Pembiasan cahaya merupakan salah satu materi penting dalam pelajaran fisika, khususnya pada pembahasan tentang optik. Fenomena ini dapat ditemukan dalam kehidupan sehari-hari, misalnya ketika sedotan yang dimasukkan ke dalam gelas berisi air terlihat seperti bengkok, dasar kolam tampak lebih dangkal, atau cahaya dari udara masuk ke dalam air dan mengalami perubahan arah.

Untuk memahami pembiasan cahaya, salah satu konsep utama yang perlu dipelajari adalah Hukum Snellius. Hukum ini digunakan untuk menentukan hubungan antara sudut datang, sudut bias, dan indeks bias dari dua medium yang dilewati cahaya.

Artikel ini membahas contoh soal pembiasan cahaya Hukum Snellius dan cara mengerjakannya secara bertahap. Dengan memahami rumus dan langkah penyelesaiannya, kamu dapat lebih mudah mengerjakan soal pembiasan cahaya, baik dalam bentuk soal sederhana maupun soal yang membutuhkan beberapa tahap perhitungan.

Apa Itu Pembiasan Cahaya?

Pembiasan cahaya adalah peristiwa perubahan arah rambat cahaya ketika cahaya berpindah dari satu medium ke medium lainnya yang memiliki indeks bias berbeda.

Sebagai contoh, ketika cahaya merambat dari udara menuju air, kecepatannya berubah. Perubahan kecepatan tersebut menyebabkan arah rambat cahaya juga dapat berubah.

Beberapa medium yang sering digunakan dalam contoh soal pembiasan cahaya antara lain:

• Udara
• Air
• Kaca
• Berlian
• Minyak

Setiap medium mempunyai indeks bias yang berbeda. Semakin besar indeks bias suatu medium, semakin lambat cahaya merambat di dalam medium tersebut.

Pembiasan cahaya tidak selalu membuat cahaya berubah arah. Jika cahaya datang tepat tegak lurus terhadap permukaan medium, arah rambatnya tetap lurus meskipun kecepatannya berubah.

Pengertian Hukum Snellius

Hukum Snellius merupakan hukum yang menjelaskan hubungan antara sudut datang dan sudut bias ketika cahaya melewati batas antara dua medium.

Secara matematis, Hukum Snellius dapat dituliskan sebagai:

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

Keterangan:

• n₁ = indeks bias medium pertama
• n₂ = indeks bias medium kedua
• θ₁ = sudut datang
• θ₂ = sudut bias

Sudut datang dan sudut bias diukur terhadap garis normal, bukan terhadap permukaan medium.

Hal ini sangat penting karena kesalahan dalam menentukan sudut dapat menyebabkan jawaban soal menjadi salah.

Apa yang Dimaksud Garis Normal?

Garis normal adalah garis khayal yang dibuat tegak lurus atau membentuk sudut 90° terhadap permukaan batas antara dua medium.

Misalnya cahaya datang dari udara menuju permukaan air. Pada titik cahaya mengenai permukaan air, dibuat garis normal. Sudut antara sinar datang dan garis normal disebut sudut datang, sedangkan sudut antara sinar bias dan garis normal disebut sudut bias.

Karena itu, ketika mengerjakan soal Hukum Snellius, jangan langsung menggunakan sudut yang diberikan terhadap permukaan. Jika sudut yang diketahui adalah sudut terhadap permukaan, sudut tersebut harus diubah terlebih dahulu menjadi sudut terhadap garis normal.

Rumusnya:

θ terhadap normal = 90° − θ terhadap permukaan

Rumus Pembiasan Cahaya Hukum Snellius

Rumus utama yang digunakan adalah:

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

Dari rumus tersebut, kita dapat mencari berbagai besaran.

Jika ingin mencari indeks bias medium kedua:

n₂ = (n₁ sin θ₁) / sin θ₂

Jika ingin mencari sudut bias:

sin θ₂ = (n₁ sin θ₁) / n₂

Kemudian:

θ₂ = sin⁻¹[(n₁ sin θ₁) / n₂]

Jika ingin mencari sudut datang:

sin θ₁ = (n₂ sin θ₂) / n₁

Selanjutnya:

θ₁ = sin⁻¹[(n₂ sin θ₂) / n₁]

Selain Hukum Snellius, indeks bias suatu medium juga dapat dihitung menggunakan persamaan:

n = c/v

Keterangan:

• n = indeks bias medium
• c = cepat rambat cahaya di ruang hampa
• v = cepat rambat cahaya di dalam medium

Nilai cepat rambat cahaya di ruang hampa biasanya digunakan sebesar:

c = 3 × 10⁸ m/s

Contoh Soal 1: Mencari Sudut Bias dari Udara ke Air

Sebuah sinar cahaya merambat dari udara menuju air dengan sudut datang sebesar 30°. Jika indeks bias udara adalah 1 dan indeks bias air adalah 1,33, tentukan sudut bias cahaya di dalam air.

Penyelesaian

Diketahui:

n₁ = 1

θ₁ = 30°

n₂ = 1,33

Ditanyakan:

θ₂ = ?

