TUGAS MAKALAH MATA KULIAH FISIKA DASAR I

(1)

TUGAS MAKALAH

MATA KULIAH FISIKA DASAR II

PEMBIASAN CAHAYA

(REFRAKSI)

Dosen Pengampu : Drs. JOKO NUGROHO

Disusun oleh :

Yayuk Hidayah ( 08421.080 ) Ela Kurniawati ( 09421.043 ) Fitri Wahyuningsih ( 09421.050 ) Mahasiswi Pendidikan Fisika VI.B DAN IV.B

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA

FAKULTAS PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

(2)

BAB II PEMBAHASAN

A.PENGERTIAN PEMBIASAN CAHAYA

Pembiasan cahaya berarti pembelokan arah rambat cahaya saat melewati bidang batas dua medium tembus cahaya yang berbeda indeks biasnya. Pembiasan cahaya mempengaruhi penglihatan pengamat. Contoh yang jelas adalah bila sebatang tongkat yang sebagiannya tercelup di dalam kolam berisi air dan bening akan terlihat patah, dasar bak mandi yang berisi air kelihatan lebih dangkal, sikat gigi yang mengapung di air bak mandi kelihatan bengkok dan sebagainya.

a. Indeks Bias Medium

Ketika kamu sedang minum es pernahkah kamu memperhatikan sedotan yang ada pada gelas es ? Sedotan tersebut akan terlihat patah setelah melalui batas antara udara dan air. Hal ini terjadi karena adanya peristiwa pembiasan atau refraksi cahaya. Bagaimana sebenarnya peristiwa ini terjadi?

Kecepatan merambat cahaya pada tiap-tiap medium berbeda-beda tergantung pada kerapatan medium tersebut. Perbandingan perbedaan kecepatan rambat cahaya ini selanjutnya disebut sebagai indeks bias. Dalam dunia optik dikenal ada dua macam indeks bias yaitu indeks bias mutlak dan indeks bias relatif. Indeks bias mutlak adalah perbandingan kecepatan cahaya di ruang hampa dengan kecepatan cahaya di medium tersebut

v c nmedium 

dengan

nmedium : indeks bias mutlak medium

c : cepat rambat cahaya di ruang hampa

v : cepat rambat cahaya di suatu medium

(3)

dan seterusnya. Oleh karena c selalu lebih besar dari pada v maka indeks bias suatu medium selalu lebih dari satu nmedium>1.

Contoh indeks bias mutlak beberapa zat.

Medium Indeks bias mutlak Udara (1 atm, 0° C)

Udara (1 atm, 0° C) Udara (1 atm, 0° C) Air

Alkohol Gliserin Kaca kuarsa Kaca kerona Kaca flinta Intan

1,00029 1,00028 1,00026

1,33 1,36 1,47 1,46 1,52 1,65 2,42

Indeks bias relatif adalah perbandingan indeks bias suatu medium terhadap indeks bias medium yang lain.

2 1 12

n n

n  _atau

1 2 21

n n

n 

dengan

n12 : indeks bias relatif medium 1 terhadap medium 2

n21 : indeks bias relatif medium 2 terhadap medium 1

n1 : indeks bias mutlak medium 1

n2 : indeks bias mutlak medium 2

Setiap medium memiliki indeks bias yang berbeda-beda, karena perbedaan indeks bias inilah maka jika ada seberkas sinar yang melalui dua medium yang berbeda kerapatannya maka berkas sinar tersebut akan dibiaskan. Pada tahun 1621 Snellius, seorang fisikawan berkebangsaan Belanda melakukan serangkaian percobaan untuk menyelidiki hubungan antara sudut datang (i) dan sudut bias (r). Hukum pembiasan Snellius berbunyi:

(4)

2. Perbandingan sinus sudut datang dengan sinus sudut bias dari suatu cahaya yang melewati dua medium yang berbeda merupakan suatu konstanta.

1 2 sin

sin

n n r i



Menurut teori muka gelombang rambatan cahaya dapat digambarkan sebagai muka gelombang yang tegak lurus arah rambatan dan muka gelombang itu membelok saat menembus bidang batas medium 1 dan medium 2 seperti diperlihatkan gambar 1.

Gambar 1. Muka gelombang pada pembiasan cahaya dari medium1 ke medium 2.

