145: Fisika SMA: Ngapain tuh belok arah (Pembiasan)

Ketika gelombang memasuki bidang batas dua medium yang berbeda maka:

  1. Terjadi pemantulan
  2. Jika medium kedua tidak dapat ditembus gelombang maka hanya pemantulan yang terjadi
  3. Jika mediaum kedua dapat dilewati gelombang maka terjadi pemantulan dan penerusan gelombang.
  4. Jika kecepatan gelombang di dua medium sama maka arah rambat gelombang tidak berubah
  5. Namun, jika kecepatan gelombang di mediaum kedua berbeda dengan di medium pertama maka arah rambat gelombang berubah. Peristiwa ini disebut pembiasan.

Gambar 145.1 memperlihatkan contoh peristiwa pembiasan. Pada gambar (a), air datang dari lokasi dengan dasar lebih dalam ke lokasi dengan kedalaman lebih kecil. Pada lokasi yang lebih dalam, air memiliki kecepatan lebih besar. Jadi, air datang dari lokasi yang memilii kecepatan tinggi ke lokasi yang memiliki kecepatan rendah. Maka terjadi pembisan.

Pada gambar (b) cahaya datang dari udara ke air. Kecepatan cahaya di udara lebih besar daripada di air. Maka ketika memasuki air, cahaya mengalami pembiasan.

Gambar 145.1 (a) Pembiasan gelombang permukaan air dan (b) pembiasan gelombang cahaya

Pembiasan terjadi karena gelombang memasuki medium yang berbeda dan kecepatan gelombang pada medium awal dan medium yang dimasuki berbeda. Jika arah datang gelombang tidak sejajar dengan garis normal maka pembiasan menyebabkan pembelokan arah rambat gelombang.

Gelombang air yang melalui daerah yang lebih dangkal mengalami perubahan kecepatan, sehingga terjadi pembiasan. Cahaya yang bergerak dari udara ke air mengalami pembiasan karena perbedaan kecepatan cahaya di udara dan di air.

Pertanyaan berikutnya adalah bagaimana hubungan antara arah gelombang datar dan arah gelombang bias?

Sebelum menentukan hubungan tersebut, mari kita terlebih dahulu mengenal definisi berikut ini. Perhatikan gambar (145.2)

  1. Bidang batas adalah bidang yang membatasi dua medium
  2. Arah normal, yaitu adalah arah yang tegak lurus bidang batas tersebut.
  3. Sudut datang (\( \theta_d \)) adalah sudut yang dibentuk oleh arah sinar datang dan arah normal
  4. Sudut bias (\( \theta_b \))  adalah sudut yang dibentuk oleh arah sinar bias dan arah normal
Gambar 145.2 Parameter-parameter yang terkait dengan peristiwa pembiasan (sumber gambar: Science Sourca)

Sudut datang dan sudut bias memenuhi persamaan yang cukup sederhana, yaitu

\( {{\sin \theta_b} \over v_2} = {{\sin \theta_d} \over v_1} \quad \quad \quad \quad \quad \quad (145.1) \)

dengan

\( \theta_d \) adalah sudut sinar datang

\( \theta_b \) adalah sudut sinar bias

\( v_1 \) adalah kecepatan gelombang datang (di medium 1)

\( v_2 \) adalah kecepatan gelombang bias (di medium 2)

Pembiasan Cahaya

Cahaya adalah gelombang yang khas. Kita akan bahas lebih detail nantinya. Kecepatan cahaya sangat besar. Dalam ruang hampa, kecepatan cahaya adalah \( 3 \times 10^8 \) m/s. Dalam medium, kecepatan cahaya lebih kecil, dan bergantung pada medium.

Kecepatan cahaya dalam medium memenuhi persamaan

\( v = {c \over n} \quad \quad \quad \quad \quad \quad (145.2) \)

dengan

\( c \) adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa

\( n \) disebut indek bias medium

Makin besar indeks bias medium maka kecepatan cahaya di dalamnya makin kecil. Indeks bias ruang hampa adallah \( n =1 \). Indeks bias udara adalah  \( n =1,00029 \) dan sering dibulatkan menjadi satu.