Gunakan Hukum Snellius:

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

Masukkan nilai yang diketahui:

1 × sin 30° = 1,33 × sin θ₂

Karena:

sin 30° = 0,5

maka:

0,5 = 1,33 sin θ₂

Sehingga:

sin θ₂ = 0,5 / 1,33

sin θ₂ ≈ 0,376

Kemudian:

θ₂ = sin⁻¹(0,376)

Hasilnya sekitar:

θ₂ ≈ 22,1°

Jadi, sudut bias cahaya di dalam air sekitar 22,1°.

Perhatikan bahwa sudut bias lebih kecil daripada sudut datang. Hal ini terjadi karena cahaya bergerak dari medium dengan indeks bias lebih kecil, yaitu udara, menuju medium dengan indeks bias lebih besar, yaitu air.

Contoh Soal 2: Cahaya dari Air Menuju Udara

Sebuah cahaya merambat dari air menuju udara dengan sudut datang 30°. Jika indeks bias air 1,33 dan indeks bias udara 1, tentukan sudut biasnya.

Penyelesaian

Diketahui:

n₁ = 1,33

θ₁ = 30°

n₂ = 1

Gunakan:

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

Maka:

1,33 × sin 30° = 1 × sin θ₂

Karena:

sin 30° = 0,5

maka:

1,33 × 0,5 = sin θ₂

sin θ₂ = 0,665

Sehingga:

θ₂ = sin⁻¹(0,665)

Hasilnya sekitar:

θ₂ ≈ 41,7°

Jadi, sudut bias cahaya sekitar 41,7°.

Dalam kasus ini, cahaya bergerak dari air yang memiliki indeks bias lebih besar menuju udara yang indeks biasnya lebih kecil. Akibatnya, cahaya dibiaskan menjauhi garis normal.

Contoh Soal 3: Mencari Indeks Bias Kaca

Sebuah sinar cahaya datang dari udara menuju kaca dengan sudut datang 45°. Setelah memasuki kaca, cahaya mengalami pembiasan dengan sudut 28°. Jika indeks bias udara dianggap 1, tentukan indeks bias kaca.

Penyelesaian

Diketahui:

n₁ = 1

θ₁ = 45°

θ₂ = 28°

Ditanyakan:

n₂ = ?

Gunakan:

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

Sehingga:

n₂ = (n₁ sin θ₁) / sin θ₂

Masukkan nilai:

n₂ = (1 × sin 45°) / sin 28°

Diketahui:

sin 45° ≈ 0,707

dan:

sin 28° ≈ 0,469

Maka:

n₂ ≈ 0,707 / 0,469

n₂ ≈ 1,51

Jadi, indeks bias kaca tersebut sekitar 1,51.

Contoh Soal 4: Mencari Sudut Datang

Sinar cahaya bergerak dari kaca menuju udara. Indeks bias kaca adalah 1,5 dan indeks bias udara adalah 1. Jika sudut bias cahaya sebesar 40°, tentukan sudut datangnya.

Penyelesaian

Diketahui:

n₁ = 1,5

n₂ = 1

θ₂ = 40°

Ditanyakan:

θ₁ = ?

Gunakan:

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

Maka:

sin θ₁ = (n₂ sin θ₂) / n₁

Substitusi:

sin θ₁ = (1 × sin 40°) / 1,5

Karena:

sin 40° ≈ 0,643

maka:

sin θ₁ ≈ 0,643 / 1,5

sin θ₁ ≈ 0,429

Selanjutnya:

θ₁ = sin⁻¹(0,429)

Hasilnya sekitar:

θ₁ ≈ 25,4°

Jadi, sudut datangnya sekitar 25,4°.

Contoh Soal 5: Menentukan Kecepatan Cahaya dalam Air

Kecepatan cahaya di ruang hampa adalah 3 × 10⁸ m/s. Jika indeks bias air adalah 1,33, tentukan kecepatan cahaya ketika merambat di dalam air.

Penyelesaian

Diketahui:

c = 3 × 10⁸ m/s

n = 1,33

Gunakan rumus:

n = c/v

Untuk mencari v:

v = c/n

Substitusi:

v = (3 × 10⁸) / 1,33

Hasilnya:

v ≈ 2,26 × 10⁸ m/s

Jadi, kecepatan cahaya di dalam air sekitar 2,26 × 10⁸ m/s.

Contoh ini menunjukkan bahwa cahaya bergerak lebih lambat di dalam medium dibandingkan ketika merambat di ruang hampa.

Contoh Soal 6: Sudut terhadap Permukaan

Sebuah cahaya datang dari udara menuju air dengan sudut 40° terhadap permukaan air. Jika indeks bias udara 1 dan indeks bias air 1,33, tentukan sudut bias terhadap garis normal.

Penyelesaian

Pada soal, sudut datang diberikan terhadap permukaan, sedangkan Hukum Snellius menggunakan sudut terhadap garis normal.