Pada segitiga ABD berlaku persamaan trigonometri sebagai berikut

Sin i =

AD .t v AD

BD 1

 , sedangkan pada segitiga AED berlaku persamaan trigonometri

sebagai berikut, Sin r = _ADAE _ADv2.t

 . Bila kedua persamaan dibandingkan akan

diperoleh

2 1

v v sin sin



r i

Pada peristiwa pembelokan cahaya dari medium 1 ke medium 2 ini besaran frekuensi cahaya tetap atau tidak mengalami perubahan. Karena v = .f maka berlaku pula,

1

sini 

Cahaya datang dengan sudut i dan dibiaskan dengan sudut r. Cepat rambat cahaya di medium 1 adalah v1 dan

di medium 2 adalah v2.

(5)

Sehingga berlaku persamaan pembiasa

2 1 2 1 1 2

v v n n sin sin

    

r i

n

Dengan keterangan,

n1 : indeks bias medium 1

n2 : indeks bias medium 2

v1 : cepat rambat cahaya di medium 1

v2 : cepat rambat cahaya di medium 2

λ1 : panjang gelombang cahaya di medium 1

λ2 : panjang gelombang cahaya di medium 2

Di samping menunjukkan perbandingan cepat rambat cahaya di dalam suatu medium, indeks bias juga menunjukkan kerapatan optik suatu medium. Semakin besar indeks bias suatu medium berarti semakin besar kerapatan optik medium tersebut. Bila cahaya merambat dari medium kurang rapat ke medium yang lebih rapat, cahaya akan dibiaskan mendekati garis normal, sebaliknya bila cahaya merambat dari medium lebih rapat ke medium kurang rapat akan dibiaskan menjauhi garis normal.

B. Pemantulan Total

Pada saat cahaya merambat dari medium optik lebih rapat ke medium optik kurang rapat dengan sudut datang tertentu, cahaya akan dibiaskan menjauhi garis normal. Artinya sudut bias akan selalu lebih besar dibandingkan sudut datang. Apabila sudut datang cukup besar, maka sudut bias akan lebih besar lagi, Apa yang terjadi, bila sudut datang terus diperbesar?

Bila sudut datang terus diperbesar, maka suatu saat sinar bias akan sejajar dengan bidang yang berarti besar sudut biasnya (r) 90°. Tidak ada lagi cahaya yang dibiaskan,

(6)

seluruhnya akan dipantulkan. Sudut datang pada saat sudut biasnya mencapai 90° ini disebut sudut kritis atau sudut batas. Pemantulan yang terjadi disebut pemantulan total atau pemantulan sempurna. Persamaan sudut kritis sebagai berikut.

1 2 n n sin sin

 r

i

1 2 0 k

n n 90 sin

i sin



sin ik =

1 2 n n

Keterangan

ik = sudut kritis medium lebih rapat (asal sinar datang)

n1 = indeks bias medium kurang rapat (tempat sinar bias)

n2 = indeks bias bahan lebih rapat (asal sinar datang)

n1> n2

b. Pembiasan Cahaya Pada Plan Paralel (Balok Kaca)

Kaca plan paralel atau balok kaca adalah keping kaca tiga dimensi yang dibatasi oleh sisi-sisi yang sejajar.

Cahaya dari udara memasuki sisi pembias kaca plan paralel akan dibiaskan mendekati garis normal. Demikian pula pada saat cahaya meninggalkan sisi pembias lainnya ke udara akan dibiaskan menjauhi garis normal. Pengamat dari sisi pembias yang berseberangan akan melihat sinar dari benda bergeser akibat pembiasan. Sinar bias akhir mengalami pergeseran sinar terhadap arah semula.

(7)

Menentukan besar pergeseran sinar.

Tinjau arah sinar di dalam kaca plan paralel.

Pada segitiga ABC siku-siku di B: cosr1  d_s maka

1 cosr

d s 

Pada segitiga ACD siku-siku di D:

s t 



sin _maka t s.sin

Pergeseran sinarnya sejauh t,

maka: .sinα.

cosr d t

1 

Karena

1 1

r i α

r α i

 

maka

1 1 1

cosr ) r d.sin(i

t  

Ketentuan lain adalah berlaku: i1 = r2

r1 = i2

dengan keterangan

d = tebal balok kaca, (cm) i = sudut datang, (°) r = sudut bias, (°)

t = pergeseran cahaya, (cm)

Gambar 4. Pergeseran sinar bias terhadap arah semula dari sinar datang pada kaca plan paralel. Berkas sinar bias akhir sejajar dengan sinar datang namun bergeser sejauh jarak titik G-C

D t

C B d A

r₂ s

i₁

(8)

c. Pembiasan Cahaya Pada Prisma Kaca

Prisma juga merupakan benda bening yang terbuat dari kaca, kegunaannya antara lain untuk mengarahkan berkas sinar, mengubah dan membalik letak bayangan serta menguraikan cahaya putih menjadi warna spektrum (warna pelangi).