Jika kita substitusi persamaan (145.2) ke dalam (145.1) maka kita peroleh persamaan pembiasan untuk cahaya, yaitu

\( n_1 \sin \theta_d = n_2 \sin \theta_b \quad \quad \quad \quad \quad \quad (145.3) \)

dengan

\( n_1 \) indek bias medium tempat cahaya datang

\( n_2 \) indek bias medium tempat cahaya bias

Persamaan (145.3) dikenal dengan hukum Snellius.

***********

Contoh 145.1

Kecepatan gelombang di air dangkal memenuhi persamaan \( v = \sqrt{g h} \) dengan \( g \) adalah percepatan gravitasi dan \( h \) adalah kedalaman dasar. Di suatu pantai dengan dasar yang berubah tiba-tiba gelombang data dengan mementuk sudut \( 10^o \) terhadap bidang batas. Kedalaman di lokasi gelombang datang adalah 20 m dan kedalaman di lokasi gelombang bias adalah 5 meter (gambar 145.3). Berapakah sudut yang dibentuk gelombang bias?

Gambar 145.3

Jawab

Pertama kita acri kecepatan gelombang pada masing-masing daerah.

Kecepatan gelombang datang adalah

\( v_1 = \sqrt{9,82 \times 20} = 14 \) m/s

Kecepatan gelombang bias adalah

\( v_1 = \sqrt{9,82 \times 5} = 7 \) m/s

Gunakan persaman (145.1)

\( {{\sin \theta_b} \over 7} = {{\sin (10^o)} \over 14} \)

\( \sin \theta_b = {7 \over 14} \times \sin (10^o) = 0,0868 \)

Yang menghasilkan

\( \theta_b = 4,5^o\)

Contoh 145.2

Pada taggal 24 Februari 1987, cahaya dari supernova yang meledak 168.000 tahun yang lalu mencapai bumi. Supernova tersebut beada di kabut Magellan yang merupakan tetangga galaksi Milky Way. Supernova terebut selanjutnya dinaman 87A. Namun, sebelum cahaya dideteksi, sejumlah teleskop di dunia mendeteksi gelombang neutrino.

Neutrino adalah partikel yang teramat kecil, tidak bermassa, dan bergerak dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan cahaya. Saat terjadi supernova maka bintang memancarkan neutrone yang amat banyak.

Karena cahaya dan neutrino dideteksi oleh teleskop di bumi dalam waktu yang hampir bersamaan maka diyakini cahaya dan neutrino tersebut berasal dari supernola yang sama. Dengan demikian neutrino mencapai bumi lebih cepat daripada cahaya. Ini berarti neutrino bergerak lebih cepat daripada cahaya.

Mengapa bisa demikian? Padahal kecepatan cahaya dalam ruang hampa adalah kecepatan tertinggi di alam semesta.

Gambar 145.4 Ilustrasi supernova 87A (sumber gambar: Physics World)

Jawab

Pengamatan ini hanya bisa dijelaskan dengan dugaan bahwa kecepatan cahaya dari supernova ke bumi lebih kecil daripada kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Kok bisa demikian? Ternyata ruang di alam semesta (antar bintang) tidak benar-benar hampa. Ruang tersebut masih mengandung material dengan kerapatan sangat rendah. Diduga bahwa 1 meter kubik ruang di alam semesta mengandung sekitar 1 juta partikel. Kadungan terbesar partikel tersebut adalah atom hidrogen.

Karena ruang dalam alam semesta mengandung partikel maka indeks bias ruang di alam semesta lebih besar dari 1.

Sumber gambar fitur: TrnaslatorsCafe

Jika merasa bermanfaat, silakan share dan like:

6 thoughts on “145: Fisika SMA: Ngapain tuh belok arah (Pembiasan)

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *