Cahaya — Kecepatan, Pemantulan, Pembiasan & Spektrum

Cahaya dalam fisika adalah radiasi elektromagnetik. Gagasan utama yang biasanya perlu dipahami siswa cukup sederhana: cahaya memiliki kecepatan tetap di vakum, memantul pada permukaan, membias saat memasuki medium baru, dan cahaya tampak hanyalah sebagian kecil dari spektrum elektromagnetik.

Di vakum, cahaya merambat dengan kecepatan

$$c \approx 3.00 \times 10^8\ \mathrm{m/s}$$

Pada suatu batas antarmedium, sebagian cahaya dapat dipantulkan, sebagian dapat dibiaskan, dan sebagian dapat mengalami keduanya. Hal itu bergantung pada material dan sudut datangnya.

Jika Anda ingin gambaran singkatnya, ingat empat ide berikut:

• cahaya memiliki kecepatan tertentu di vakum
• pemantulan berarti sinar tetap berada dalam medium yang sama dan memantul dari permukaan
• pembiasan berarti sinar memasuki medium baru dan berubah arah
• spektrum menjelaskan bagaimana cahaya dapat diurutkan berdasarkan panjang gelombang atau frekuensi

Apa Arti Cahaya Dalam Fisika

Dalam fisika dasar, cahaya diperlakukan sebagai gelombang elektromagnetik. Dalam fisika modern, cahaya juga menunjukkan perilaku seperti partikel, tetapi untuk pemantulan, pembiasan, dan spektrum tampak, model gelombang biasanya yang pertama perlu Anda pahami.

Hubungan di vakum adalah

$$c = \lambda f$$

dengan $\lambda$ adalah panjang gelombang dan $f$ adalah frekuensi. Panjang gelombang yang lebih pendek berarti frekuensi yang lebih tinggi. Itulah sebabnya cahaya tampak biru-ungu memiliki panjang gelombang yang lebih pendek daripada cahaya tampak merah.

Di dalam material, cahaya biasanya merambat lebih lambat daripada di vakum. Dalam model pengantar standar,

$$v = \frac{c}{n}$$

dengan $n$ adalah indeks bias material. Hubungan ini adalah model pengantar standar untuk cahaya di dalam material, dan menjelaskan mengapa pembiasan terjadi.

Pemantulan: Medium Sama, Sudut Sama

Pemantulan terjadi ketika cahaya mengenai suatu batas dan tetap berada dalam medium asal. Cermin datar adalah contoh yang paling sederhana.

Hukum pemantulan adalah

$$\theta_i = \theta_r$$

dengan sudut datang dan sudut pantul keduanya diukur dari garis normal, bukan dari permukaan. Jika Anda mengukurnya dari permukaan, susunannya sudah salah bahkan sebelum perhitungan dimulai.

Pembiasan: Medium Baru, Kecepatan Baru

Pembiasan terjadi ketika cahaya masuk ke medium yang berbeda dan arahnya berubah karena kecepatannya berubah. Aturan utamanya adalah hukum Snell:

$$n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2$$

Jika cahaya masuk ke medium dengan indeks bias lebih besar, sinar membelok mendekati normal. Jika masuk ke medium dengan indeks bias lebih kecil, sinar membelok menjauhi normal, selama pembiasan masih terjadi.

Dalam soal batas antarmedium biasa, frekuensi dianggap tetap sementara kecepatan dan panjang gelombang menyesuaikan dengan medium baru. Itulah sebabnya cahaya dari sumber yang sama tidak menjadi warna berbeda hanya karena masuk ke kaca.

Contoh Soal: Cahaya Dari Udara Ke Kaca

Misalkan cahaya bergerak dari udara ke kaca dengan

$$n_1 = 1.00, \qquad n_2 = 1.50, \qquad \theta_1 = 30^\circ$$

Pertama, cari kecepatan cahaya di dalam kaca:

$$v = \frac{c}{n} = \frac{3.00 \times 10^8}{1.50} = 2.00 \times 10^8\ \mathrm{m/s}$$

Sekarang cari sudut bias dengan hukum Snell:

$$1.00 \sin 30^\circ = 1.50 \sin \theta_2$$

Karena $\sin 30^\circ = 0.5$,

$$0.5 = 1.50 \sin \theta_2$$

maka

$$\sin \theta_2 = \frac{1}{3}$$

dan karena itu

$$\theta_2 = \sin^{-1}\left(\frac{1}{3}\right) \approx 19.5^\circ$$

Hasil ini masuk akal secara fisika. Cahaya melambat di dalam kaca dan membelok mendekati normal karena kaca memiliki indeks bias yang lebih besar.

Spektrum Tampak: Di Mana Warna-Warna Berada

Kata "spektrum" dapat berarti dua hal yang saling berkaitan erat.

Dalam arti fisika yang luas, spektrum elektromagnetik adalah seluruh rentang dari gelombang radio hingga sinar gamma. Cahaya tampak hanyalah satu pita sempit di dalamnya.

Dalam optika biasa, spektrum tampak berarti sebaran panjang gelombang yang terlihat, sering tampak ketika cahaya putih melewati prisma atau tetes air. Cahaya merah berada di ujung panjang gelombang yang lebih panjang dari rentang tampak, sedangkan ungu berada di ujung panjang gelombang yang lebih pendek. Batas tepat daerah tampak tidak sepenuhnya tegas, tetapi kisaran kasar yang umum adalah sekitar $400$ hingga $700\ \mathrm{nm}$ di vakum.

Kesalahan Umum Dalam Soal Cahaya

Menganggap cahaya tampak sebagai seluruh cahaya

Cahaya tampak hanyalah satu bagian dari spektrum elektromagnetik.

Mengukur sudut dari permukaan

Sudut pemantulan dan pembiasan diukur dari garis normal.

Menganggap cahaya selalu membelok mendekati normal

Itu hanya terjadi saat cahaya masuk ke medium dengan indeks bias lebih besar.

Mencampuradukkan kecepatan, frekuensi, dan panjang gelombang

Di dalam medium, kecepatan dapat berubah. Pada suatu batas, optika dasar biasanya menganggap frekuensi tetap dan membiarkan panjang gelombang berubah.

Di Mana Pemantulan Dan Pembiasan Digunakan

Ide-ide ini menjelaskan cermin, kacamata, kamera, mikroskop, pelangi, serat optik, dan banyak alat ukur. Bahkan sistem optik tingkat lanjut biasanya tetap dibangun di atas pertanyaan inti yang sama: seberapa cepat cahaya bergerak di sini, dan apa yang terjadi saat cahaya bertemu suatu batas?

Coba Soal Serupa

Ubah contoh dari udara-ke-kaca menjadi kaca-ke-udara atau udara-ke-air dan prediksi arah pembelokannya sebelum Anda menghitung. Jika Anda ingin mencoba versi sendiri dengan sudut atau indeks bias baru, GPAI Solver adalah langkah berikutnya yang praktis.