Cahaya dari udara memasuki salah satu bidang pembias prisma akan dibiaskan dan pada saat meninggalkan bidang pembias lainnya ke udara juga dibiaskan.

Rumus sudut puncak/pembias : βr1 i2 Sedangkan rumus sudut deviasi : δi1r2β

pada bidang pembias I :

ud

pada bidang pembias II :

k

Sudut deviasi adalah sudut yang dibentuk oleh perpanjangan sinar datang dan sinar bias prisma.

Pada saat i1 = r2 dan r1 = i2, sudut deviasi menjadi sekecil-kecilnya disebut sudut

Deviasi Minimum (m).

Menentukan persamaan sudut deviasi minimum. Karena i1 = r2 δi1r2β

(9)

1

untuk prisma dengan sudut pembias  ≤ 150, sudut deviasi minimum ditentukan tersendiri. Karena sudut deviasi menjadi sangat kecil (δm) sehingga nilai sin α = α.

Akibatnya persamaan Hukum Snellius di atas berubah dari,

1

d. Pembiasan Cahaya Pada Permukaan Lengkung

Permukaan lengkung lebih dikenal sebagai Lensa tebal, dalam kehidupan sehari-hari dapat diambilkan contoh, antara lain :

- Akuarium berbentuk bola - Silinder kaca

- Tabung Elenmeyer

- Plastik berisi air di warung makan

Gambar 6. Permukaan lengkung atau lensa tebal

(10)

dibiaskan sehingga terbentuk bayangan benda. Bayangan ini bersifat nyata karena dapat ditangkap layar.

Persamaan yang menyatakan hubungan antara indeks bias medium, indeks bias permukaan lengkung, jarak benda, jarak bayangan, dan jari-jari permukaan lengkung dapat dirumuskan sebagai berikut.

   

       

 



R n n s' n s

n₁ ₂ ₂ ₁

Dengan keterangan,

n1 = indeks bias medium di sekitar permukaan lengkung

n2 = indeks bias permukaan lengkung

s = jarak benda s' = jarak bayangan

R = jari-jari kelengkungan permukaan lengkung

Syarat : R = (+) jika sinar datang menjumpai permukaan cembung R = (-) jika sinar datang menjumpai permukaan cekung

Seperti pada pemantulan cahaya, pada pembiasan cahaya juga ada perjanjian tanda berkaitan dengan persamaan-persamaan pada permukaan lengkung seperti dijelaskan dalam tabel berikut ini.

s+

s-Jika benda nyata/sejati (di depan permukaan lengkung) Jika benda maya (di belakang permukaan lengkung) s'+

s'-Jika bayangan nyata (di belakang permukaan lengkung) Jika bayangan maya (di depan permukaan lengkung) R+

R-Jika permukaan berbentuk cembung dilihat dari letak benda Jika permukaan berbentuk cekung dilihat dari letak benda

Pembiasan pada permukaan lengkung tidak harus menghasilkan bayangan yang ukurannya sama dengan ukuran bendanya.

(11)

Gambar 7. Pembiasan cahaya pada permukaan lengkung

Sinar dari benda AB dan menuju permukaan lengkung dibiaskan sedemikian oleh permukaan tersebut sehingga terbentuk bayangan A'B'. Bila tinggi benda AB = h dan tinggi bayangan A'B' = h', akan diperoleh

tan i = h_s atau h = s tan i dan

tan r = h'_s' atau h’ = s’ tan r

Perbesaran yang terjadi adalah M = h'_h = s'_s_tan tan _rr

Bila i dan r merupakan sudut-sudut kecil, maka harga tan i = sin i dan tan r = sin r

sehingga M = s'_s_sinsin _ir

Karena

1 2 n n r sin

i sin

 atau

2 1 n n i sin

r sin

 maka diperoleh persamaan

perbesaran pada permukaan lengkung sebagai berikut.

M = 2 1 n s

n s'

Permukaan lengkung mempunyai dua titik api atau fokus. Fokus pertama (F1) adalah

(12)



1 _, _sehingga



Sehingga jarak fokus pertamanya sebesar, f1 =

1

Fokus kedua (F2) permukaan lengkung adalah titik pertemuan sinar-sinar bias apa bila

sinar-sinar yang datang pada bidang lengkung adalah sinar-sinar sejajar. Artinya benda berada jauh di tak terhingga (s = ) sehingga dengan cara yang sama seperti

pada penurunan fokus pertama di atas, kita dapatkan persamaan fokus kedua permukaan lengkung.

f2 =

e. Pembiasan Cahaya Pada Lensa Tipis

Lensa adalah benda bening yang dibatasi oleh dua permukaan dan minimal salah satu permukaannya itu merupakan bidang lengkung. Lensa tidak harus terbuat dari kaca yang penting ia merupakan benda bening (tembus cahaya) sehingga memungkinkan terjadinya pembiasan cahaya. Oleh karena lensa tipis merupakan bidang lengkung. Ada dua macam kelompok lensa :

a. Lensa Cembung (lensa

positif/lensa konvergen)

Yaitu lensa yang mengumpulkan sinar.

