CAHAYA dan PEMBIASAN CAHAYA

Cahaya adalah energi berbentuk gelombang elekromagnetik yang kasat mata dengan panjang

gelombang sekitar 380–750 nm. Pada bidang fisika, cahaya adalah radiasi elektromagnetik, baik dengan

panjang gelombang kasat mata maupun yang tidak. Selain itu, cahaya adalah paket partikel yang disebut

foton. Kedua definisi tersebut merupakan sifat yang ditunjukkan cahaya secara bersamaan sehingga

disebut "dualisme gelombang-partikel". Paket cahaya yang disebut spektrum kemudian dipersepsikan

secara visual oleh indera penglihatan sebagai warna. Bidang studi cahaya dikenal dengan sebutan optika,

merupakan area riset yang penting pada fisika modern.

Studi mengenai cahaya dimulai dengan munculnya era optika klasik yang mempelajari besaran

optik seperti: intensitas, frekuensi atau panjang gelombang, polarisasi dan fase cahaya. Sifat-sifat cahaya

dan interaksinya terhadap sekitar dilakukan dengan pendekatan paraksial geometris seperti refleksi dan

refraksi, dan pendekatan sifat optik fisisnya yaitu: interferensi, difraksi, dispersi, polarisasi. Masing-

masing studi optika klasik ini disebut dengan optika geometris (en:geometrical optics) dan optika fisis

(en:physical optics).

Pada puncak optika klasik, cahaya didefinisikan sebagai gelombang elektromagnetik dan memicu

serangkaian penemuan dan pemikiran, sejak tahun 1838 oleh Michael Faraday dengan penemuan sinar

katode, tahun 1859 dengan teori radiasi massa hitam oleh Gustav Kirchhoff, tahun 1877 Ludwig

Boltzmann mengatakan bahwa status energi sistem fisik dapat menjadi diskrit, teori kuantum sebagai

model dari teori radiasi massa hitam oleh Max Planck pada tahun 1899 dengan hipotesa bahwa energi

yang teradiasi dan terserap dapat terbagi menjadi jumlahan diskrit yang disebut elemen energi, E.

Pada tahun 1905, Albert Einstein membuat percobaan efek fotoelektrik, cahaya yang menyinari

atom mengeksitasi elektron untuk melejit keluar dari orbitnya. Pada pada tahun 1924 percobaan oleh

Louis de Broglie menunjukkan elektron mempunyai sifat dualitas partikel-gelombang, hingga tercetus

teori dualitas partikel-gelombang.

Albert Einstein kemudian pada tahun 1926 membuat postulat berdasarkan efek fotolistrik, bahwa

cahaya tersusun dari kuanta yang disebut foton yang mempunyai sifat dualitas yang sama. Karya Albert

Einstein dan Max Planck mendapatkan penghargaan Nobel masing-masing pada tahun 1921 dan 1918 dan

menjadi dasar teori kuantum mekanik yang dikembangkan oleh banyak ilmuwan, termasuk Werner

Heisenberg, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli,

David Hilbert, Roy J. Glauber dan lain-lain.

Era ini kemudian disebut era optika modern dan cahaya didefinisikan sebagai dualisme

gelombang transversal elektromagnetik dan aliran partikel yang disebut foton. Pengembangan lebih lanjut

terjadi pada tahun 1953 dengan ditemukannya sinar maser, dan sinar laser pada tahun 1960. Era optika

modern tidak serta merta mengakhiri era optika klasik, tetapi memperkenalkan sifat-sifat cahaya yang lain

yaitu difusi dan hamburan.

Gelombang elektromagnetik dapat digambarkan sebagai dua buah gelombang yang merambat

secara transversal pada dua buah bidang tegak lurus yaitu medan magnetik dan medan listrik.

Merambatnya gelombang magnet akan mendorong gelombang listrik, dan sebaliknya, saat merambat,

gelombang listrik akan mendorong gelombang magnet. Diagram di atas menunjukkan gelombang cahaya

yang merambat dari kiri ke kanan dengan medan listrik pada bidang vertikal dan medan magnet pada

bidang horizontal.

Gelombang elektromagnetik yang membentuk radiasi elektromagnetik.

SUMBER CAHAYA

Cahaya berasal dari sumber cahaya. Sumber cahaya adalah semua benda yang dapat

memancarkan cahaya. Contoh sumber cahaya adalah matahari, lampu, senter,api, dan bintang. Benda-

benda yang tidak dapat memancarkan cahaya sendiri disebut benda gelap. Cahaya memiliki beberapa

sifat. Sifat cahaya yang akan kita pelajari dalam materi ini adalah:

1. Cahaya Merambat Lurus

Salah satu bukti bahwa cahaya merambat lurus adalah cahaya yang masuk melalui celah-celah

jendela, juga genting kaca. Berkas cahaya yang melewati genting kaca atau celah jendela, bila diamati

dalam ruangan yang agak gelap akan terlihat seperti batang lurus.

Percobaan seperti terlihat pada gambar di samping, juga dapat membuktikan bahwa cahaya merambat

lurus. Nyala lilin dapat terlihat saat lubang pada ketiga karton berada pada satu garis lurus. Namun saat

salah satu karton digeser, cahaya lilin tidak terlihat lagi.

Sifat cahaya yang selalu merambat lurus ini dimanfaatkan manusia pada pembuatan lampu senter dan

lampu kendaraan bermotor.

2. Cahaya Menembus Benda bening

Dapatkah kamu melihat benda yang berada di balik kaca dan plastik yang bening?

Ya. Itu merupakan bukti bahwa cahaya dapat menembus benda bening. Berdasarkan dapat atau tidaknya

di tembus cahaya, benda-benda digolongkan menjadi 3:

Opaque atau benda tidak tembus cahaya

Adalah benda gelap yang tidak dapat ditembus oleh cahaya sama sekali. Opaque

memantulkan semua cahaya yang mengenainya. Benda semacam ini jugaBeberapanya

adalah buku, kayu, tembok, dan air keruh.

Benda Bening

Yakni benda-benda yang dapat ditembus cahaya. Benda bening juga sering disebut benda

transparant. Benda transparant meneruskan semua cahaya yang mengenainya. Contohnya

kaca yang bening dan air jernih

Benda Transluent

Benda transluent adalah benda-benda yang dapat meneruskan sebagian cahaya yang

datang dan menyebarkan sebagian cahaya yang lainnya.Contohnya kain gorden tipis, dan

beberapa jenis plastik.

Saat berada di tempat yang terang, di belakang tubuhmu terbentuk bayangan hitam bukan?

Bagaimana bayangan tersebut terbentuk? Saat cahaya mengenai benda gelap, akan membentuk

bayangan. Bayangan dibedakan menjadi dua, yakni bayangan nyata dan bayangan maya. Bayangan

maya(semu) adalah bayangan yang dapat dilihat mata, tapi tidak dapat ditangkap pada layar, sedangkan

bayangan nyata adalah bayangan yang dapat ditangkap layar. Bayangan pada cermin adalah contoh

bayangan maya, sedangkan contoh bayangan nyata adalah bayangan yang dibentuk oleh LCD Projector

pada layar.

3. Cahaya Dapat Dipantulkan

Pemantulan (refleksi) atau pencerminan adalah proses terpancarnya kembali cahaya dari

permukaan benda yang terkena cahaya. Contoh peristiwa pemantulan cahaya adalah saat kita

bercermin. Bayangan tubuh kita akan terlihat di cermin, karena cahaya yang dipantulkan tubuh

kita, saat mengenai permukaan cermin, dipantulkan, atau dipancarkan kembali hingga masuk ke

mata kita.

Pemantulan pada cermin, termasuk pemantulan teratur. Pemantulan teratur terjadi pada benda

yang permukaannya rata dan mengkilap/licin. Pada benda semacam ini, cahaya dipantulkan

dengan arah yang sejajar, sehingga dapat membentuk bayangan benda dengan sangat baik.

Pada benda yang permukaannya tidak rata, cahaya yang datang dipantulkan dengan arah yang

tidak beraturan. Pemantulan semacam ini disebut pemantulan baur, atau pemantulan difus.

4. Cahaya dapat dibiaskan

Cobalah untuk memasukkan sebatang pensil ke dalam gelas yang berisi air ( tinggi air setengahh

tinggi gelas saja), Apa yang kamu lihat pada pensil tepat pada batas antara air dan udara dalam

gelas?

5. Peristiwa semacam ini terjadi akibat proses pembiasan. Pembiasan adalah pembelokan arah

rambat cahaya, saat melewati dua medium yang berbeda kerapatannya.

Pembiasan cahaya dimanfaatkan manusia dalam pembuatan berbagai alat optik.

Snellius mengemukakan sebuah teori tentang pembiasan cahaya, yang berbunyi:

Sinar datang, garis normal, dan sinar bias terletak pada satu bidang dan berpotongan di

satu titik.

Sinar datang dari medium kurang rapat ke medium lebih rapat, dibiaskan mendekati garis

normal. Sebaliknya sinar datang dari medium lebih rapat ke medium kurang rapat

dibiaskan menjauhi garis normal.

6. Cahaya dapat Diuraikan

Apa warna cahaya matahari? Cahaya putih seperti cahaya matahari termasuk jenis cahaya

polikromatik. Cahaya polikromatik adalah cahaya yang tersusun atas beberapa komponen warna.

Cahaya putih tersusun atas spektrum-spektrum cahaya yang berwarna merah, jingga, kuning,

hijau, biru, nila, dan ungu. Spektrum warna yang tidak dapat diuraikan lagi disebut cahaya

monokromatik.

Cahaya putih dapat diuraikan. Saat melewati prisma, cahaya putih akan mengalami dispersi

(penguraian).

Contoh peristiwa dispersi cahaya yang terjadi secara alami adalah peristiwa terbentuknya pelangi.

Pelangi terbentuk dari cahaya matahari yang diuraikan oleh titik-tititk air hujan di langit.

PEMBIASAN CAHAYA

Pembiasan cahaya adalah peristiwa penyimpangan atau pembelokan cahaya karena

melalui dua medium yang berbeda kerapatan optiknya. Arah pembiasan cahaya dibedakan

menjadi dua macam yaitu :

a. mendekati garis normal

Cahaya dibiaskan mendekati garis normal jika cahaya

merambat dari medium optik kurang rapat ke medium

optik lebih rapat, contohnya cahaya merambat dari

udara ke dalam air.

b. menjauhi garis normal

Cahaya dibiaskan menjauhi garis normal jika cahaya

merambat dari medium optik lebih rapat ke medium

optik kurang rapat, contohnya cahaya merambat dari

dalam air ke udara.

Syarat-syarat terjadinya pembiasan :

1) cahaya melalui dua medium yang berbeda

kerapatan optiknya;

2) cahaya datang tidak tegaklurus terhadap bidang

batas (sudut datang lebih kecil dari 90 derajat)

1. Indeks Bias

Pembiasan cahaya dapat terjadi dikarenakan perbedaan laju cahaya pada kedua

medium. Laju cahaya pada medium yang rapat lebih kecil dibandingkan dengan laju

cahaya pada medium yang kurang rapat. Menurut Christian Huygens (1629-1695) :

“Perbandingan laju cahaya dalam ruang hampa dengan laju cahaya dalam suatu zat

dinamakan indeks bias.”

Secara matematis dapat dirumuskan :

dimana :

- n = indeks bias

- c = laju cahaya dalam ruang hampa ( 3 x 108 m/s)

- v = laju cahaya dalam zat

Indeks bias tidak pernah lebih kecil dari 1 (artinya, n <1),>

ditampilkan pada tabel dibawah ini.

2. Hukum Snell

Pada sekitar tahun 1621, ilmuwan Belanda bernama Willebrord Snell (1591 –1626) melakukan

eksperimen untuk mencari hubungan antara sudut datang dengan sudut bias. Hasil eksperimen ini dikenal

dengan nama hukum Snell yang berbunyi :

- sinar datang, garis normal, dan sinar bias terletak pada satu bidang datar.

- hasil bagi sinus sudut datang dengan sinus sudut bias merupakan bilangan tetap

dan disebut indeks bias.

3. Pembiasan Cahaya pada Prisma

Bahan bening yang dibatasi oleh dua bidang

permukaan yang bersudut disebut prisma.

Besarnya sudut antara kedua permukaan itu

disebut sudut pembias (b).

Apabila seberkas cahaya masuk pada salah

satu permukaan prisma, cahaya akan

dibiaskan dari permukaan prisma lainnya.

Karena adanya dua kali pembiasan, maka

pada prisma terbentuklah sudut penyimpangan

yang disebut sudut deviasi.

Sudut deviasi adalah sudut yang dibentuk oleh perpotongan dari perpanjangan cahaya datang dengan

perpanjangan cahaya bias yang meninggalkan prisma. P, Q, R, dan S menyatakan jalannya cahaya dari

udara masuk ke dalam prisma kemudian meninggalkan prisma lagi.

4. Pemantulan Internal Sempurna (Total Internal Reflection)

Pemantulan internal sempurna adalah pemantulan yang terjadi pada bidang batas dua zat bening yang

berbeda kerapatan optiknya.

- Cahaya datang yang berasal dari air (medium optik lebih rapat) menuju ke udara (medium optik kurang

rapat) dibiaskan menjauhi garis normal (berkas cahaya J).

- Pada sudut datang tertentu, maka sudut biasnya akan 90O dan dalam hal ini berkas bias akan berimpit

dengan bidang batas (berkas K). Sudut datang dimana hal ini terjadi dinamakan sudut kritis (sudut batas).

Sudut kritis adalah sudut datang yang mempunyai sudut bias 90derajat atau yang mempunyai cahaya bias

berimpit dengan bidang batas.

- Apabila sudut datang yang telah menjadi sudut kritis diperbesar lagi, maka cahaya biasnya tidak lagi

menuju ke udara, tetapi seluruhnya dikembalikan ke dalam air (dipantulkan)(berkas L).

Peristiwa inilah yang dinamakan pemantulan internal sempurna Syarat terjadinya pemantulan internal

sempurna :

1) Cahaya datang berasal dari zat yang lebih rapat menuju ke zat yang lebih

renggang.

2) Sudut datang lebih besar dari sudut kritis.

Beberapa peristiwa pemantulan sempurna dapat kita jumpai dalam kehidupan

sehari-hari, diantaranya :

a. Terjadinya fatamorgana

b. Intan dan berlian tampak berkilauan

c. Teropong prisma

5. Pembiasan Cahaya pada Lensa

Lensa adalah benda bening yang dibentuk sedemikian rupa sehingga dapat membiaskan atau meneruskan

hampir semua cahaya yang melaluinya. Ada dua jenis lensa yaitu lensa cembung atau lensa positif dan

lensa cekung atau lensa negatif.

5.1 Bentuk dan Sifat Lensa Cembung (Positif)

Lensa cembung adalah lensa yang bagian tengahnya lebih tebal dari bagian tepinya. Lensa cembung

terdiri dari 3 macam yaitu :

1) Lensa bikonveks (cembung ganda) yaitu lensa kedua permukaannya cembung.

2) Lensa plankonveks (cembung datar) yaitu lensa yang permukaannya satu cembung dan yang lain datar.

3) Lensa konkaf konveks (meniskus cembung/cembung cekung) yaitu lensa yang permukaannya satu

cembung yang lainnya cekung.

Lensa cembung bersifat konvergen atau mengumpulkan cahaya. Titik dimana

cahaya mengumpul disebut titik fokus.

5.2 Pembentukan Bayangan pada Lensa Cembung

Setiap lensa mempunyai dua buah titik fokus di sebelah kiri dan kanannya, tetapi ke dua jarak fokus ke

lensanya sama. Agar lebih mudah memahami pembentukan bayangan yang terjadi, maka perhatikan

bagian-bagian lensa cembung di bawah ini:

SU : sumbu utama

O : titik pusat optik lensa

f1 dan f2 : titik api (fokus) lensa.

O - f1 dan O - f2 : f = jarak titik api lensa.

R1 dan R2 : jari-jari kelengkungan lensa.

I, II, III : nomor ruang untuk meletakkan benda

(I), (II), (III), (IV) : nomor ruang untuk bayangan benda

1) Tiga berkas cahaya/sinar istimewa pada lensa cembung

a. Sinar datang sejajar sumbu utama (SU) akan dibiaskan melalui titi api

(fokus/f);

b. Sinar datang melalui titik api (f) akan dibiaskan sejajar sumbu utama (SU);

c. Sinar datang melalui titik pusat optik lensa (O) tidak dibiaskan melainkan

diteruskan.

Sebenarnya, dua dari tiga berkas cahaya ini sudah cukup untuk mencari lokasi titik bayangannya, yang

merupakan titik perpotongannya. Penggambaran yang ketiga dapat digunakan untuk memeriksa. Lensa

cembung mempunyai sifat seperti cermin cekung. Oleh karena itu bayangan yang dibentukpun hampir

sama, yaitu :

- Bayangan nyata, terjadi dari perpotongan sinar-sinar bias yang mengumpul. Bayangan nyata pada lensa

cembung terjadi jika benda teletak di ruang II dan III.

- Bayangan maya, terjadi dari perpotongan perpanjangan sinar-sinar bias yang divergen (menyebar).

Bayangan maya pada lensa cembung terjadi jika benda terletak di ruang I.

2) Pembentukan bayangan pada lensa cembung dan sifat bayangannya

a. Benda terletak lebih jauh dari dua jarak fokus (di ruang III)

Sifat bayangan yang terjadi :

- nyata (dibelakang lensa)

- terbalik

- di ruang (II)

- diperkecil (dari III ke (II))

5.3 Bentuk dan Sifat Lensa Cekung

Lensa cekung adalah lensa yang bagian tengahnya lebih tipis dari bagian

tepinya. Lensa cekung terdiri dari 3 macam yaitu :

1) Lensa bikonkaf (cekung ganda) yaitu lensa kedua permukaannya cekung.

2) Lensa plankonkaf (cekung datar) yaitu lensa yang permukaannya satu cekung dan yang lain datar.

3) Lensa konveks konkaf (meniskus cekung/cekung cembung) yaitu lensa yang permukaannya satu

cekung yang lainnya cembung.

Lensa cekung bersifat divergen atau menyebarkan cahaya.

5.4 Pembentukan Bayangan pada Lensa Cekung

Lensa cekung bersifat seperti cermin cembung. Oleh karena itu, lensa cekung mempunyai titik api (fokus)

yang dinyatakan dengan negatif. Agar lebih mudah memahami pembentukan bayangan yang terjadi, maka

perhatikan bagian-bagian lensa cekung di bawah ini:

SU : sumbu utama

O : titik pusat optik lensa

f1 dan f2 : titik api (fokus) lensa.

O - f1 dan O - f2 : f = jarak titik api lensa.

R1 dan R2 : jari-jari kelengkungan lensa.

1) Tiga berkas cahaya/sinar istimewa pada lensa cembung

a. Sinar datang sejajar sumbu utama (SU) akan dibiaskan seolah-olah dari titik api (f1);

b. Sinar datang seolah-olah menuju titik api (f2) akan dibiaskan sejajar sumbu utama (SU)

c. Sinar datang melalui titik pusat optik lensa (O) tidak dibiaskan melainkan diteruskan.

Lensa cekung hanya dapat membentuk satu macam bayangan, yaitu bayangan maya dari benda yang

terletak di depan lensa dengan sembarang penempatan.

2) Pembentukan bayangan pada lensa cekung dan sifat bayangannya

Sifat bayangan yang terjadi :

- maya (di depan lensa)

- tegak

- diperkecil

5.5 Hubungan antara Jarak Benda, Jarak Bayangan, dan Jarak Titik Fokus

So = jarak benda ke lensa

Si = jarak bayangan ke lensa (bernilai negatif bila

bayangan yang dihasilkan bersifat maya)

f = jarak titik api lensa (berharga positif)

M = perbesaran bayangan

ho = tinggi benda

hi = tinggi bayangan

Hubungan antara jarak benda (So), jarak bayangan (Si), dan jarak fokus (f) Sama halnya pada cermin

lengkung, pada lensa juga berlaku persamaan :

Keterangan :

- So = jarak benda

- Si = jarak bayangan

- f = jarak fokus

- R = jari-jari kelengkungan lensa

- M = perbesaran bayangan

- ho = tinggi benda

- hi = tinggi bayangan

Untuk lensa cembung, penggunaan persamaan tersebut dengan memperhatikan

tanda sebagai berikut :

- f bernilai positif (+) menunjukkan jarak fokus lensa cembung.

- So bernilai positif (+) menunjukkan bendanya nyata.

- Si bernilai positif (+) menunjukkan bayangannya nyata (berada dibelakang lensa)

- Si bernilai negatif (-) menunjukkan bayangannya maya (berada di depan lensa)

Sedangkan untuk lensa cekung :

- f bernilai negatif (-) menunjukkan jarak fokus lensa cekung.

- So bernilai positif (+) menunjukkan bendanya nyata.

- Si bernilai negatif (-) menunjukkan bayangannya maya (berada di depan lensa).

Lensa cekung selalu membentuk bayangan maya walaupun letak benda diubahubah

di depan lensa cekung.

5.6Kekuatan (Daya) Lensa

Kekuatan lensa atau daya lensa adalah kemampuan suatu lensa untuk memusatkan/mengumpulkan atau

menyebarkan berkas sinar yang diterimanya. Besarnya daya (P) lensa berkebalikan dengan jarak titik

apinya (fokus). Semakin kecil fokus semakin besar daya lensanya.

Keterangan :

P = daya lensa, satuannya dioptri

f = jarak titik api, satuannya meter (m)

5.7 Kegunaan Lensa

Lensa cembung banyak digunakan pada kamera, lup, mikroskop, dan kacamata sedangkan lensa cekung

banyak pula digunakan pada alat-alat optik diantaranya kacamata dan teropong.

6. Dispersi Cahaya

6.1 Dispersi

Apabila seberkas cahaya putih atau cahaya polikromatis melewati sebuah prisma maka cahaya tersebut

akan diuraikan menjadi berbagai warna. Penguraian cahaya ini menjadi warna-warna

cahaya monokromatis disebut dispersi (hamburan) cahaya. Warna-warna yang

keluar dari prisma dapat diamati dengan memasang layar (seperti terlihat pada

gambar). Deretan warna yang tampak pada layar disebut spektrum warna.

Dispersi cahaya terjadi karena setiap warna cahaya mempunyai indeks bias yang berbeda-beda. Cahaya

merah mempunyai indeks bias terkecil sedangkan cahaya ungu mempunyai indeks bias terbesar sehingga

cahaya merah mengalami deviasi (penyimpangan) terkecil sedangkan warna ungu mengalami deviasi

terbesar.

6.2 Pelangi

Terjadinya pelangi disebabkan oleh peristiwa dispersi cahaya matahari melalui butiran air hujan di udara

dan diurai menjadi warna spektrum. Warna spektrum inilah tampak terlihat berupa pelangi di udara. Sinar

matahari jatuh ke butir butir air di udara. Sinar tersebut memasuki butiran, lalu dipantulkan sempurna,

kemudian dibiaskan keluar dari butiran air.