kedua jenis lensa tersebut digunakan dalam penglihatan korektif, baik pada kacamata atau lensa kontak, tergantung pada apa masalahnya pada mata.
Contoh
Mata kita menafsirkan cahaya menggunakan pembiasan. Cahaya memasuki kornea dan kemudian lensa, dibiaskan ke titik yang tepat di retina. Gambar tersebut kemudian ditransmisikan ke otak melalui saraf optik. Mata berkaca-kaca menyebabkan penglihatan kabur karena sifat refraksi air mata.
Apa pun yang mengandung serat optik bergantung pada refleksi internal total. Serat memiliki indeks bias yang tinggi dan dikelilingi oleh bahan dengan indeks bias yang sangat rendah. Saat cahaya melewati serat, sudutnya dengan bagian luar serat cukup rendah untuk mencegahnya keluar. Hal ini memungkinkan serat untuk membawa cahaya yang sangat terfokus dalam jarak yang jauh. Serat optik digunakan terutama dalam layanan internet dan telepon.
Pelangi disebabkan oleh pembiasan dan pantulan sinar matahari dari tetesan air di udara. Ini dapat terjadi setelah hujan badai atau dalam kondisi berkabut, tetapi juga di dekat air terjun dan air mancur. Seperti disebutkan sebelumnya, panjang gelombang (warna) cahaya yang berbeda memiliki indeks bias yang sedikit berbeda untuk bahan tertentu, yang membuatnya dibiaskan pada sudut yang berbeda. Seorang pengamat kemudian melihat pelangi warna, dalam urutan panjang gelombang.
Pembiasan adalah mengapa air di kolam terlihat lebih dangkal dari yang sebenarnya. Begitu cahaya di udara memasuki air, cahaya itu membelok pada sudut yang lebih dangkal ke permukaan karena pembiasan. Bagi pengamat di sisi "udara" permukaan, tampak seolah-olah segala sesuatu di bawah permukaan lebih dangkal, karena cahaya dibelokkan pada sudut yang lebih dangkal.
Sudut kritis juga mempengaruhi cara batu permata dipotong. Sebuah batu permata dapat dipotong sedemikian rupa sehingga cahaya yang masuk mengalami refleksi internal total ketika mengenai bagian belakang, muncul di bagian depan batu lagi untuk membuatnya tampak lebih terang. Berlian, dengan indeks bias yang tinggi, sangat ideal untuk ini, menjadikannya batu permata yang populer.