Lensa cembung dibagi lagi menjadi tiga:

(13)

Gambar 28.Macam-macam lensa cembung

b. Lensa Cekung (lensa

negatif/lensa devergen)

Yaitu lensa yang menyebarkan sinar .

Lensa cekung dibagi lagi menjadi tiga:

Gambar 10. Macam-macam lensa cekung

Untuk memudahkan pembuatan diagram lensa digambar dengan garis lurus dan tanda di atasnya, untuk lensa cembung di tulis (+) dan lensa cekung (–). Untuk lensa

memiliki dua titik fokus.

1. lensa cembung dua (bikonveks) 2. lensa cembung datar (plan konveks) 3. lensa cembung cekung (konkaf konveks)

1. lensa cekung dua (bikonkaf) 2. lensa cekung datar (plan konkaf) 3. lensa cekung cekung (koveks konkaf)

(14)

1. Berkas Sinar Istimewa pada Lensa Tipis

Seperti pada cermin lengkung, pada lensa dikenal pula berkas-berkas sinar istimewa.

a. Berkas sinar-sinar istimewa pada lensa cembung. Ada tiga macam sinar istimewa pada lensa cembung.

(1).Sinar datang sejajar sumbu utama lensa, dibiaskan melalui titik fokus. (2).Sinar datang melalui titik fokus lensa, dibiaskan sejajar sumbu utama. (3).Sinar datang melalui titik pusat lensa tidak dibiaskan melainkan diteruskan.

b. Berkas sinar-sinar istimewa pada lensa cekung. Ada tiga macam sinar istimewa pada lensa cekung.

(15)

(1).Sinar datang sejajar sumbu utama dibiaskan seolah-olah berasal dari titik fokus.

(2).Sinar datang seolah-olah menuju titik fokus lensa dibiaskan sejajar sumbu utama.

(3).Sinar datang melalui titik pusat lensa tidak dibiaskan melainkan diteruskan.

2. Penomoran ruang pada Lensa Tipis

Untuk lensa nomor ruang untuk benda dan nomor-ruang untuk bayangan dibedakan. nomor ruang untuk benda menggunakan angka Romawi (I, II, III, dan IV), sedangkan untuk ruang bayangan menggunakan angka Arab (1, 2, 3 dan 4) seperti pada gambar berikut ini:

Untuk ruang benda berlaku :

ruang I antara titik pusat optic (O) dan F2,

ruang II antara F2 dan 2F2

ruang III di sebelah kiri 2F2,

ruang IV benda (untuk benda maya) ada di belakang lensa. Untuk ruang bayangan berlaku :

ruang 1 antara titik pusat optic (O) dan F1,

ruang 2 antara F1 dan 2F1

ruang 3 di sebelah kanan 2F1,

ruang 4 (untuk bayangan maya) ada di depan lensa. Berlaku pula : R benda + R bayangan = 5

3. Melukis pembentukan bayangan pada lensa

Untuk melukis pembentukan bayangan pada lensa tipis cukup menggunakan minimal dua berkas sinar istimewa untuk mendapatkan titik bayangan.

(16)

 Benda AB berada di ruang II lensa cembung

 Benda AB berada di ruang III lensa cembung

 Benda AB berada di ruang I lensa cembung

 Benda AB berada di ruang II lensa cekung

Sifat-sifat bayangan yang terbentuk:

Nyata, terbalik, diperbesar

Nyata, terbalik, diperkecil

(17)

4. Rumus-rumus Pada Lensa Tipis

Untuk lensa tipis yang permukaannya sferis (merupakan permukaan bola), hubungan antara jarak benda (s), jarak bayangan (s') dan jarak fokus (f) serta perbesaran

bayangan benda (M) diturunkan dengan bantuan geometri dapat dijelaskan berikut ini.

