HUKUM BIOT-SAVART

 

Pembiasan Cahaya: Kenapa Sedotan di Gelas Terlihat Bengkok?

Materi Fisika SMA — Optik Geometri (Kurikulum Merdeka)

Coba masukkan sedotan ke dalam gelas berisi air, lalu lihat dari samping. Sedotan itu terlihat "patah" atau bengkok di permukaan air, padahal kita tahu betul sedotannya lurus-lurus saja. Kolam renang juga sering terlihat lebih dangkal dari kedalaman aslinya. Ada apa sebenarnya di balik "tipuan mata" ini? Jawabannya ada pada satu fenomena: pembiasan cahaya. Yuk kita bongkar pelan-pelan, mulai dari analogi paling sederhana sampai rumus-rumusnya!

1. Analogi Feynman: Mobil yang Belok Sendiri

Bayangkan sebuah mobil dengan dua roda depan yang terhubung oleh satu as (seperti mobil mainan), melaju dari jalan aspal menuju hamparan pasir dengan sudut miring — tidak tegak lurus terhadap batas aspal-pasir.

Begitu roda sebelah kiri menyentuh pasir lebih dulu, roda itu langsung melambat (karena pasir memberi hambatan lebih besar), sementara roda kanan masih di aspal dan melaju kencang. Akibatnya, mobil itu membelok ke arah pasir — bukan karena setirnya diputar, tapi karena satu sisi melambat lebih dulu daripada sisi lainnya.

Cahaya melakukan hal yang persis sama. Ketika berkas cahaya merambat dari satu medium (misalnya udara) ke medium lain (misalnya air) dengan sudut miring, satu "sisi" gelombang cahaya menyentuh medium baru lebih dulu dan melambat lebih dulu daripada sisi lainnya. Hasilnya, arah rambat cahaya itu membelok. Itulah pembiasan.

2. Indeks Bias: Seberapa "Rapat" Suatu Medium Bagi Cahaya

Cahaya merambat paling cepat di ruang hampa, yaitu c = 3 × 10⁸ m/s. Begitu masuk ke medium lain (air, kaca, dsb), cahaya melambat. Seberapa besar perlambatan ini dinyatakan dengan indeks bias mutlak (n):

n = c / v

Keterangan:

• n = indeks bias mutlak medium (tidak bersatuan)
• c = laju cahaya di ruang hampa (3 × 10⁸ m/s)
• v = laju cahaya di dalam medium tersebut (m/s)

Semakin besar n, semakin "rapat secara optis" medium itu, artinya cahaya melambat semakin banyak di dalamnya. Sebagai gambaran, indeks bias udara ≈ 1, air ≈ 1,33, kaca ≈ 1,5, dan berlian ≈ 2,42.

Jika cahaya berpindah dari medium 1 ke medium 2, kita juga mengenal indeks bias relatif:

n₂₁ = n₂ / n₁ = v₁ / v₂ = λ₁ / λ₂

n₂₁ artinya "indeks bias medium 2 relatif terhadap medium 1". Perhatikan bahwa yang berubah saat cahaya berpindah medium hanyalah laju (v) dan panjang gelombang (λ); frekuensi (f) cahaya selalu tetap, karena frekuensi ditentukan oleh sumbernya, bukan oleh medium yang dilalui.

3. Hukum Snellius (Hukum Pembiasan)

Willebrord Snellius merumuskan hubungan matematis antara sudut datang dan sudut bias cahaya saat melewati bidang batas dua medium:

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

Keterangan:

• n₁ = indeks bias medium tempat sinar datang
• θ₁ = sudut datang (diukur dari garis normal)
• n₂ = indeks bias medium tempat sinar bias
• θ₂ = sudut bias (diukur dari garis normal)

Dari rumus ini, ada dua aturan praktis yang wajib diingat:

• Jika cahaya masuk dari medium kurang rapat ke lebih rapat (n₁ < n₂, misalnya udara → air): sinar bias mendekati garis normal (dibelokkan, θ₂ < θ₁).
• Jika cahaya masuk dari medium lebih rapat ke kurang rapat (n₁ > n₂, misalnya air → udara): sinar bias menjauhi garis normal (θ₂ > θ₁).

Diagram: Pembiasan pada Bidang Batas Dua Medium

Gambar 1. Saat cahaya masuk ke medium yang lebih rapat, sinar bias dibelokkan mendekati garis normal (θ₂ < θ₁).

Contoh Soal

Soal
Seberkas cahaya datang dari udara (n₁ = 1) menuju permukaan air (n₂ = 1,33) dengan sudut datang 45°. Tentukan sudut biasnya!

Penyelesaian:
n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂
1 × sin 45° = 1,33 × sin θ₂
sin θ₂ = 0,707 / 1,33 = 0,532
θ₂ = arcsin (0,532) ≈ 32,1°

Perhatikan bahwa θ₂ (32,1°) lebih kecil daripada θ₁ (45°) — sesuai aturan, karena cahaya masuk ke medium yang lebih rapat (air), sinar bias mendekati normal.

4. Pemantulan Sempurna (Total Internal Reflection)

Sekarang, bagaimana jika cahaya justru bergerak dari medium lebih rapat ke kurang rapat, misalnya dari air ke udara, dengan sudut datang yang semakin dibesarkan? Sesuai aturan di atas, sudut bias akan semakin menjauhi normal dan membesar lebih cepat daripada sudut datangnya.

Ada satu titik kritis: pada sudut datang tertentu, sudut bias tepat mencapai 90° — artinya sinar bias merambat menyusuri permukaan bidang batas itu sendiri. Sudut datang inilah yang disebut sudut kritis (θc). Jika sudut datang diperbesar lagi melebihi θc, cahaya tidak bisa lagi keluar ke medium kedua — seluruh cahaya dipantulkan kembali ke medium asalnya. Peristiwa inilah yang disebut pemantulan sempurna (total internal reflection).

sin θc = n₂ / n₁   (dengan syarat n₁ > n₂)

Syarat terjadinya pemantulan sempurna ada dua:

• Cahaya merambat dari medium lebih rapat menuju medium kurang rapat (n₁ > n₂)
• Sudut datang lebih besar daripada sudut kritis (θ > θc)

Diagram: Tiga Kondisi Sudut Datang terhadap Sudut Kritis

Gambar 2. Sinar biru = sinar datang dari medium rapat (misal air); sinar merah = sinar bias; garis putus-putus abu-abu = sinar pantul di dalam medium rapat.

Contoh Soal

Soal
Indeks bias air adalah 1,33 dan indeks bias udara adalah 1. Tentukan sudut kritis cahaya yang merambat dari air menuju udara!

Penyelesaian:
sin θc = n₂ / n₁ = 1 / 1,33 = 0,752
θc = arcsin (0,752) ≈ 48,8°

Artinya, seorang penyelam yang melihat ke atas permukaan air hanya bisa melihat "jendela" cahaya dari langit dalam kerucut bersudut sekitar 48,8° dari garis vertikal. Di luar sudut itu, permukaan air terlihat seperti cermin karena terjadi pemantulan sempurna dari bawah!

Penerapan pemantulan sempurna dalam kehidupan sehari-hari:

• Serat optik: cahaya "terjebak" merambat sepanjang serat kaca tipis karena terus-menerus mengalami pemantulan sempurna di dindingnya, sehingga sinyal data bisa dikirim jarak jauh nyaris tanpa kehilangan cahaya.
• Kilau berlian: berlian memiliki indeks bias sangat tinggi (≈ 2,42) sehingga sudut kritisnya sangat kecil (≈ 24°). Akibatnya, cahaya yang masuk ke dalam berlian sulit keluar dan terus dipantulkan berkali-kali di dalam, menghasilkan efek berkilau yang khas.
• Fatamorgana: bayangan seperti genangan air di jalan aspal yang panas terik adalah akibat pemantulan sempurna cahaya pada lapisan udara panas yang indeks biasnya berbeda dari udara di atasnya.

5. Pembiasan pada Kaca Planparalel

Kaca planparalel adalah kaca dengan dua permukaan datar yang saling sejajar (misalnya kaca jendela). Saat cahaya menembusnya dengan sudut miring, cahaya dibiaskan dua kali: masuk ke kaca dan keluar dari kaca. Karena kedua permukaannya sejajar, sinar yang keluar akan sejajar dengan sinar datang semula, hanya saja mengalami pergeseran (t).

t = d × sin(θ₁ − θ₂) / cos θ₂

Keterangan: t = pergeseran sinar (m), d = tebal kaca (m), θ₁ = sudut datang, θ₂ = sudut bias di dalam kaca. Semakin tebal kacanya atau semakin miring sudut datangnya, semakin besar pergeseran sinar yang terjadi.

6. Pembiasan pada Prisma

Prisma adalah medium bening berbentuk baji (dua permukaan datar yang tidak sejajar, membentuk sudut puncak/sudut pembias A). Karena kedua permukaannya tidak sejajar, sinar yang keluar dari prisma tidak sejajar lagi dengan sinar datang — melainkan menyimpang dari arah semula. Sudut penyimpangan ini disebut sudut deviasi (D).

Diagram: Pembiasan Cahaya pada Prisma

Gambar 3. Cahaya dibiaskan dua kali di dalam prisma (mendekati normal saat masuk, menjauhi normal saat keluar), menghasilkan sudut deviasi D terhadap arah datang semula.

Untuk prisma tipis (sudut pembias A kecil, biasanya kurang dari 15°) dengan sinar datang hampir tegak lurus, berlaku rumus deviasi minimum yang disederhanakan:

D = (n − 1) A

Keterangan: D = sudut deviasi (derajat), n = indeks bias bahan prisma, A = sudut pembias prisma (derajat). Rumus ini menjelaskan kenapa prisma bisa menguraikan cahaya putih menjadi warna pelangi: setiap warna (setiap panjang gelombang) punya indeks bias n yang sedikit berbeda pada bahan yang sama, sehingga setiap warna dideviasi dengan sudut D yang berbeda-beda pula — inilah yang disebut dispersi cahaya.

Contoh Soal

Soal
Sebuah prisma tipis memiliki sudut pembias 8° dan terbuat dari kaca dengan indeks bias 1,5. Tentukan sudut deviasi minimumnya!

Penyelesaian:
D = (n − 1) A = (1,5 − 1) × 8° = 0,5 × 8° = 4°

7. Rangkuman Rumus Penting

Besaran	Rumus
Indeks bias mutlak	n = c / v
Indeks bias relatif	n₂₁ = n₂/n₁ = v₁/v₂ = λ₁/λ₂
Hukum Snellius	n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂
Sudut kritis	sin θc = n₂ / n₁  (n₁ > n₂)
Syarat pemantulan sempurna	n₁ > n₂ dan θ > θc
Pergeseran sinar (kaca planparalel)	t = d sin(θ₁−θ₂) / cos θ₂
Deviasi prisma tipis	D = (n − 1) A

8. Kesimpulan

Pembiasan cahaya terjadi karena cahaya berubah laju rambatnya saat berpindah medium — persis seperti roda mobil yang membelok saat satu sisinya melambat lebih dulu. Aturan intinya sederhana: menuju medium lebih rapat, sinar mendekati normal; menuju medium kurang rapat, sinar menjauhi normal. Jika sudut menjauhi normal ini dibesarkan terus hingga melewati sudut kritis, seluruh cahaya dipantulkan sempurna kembali ke medium asalnya — fenomena yang justru dimanfaatkan manusia dalam serat optik dan menjadi alasan berlian tampak berkilau.

💡 Tips belajar: Sebelum menghitung, gambar dulu sketsa sederhananya: tandai garis normal, lalu tentukan arah rambat cahaya (menuju medium lebih rapat atau kurang rapat?). Dari situ kamu sudah bisa menebak sinar bias akan mendekat atau menjauh dari normal — sehingga kalau hasil hitunganmu berlawanan dengan tebakan itu, kamu tahu ada yang salah di perhitungan!