Pembiasan Cahaya Pada Kaca Plan paralel, Contoh Soal dan Pembahasan

Pembiasan merupakan peristiwa pembelokan arah sinar atau cahaya yang melalui dua atau lebih medium yang berbeda kerapatan optiknya. Pembiasan cahaya hanya dapat terjadi apabila medium-medium yang dilewatinya merupakan benda bening. Air, gelas kaca, lensa dan plastik transparan merupakan bebeberapa contoh benda bening. Dapatkah kalian menyebutkan contoh-contoh benda bening yang lainnya?

Berbicara mengenai benda bening, pada kesempatan kali ini kita akan belajar mengenai pembiasan cahaya pada kaca plan paralel. Tahukah kalian apa itu kaca planparalel? Jika di laboratorium sekolah kalian mempunyai kaca planparalel, gunakanlah untuk melakukan percobaan sederhana. Amati bagian bening pada balok kaca tersebut. Kaca tersebut mempunyai dua bagian bening yang sejajar. Itulah sebabnya balok kaca tersebut dinamakan kaca plan paralel (paralel: sejajar)

Kaca plan paralel adalah sekeping kaca yang kedua sisi panjangnya dibuat sejajar. Kaca plan paralel dapat digunakan untuk mengamati jalannya sinar yang mengalami pembiasan dan untuk menentukan indeks bias kaca tersebut. Jika sebuah berkas sinar datang menuju permukaan kaca plan paralel, maka sinar tersebut akan mengalami pembiasan sebanyak dua kali.

Pembiasan pertama terjadi ketika cahaya masuk ke kaca. Dan pembiasan kedua terjadi ketika cahaya keluar dari kaca ke udara. Ketika cahaya dari udara masuk ke kaca, cahaya akan dibiaskan mendekati garis normal. Setelah itu, cahaya akan keluar dari kaca dan dibiaskan oleh udara menjauhi garis normal. Perjalannya cahaya yang mengalami pembiasan dua kali ini dapat kalian lihat pada gambar berikut.

Keterangan gambar:

n1 = indeks bias udara

n2 = indeks bias kaca plan paralel

Jika seberkas cahaya datang pada salah satu sisi kaca plan paralel maka sinar ini di dalam kaca akan dibiaskan dan akhirnya keluar dari sisi lain, yang arahnya selalu sejajar dengan sinar datang. Dari gambar di atas, berkas sinar datang AB dibiaskan oleh kaca menjadi sinar BC mendekati garis normal dan setelah ke luar dari kaca dibiaskan lagi menjadi sinar CD menjauhi garis normal. Lalu bagaimana membuktikan bahwa sinar BC dan CD tersebut sejajar? Perhatikan penjelasan berikut.

Bukti:

■ Sinar datang dari udara menuju kaca planparalel berlaku Hukum Snellius sebagai berikut.

n1 sin i1 = n2 sin r1

n2	=	sin i1	…………… Pers. (1)
n1		sin r1

■ Sinar datang dari kaca planparalel menuju udara berlaku Hukum Snellius sebagai berikut.

n2 sin i2 = n1 sin r2

n1	=	sin r2	…………… Pers. (2)
n2		sin i2

Dengan demikian, persamaan (1) = persamaan (2) sehingga:

sin i1	=	sin r2
sin r1		sin i2

Karena r1 = i2, maka:

sin i1	=	sin r2
sin r1		sin r1

sin i1

=

sin r2

Jadi, i1 = r2, oleh karena itu CD // AB (terbukti).

Akan tetapi, dari lukisan di atas ternyata sinar keluar CD telah mengalami pergeseran sejauh t terhadap sinar datang AB. Misalkan ketebalan kaca plan paralel adalah d cm, maka besar pergeseran sinar dapat dihitung dengan cara berikut.

Dari gambar lukisan di atas, perhatikan ∆CBE yang siku-siku di E.

β = (i1 – r1)

sin β	=	CE
		BC

sin (i1 – r1)	=	CE
		BC

CE = t = BC sin (i1 – r1) …………… Pers. (3)

Kemudian lihat ∆CBF yang siku-siku di F

cos r1	=	BF
		BC

BC	=	BF
		cos r1

BF = d sehingga:

BC	=	d	…………… Pers. (4)
		cos r1

Apabila persamaan (4) kita subtitusikan ke persamaan (3) maka kita peroleh persamaan berikut.

t	=	d	sin (i1 – r1)
			cos r1

Keterangan:

t = pergeseran sinar

d = ketebalan kaca plan paralel

i1 = sudut datang sinar dari udara ke kaca

r1 = sudut bias sinar dari udara ke kaca

Agar kalian lebih paham mengenai konsep dan rumus pergeseran sinar dalam peristiwa pembiasan cahaya pada kaca planparalel, perhatikan contoh soal dan pembahasannya berikut ini.

Contoh Soal 1:

Seberkas sinar laser jatuh pada permukaan kaca plan paralel dapat membentuk sudut datang sebesar 45°. Jika tebal kaca plan paralel 15 cm dan sudut bias yang dihasilkan adalah 20°. Tentukan besar pergeseran yang dialami oleh sinar laser tersebut.

Penyelesaian:

Diketahui:

i1 = 45°

d = 15 cm

r1 = 20°

Ditanyakan: t

Jawab:

t	=	d sin (i1 – r1)
		cos r1

t	=	(15) sin (45° – 20°)
		cos 20°

t	=	(15) sin (25°)
		cos 20°

t	=	(15)(0,42)
		0,94

t	=	6,3	=	6,7
		0,94

Jadi, ketika melewati kaca plan paralel, sinar laser mengalami pergeseran sejauh 6,7 cm dari arah semula.

Contoh Soal 2:

Sebuah sinar diarahkan ke salah satu sisi kaca plan paralel yang mempunyai ketebalan 4 cm. Jika sudut datang sinar tersebut 30° dan indeks bias kaca 2, tentukanlah pergeseran sinar pada kaca.

Penyelesaian:

Diketahui:

d = 4 cm

nkaca = 2

i1 = 30°

Ditanyakan: t

Jawab:

Untuk mencari t, terlebih dahulu kita mencari sudut bias (r1). Sesuai dengan Hukum Pembiasan, kita mendapatkan:

nudara sin i1 = nkaca sin r1

(1) sin i1 = nkaca sin r1

sin i1 = nkaca sin r1

sin r1	=	sin i1
		nkaca

sin r1	=	sin 30°
		2

sin r1	=	1/2
		2

sin r1	=	1
		4

r1 =  sin-1(1/4)

r1 = 14,48°

Kemudian besar pergeseran sinar dapat kita cari dengan persamaan berikut.

t	=	d sin (i1 – r1)
		cos r1

t	=	(4) sin (30° – 14,48°)
		cos 14,48°

t	=	(4) sin (15,52°)
		cos 14,48°

t	=	(4)(0,268)
		0,968

t	=	1,072	=	1,11
		0,968

Jadi, pergeseran sinar tersebut adalah 1,11 cm.