Maka:

θ₁ = 90° − 40°

θ₁ = 50°

Selanjutnya gunakan Hukum Snellius:

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

1 × sin 50° = 1,33 × sin θ₂

Karena:

sin 50° ≈ 0,766

maka:

sin θ₂ ≈ 0,766 / 1,33

sin θ₂ ≈ 0,576

Sehingga:

θ₂ ≈ sin⁻¹(0,576)

θ₂ ≈ 35,2°

Jadi, sudut bias terhadap garis normal sekitar 35,2°.

Jika soal meminta sudut bias terhadap permukaan, maka:

90° − 35,2° = 54,8°

Jadi, sudut bias terhadap permukaan sekitar 54,8°.

Arah Pembiasan Cahaya

Untuk memahami Hukum Snellius, penting mengetahui arah pembelokan cahaya.

1. Dari medium renggang ke medium lebih rapat

Jika cahaya berpindah dari medium dengan indeks bias lebih kecil menuju medium dengan indeks bias lebih besar, cahaya akan membelok mendekati garis normal.

Contohnya adalah:

Udara → Air

atau:

Udara → Kaca

Sudut bias biasanya lebih kecil daripada sudut datang.

2. Dari medium lebih rapat ke medium lebih renggang

Jika cahaya bergerak dari medium dengan indeks bias lebih besar menuju medium dengan indeks bias lebih kecil, cahaya akan membelok menjauhi garis normal.

Contohnya:

Air → Udara

atau:

Kaca → Udara

Sudut bias biasanya lebih besar daripada sudut datang.

Kesalahan yang Sering Terjadi Saat Mengerjakan Soal Hukum Snellius

Ada beberapa kesalahan yang sering dilakukan ketika mengerjakan soal pembiasan cahaya.

1. Menggunakan sudut terhadap permukaan

Kesalahan paling umum adalah langsung memasukkan sudut terhadap permukaan ke dalam rumus Hukum Snellius.

Ingat bahwa sudut dalam Hukum Snellius diukur dari garis normal.

Jika soal memberikan sudut terhadap permukaan, ubah terlebih dahulu dengan:

θ = 90° − sudut terhadap permukaan

2. Menukar indeks bias

Indeks bias n₁ digunakan untuk medium tempat cahaya datang, sedangkan n₂ digunakan untuk medium yang dimasuki cahaya.

Jangan hanya melihat urutan nama medium pada soal. Tentukan terlebih dahulu arah perjalanan cahaya.

3. Salah menggunakan fungsi trigonometri

Untuk mencari sudut, gunakan fungsi:

sin⁻¹

atau inverse sine pada kalkulator.

Pastikan kalkulator berada dalam mode degree (°) jika soal menggunakan satuan derajat.

4. Tidak memperhatikan arah rambat cahaya

Arah cahaya menentukan apakah cahaya akan mendekati atau menjauhi garis normal.

Jika indeks bias medium kedua lebih besar, cahaya membelok mendekati normal.

Jika indeks bias medium kedua lebih kecil, cahaya membelok menjauhi normal.

Tips Mudah Mengerjakan Soal Pembiasan Cahaya

Agar tidak bingung, gunakan langkah berikut setiap kali mengerjakan soal Hukum Snellius:

Langkah 1: Tentukan medium pertama dan medium kedua.

Langkah 2: Tuliskan indeks bias masing-masing medium.

Langkah 3: Pastikan sudut yang diberikan merupakan sudut terhadap garis normal.

Langkah 4: Jika sudut diberikan terhadap permukaan, ubah menjadi sudut terhadap normal.

Langkah 5: Tuliskan rumus Hukum Snellius:

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

Langkah 6: Masukkan nilai yang diketahui.

Langkah 7: Hitung menggunakan kalkulator dalam mode derajat.

Langkah 8: Periksa hasilnya berdasarkan arah pembiasan.

Jika cahaya masuk ke medium yang indeks biasnya lebih besar, sudut bias seharusnya lebih kecil. Sebaliknya, jika cahaya masuk ke medium yang indeks biasnya lebih kecil, sudut bias seharusnya lebih besar, selama tidak terjadi pemantulan total internal.

Kesimpulan

Pembiasan cahaya merupakan perubahan arah rambat cahaya ketika melewati batas dua medium yang mempunyai indeks bias berbeda. Fenomena ini dapat dijelaskan menggunakan Hukum Snellius.

Rumus utama yang harus diingat adalah:

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

Melalui rumus tersebut, kita dapat menentukan sudut datang, sudut bias, maupun indeks bias suatu medium.

Hal penting yang perlu diperhatikan adalah sudut datang dan sudut bias selalu diukur terhadap garis normal. Jika sudut diberikan terhadap permukaan, sudut tersebut harus dikonversi terlebih dahulu.

Dalam mengerjakan contoh soal pembiasan cahaya, langkah paling aman adalah menuliskan informasi yang diketahui, menentukan besaran yang ditanyakan, memilih rumus Hukum Snellius, melakukan substitusi, lalu memeriksa kembali apakah hasilnya sesuai dengan arah pembiasan.

Dengan memahami konsep tersebut, berbagai soal pembiasan cahaya, mulai dari mencari sudut bias hingga indeks bias dan kecepatan cahaya dalam medium, akan menjadi lebih mudah untuk diselesaikan.

Penulis: W.S