Pemantulan Sempurna: Definisi, Syarat, Rumus Sudut Kritis, Penerapan, Contoh Soal dan Pembahasan

Tahukah kalian mengapa berlian tampak berkilauan ketika cahaya jatuh pada permukaannya? Fenomena ini merupakan salah satu contoh gejala fisika yang berhubungan dengan pemantulan sempurna atau pemantulan total. Lalu tahukah kalian apa itu pemantulan sempurna? Bagaimana bisa terjadi pemantulan sempurna? Untuk menjawab pertanyaan tersebut, silahkan kalian simak baik-baik penjelasan berikut ini. Selamat belajar.

Pengertian Pemantulan Sempurna

Tentu kalian sudah mengetahui bahwa pada peristiwa pembiasan cahaya, jika sinar datang dari medium lebih rapat menuju medium kurang rapat, maka sinar akan dibiaskan menjauhi garis normal. Jika sudut sinar datang kita perbesar, maka sudut bias akan semakin besar pula. Suatu saat, sudut bias akan sama dengan 90°. Hal ini berarti sinar dibiaskan sejajar dengan bidang batas antarmedium.

Jika sudut datang kita perbesar lagi, maka sinar datang tidak lagi dibiaskan, akan tetapi dipantulkan. Peristiwa inilah yang kita sebut dengan pemantulan total atau pemantulan sempurna. Coba kalian amati jalannya sinar pada pembiasan cahaya oleh kaca berikut ini.

Ketika sudut datang sama dengan nol, sudut biasnya juga nol seperti ditunjukkan oleh sinar 1. Kemudian, sinar datang dengan sudut i akan dibiaskan dengan sudut bias r (sinar 2). Jika sudut sinar datang diperbesar sampai i = θ, maka sinar akan dibiaskan sejajar dengan permukaan kaca (karena sudut datang θ menghasilkan sudut bias 90°, maka θ disebut sudut kritis) seperti yang ditunjukkan oleh sinar 3. Jika sudut sinar datang lebih besar daripada sudut kritis (sudut batas), maka sinar akan dipantulkan seluruhnya oleh permukaan kaca kembali ke dalam kaca (sinar 4).

Dengan demikian, sudut kritis adalah sudut datang yang menghasilkan sudut bias sebesar 90°. Jika sudut datang diperbesar lagi melebihi sudut kritis, cahaya tidak akan dibiaskan melainkan dipantulkan secara sempurna. Artinya, cahaya tidak akan keluar dari medium kaca, seperti yang ditunjukkan oleh sinar 4. Peristiwa inilah yang disebut pemantulan sempurna.

Syarat Terjadinya Pemantulan Sempurna

Berdasarkan proses terjadinya pemantulan sempurna seperti yang telah dijelaskan di atas, maka dapat disimpulkan bahwa pemantulan sempurna atau pemantulan total hanya akan terjadi apabila memenuhi dua syarat sebagai berikut.

■ Cahaya datang dari medium lebih rapat ke medium kurang rapat atau dengan kata lain, indeks bias medium pertama harus lebih besar dari indeks bias medium kedua (n1 > n2).

■ Sudut datang harus lebih besar daripada sudut kritis. Misalnya, jika sudut datang adalah i dan sudut kritis adalah ik maka pada pemantulan sempurna berlaku i > ik.

Dengan demikian, pada peristiwa pemantulan sempurna tidak berlaku Hukum pembiasan cahaya karena memang tidak terjadi refraksi atau pembiasan cahaya. Lalu hukum apa yang berlaku? Tentu saja Hukum pemantulan cahaya. Masih ingatkah kalian tentang Hukum Pemantulan Cahaya? Jika sudah lupa, berikut gambar dan bunyinya.

1. Sinar datang, garis normal dan sinar pantul terletak pada satu bidang datar.

2. Sudut datang sama dengan sudut pantul. Secara matematis, persamaan sudut datang dan sudut pantul dituliskan dalam bentuk rumus berikut.

θi = θr

3. Sinar datang tegak lurus cermin akan dipantulkan kembali.

Lalu bagaimana menjelaskan fenomena berlian yang berkilauan menggunakan konsep pemantulan cahaya dalam hal ini pemantulan sempurna? Untuk menjawab pertanyaan ini, perhatikan gambar berikut.

Ketika sinar cahaya datang dari udara masuk ke dalam berlian, maka sinar di dalam berlian akan menuju batas permukaan berlian. Apabila sinar tersebut membentuk sudut datang yang nilainya lebih besar dari sudut kritis (i > ik) maka sinar tersebut tidak akan dibiaskan keluar menuju udara, melainkan akan dipantulkan di dalam ruang berlian.

Dalam hal ini, cahaya terperangkap di dalam ruang berlian. Sinar yang terperangkap tersebut akan terus bergerak menuju batas permukaan berlian yang lain, dan jika sudut datang yang dibentuk lebih besar dari sudut kritis maka akan terjadi pemantulan sempurna berulang-ulang. Sehingga akan nampak bahwa berlian tersebut terlihat berkilauan. Hal ini terjadi karena sebagian besar cahaya dipantulkan di dalam berlian bukan dibiaskan.

Rumus Sudut Kritis

Jika sudut sinar datang dari medium pertama mempunyai sudut bias 90° disebut sudut kritis (sudut batas) dan ditulis ik, maka menurut Hukum Snellius untuk pembiasan cahaya, berlaku persamaan berikut.

n1 sin ik = n2 sin r

n1 sin ik = n2 sin 90°

n1 sin ik = n2 (1)

n1 sin ik = n2

sin ik	=	n2
		n1

ik	=	sin-1	n2
			n1

Keterangan:

ik = sudut kritis (sudut batas)

n1 = indeks bias medium pertama

n2 = indeks bias medium kedua

n1 > n2

Penerapan Konsep Pemantulan Sempurna

Prinsip pemantulan sempurna dimanfaatkan dalam teknologi komunikasi, yakni pada serat optik (fiber optic), seperti yang diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

Serat optik adalah suatu serat halus terbuat dari plastik atau kaca yang digunakan untuk menyalurkan cahaya atau gelombang elektromagnetik. Serat optik terdiri atas bagian inti dan bagian luar sebagai pembungkusnya. Bagian inti terbuat dari kaca yang memiliki indeks bias tinggi dan berkualitas baik. Indeks bias yang tinggi akan mengakibatkan sudut kritis kecil sehingga sinar datang dengan sudut datang yang tidak terlalu besar akan mengalami pemantulan sempurna.

Bagian luar yang merupakan pembungkus, terbuat dari plastik atau material lain yang berfungsi melindungi bagian inti. Oleh karena cahaya atau gelombang elektromagnetik yang masuk ke dalam serat optik mengalami pemantulan sempurna, pada saat keluar dari serat optik, energi cahaya tidak banyak yang hilang. Berdasarkan hal itu, jika yang dikirim adalah sinyal-sinyal komunikasi dalam bentuk gelombang cahaya, pada saat diterima di tempat tujuan sinyal tersebut sampai secara utuh tanpa banyak kehilangan energi.

Contoh Soal dan Pembahasan

1. Hitunglah sudut kritis berlian yang memiliki indeks bias mutlak 2,417 pada saat diletakkan di udara.

Jawab:

Diketahui:

n2 = 1 (udara)

n1 = 2,417 (berlian)

Maka sudut kritisnya dapat dihitung dengan rumus berikut.

ik	=	sin-1	1
			2,417

ik

=

sin-1 (0,414)

ik

=

24,4°

Jadi, sudut kritis berlian tersebut adalah 24,4°.

2. Seberkas sinar datang dari medium kaca yang indeks biasnya 1,50 menuju ke medium air yang indeks biasnya 1,33. Tentukanlah sudut kritisnya.

Jawab:

Diketahui:

n2 = 1,33 (air)

n1 = 1,50 (kaca)

Maka sudut kritisnya dapat dihitung dengan rumus berikut.

ik	=	sin-1	1,33
			1,55

ik

=

sin-1 (0,887)

ik

=

62,5°

Jadi, sudut kritis kaca tersebut adalah 62,5°.