Dari persamaan lensa lengkung,

 sedemikian sehingga terbentuk bayangan di titik I1. Oleh permukaan ADC bayangan

I1 itu di anggap benda dan dibiaskan oleh permukaan ADC sedemikian sehingga

terbentuk bayangan akhir di titik I2

Pada permukaan lengkung ABC , sinar dari benda O dari medium n1 ke lensa n2,

sehingga s = OB, s’ = BI1

Maya, tegak, diperkecil

(18)

Karena dianggap lensa tipis maka ketebalan BD diabaikan, sehingga BI1 = DI1 dan

saling meniadakan karena berlawanan tanda . Apabila kedua persamaan dijumlahkan

diperoleh :



Semua ruas dibagi dengan n1 akan diperoleh persamaan lensa tipis sebagai berikut.



Dengan keterangan, s = jarak benda s' = jarak bayangan

n1 = indeks bias medium sekeliling lensa

n2 = indeks bias lensa

R1 = jari-jari kelengkungan permukaan pertama lensa

R2 = jari-jari kelengkungan permukaan kedua lensa

Persamaan lensa tipis tersebut berlaku hanya untuk sinar-sinar datang yang dekat dengan sumbu utama lensa (sinar-sinar paraksial) dengan ketebalan lensa jauh lebih kecil dibandingkan dengan jari-jari kelengkungannya.

Jarak fokus lensa (f) adalah jarak dari pusat optik ke titik fokus (F). Jadi bila s = ~ bayangan akan terbentuk di titik fokus (F), maka s’= f.

(19)

Bila persamaan 

disubstitusikan dengan persamaan



maka akan didapat persamaan baru yang dikenal sebagai

persamaan pembuat lensa, yaitu

1

Dengan keterangan,

n1 = indeks bias medium sekeliling lensa

n2 = indeks bias lensa

R1 = jari-jari kelengkungan permukaan pertama lensa

R2 = jari-jari kelengkungan permukaan kedua lensa

R = bertanda (+) jika permukaan lensa yang dijumpai berbentuk cembung R = bertanda (-) jika permukaan lensa yang dijumpai berbentuk cekung R =



jika permukaan lensa yang dijumpai berbentuk datar

s = jarak benda bertanda positif (+) jika benda terletak di depan lensa (benda nyata). s = jarak benda bertanda negatif (–) jika benda terletak di belakang lensa (benda maya).

s’ = jarak bayangan bertanda positif (+) jika bayangan terletak di belakang lensa (bayangan nyata).

s’ = karak bayangan bertanda negatif (–) jika benda terletak di depan lensa (bayangan maya).

f = jarak fokus bertanda positif (+) untuk permukaan lensa positif (lensa cembung). f = jarak fokus bertanda negatif (–) untuk permukaan lensa negatif (lensa cekung).

5. Perbesaran bayangan

Untuk menentukan perbesaran bayangan lensa tipis dapat menggunakan persamaan sebagai berikut.

h

(20)

h = tinggi benda h' = tinggi bayangan

M > 1 = bayangan diperbesar M < 1 = bayangan diperkecil s1_{(+) = bayangan nyata}

s1₍

) = bayangan maya

6. Daya / Kekuatan Lensa

Daya Lensa adalah kekuatan lensa dalam memfokuskan lensa. Daya lensa berkaitan dengan sifat konvergen (mengumpulkan berkas sinar) dan divergen (menyebarkan sinar) suatu lensa. Untuk Lensa positif, semakin kecil jarak fokus, semakin kuat kemampuan lensa itu untuk mengumpulkan berkas sinar. Untuk lensa negatif, semakin kecil jarak fokus semakin kuat kemampuan lensa itu untuk menyebarkan berkas sinar. Oleh karena itu kuat lensa didefinisikan sebagai kebalikan

dari jarak fokus,

Rumus kekuatan lensa (power lens)

P =_f1 dengan satuan _meter1 = Dioptri

Untuk menambah kekuatan lensa kita dapat gunakan lensa gabungan dengan sumbu utama dan bidang batas kedua lensa saling berhimpit satu sama lain. Dari penggabungan lensa ini maka akan didapatkan fokus gabungan atau daya lensa gabungan.

(21)

Suatu lensa gabungan merupakan gabungan dari dua atau lebih lensa dengan sumbu utamanya berhimpit dan disusun berdekatan satu sama lain sehingga tidak ada jarak antara lensa yang satu dengan lensa yang lain (d = 0).

Persamaan lensa gabungan dirumuskan sebagai berikut.

.

Dan daya lensa sebagai berikut.

.... P P P

Pgab  1  2  3 

Berlaku ketentuan untuk lensa positif (lensa cembung), jarak fokus (f) bertanda plus, sedangkan untuk lensa negatif (lensa cekung), jarak fokus bertanda minus.

7. Pembiasan Dua Lensa yang Berhadapan

Apabila sebuah benda AB terletak di antara dua lensa yang berhadap-hadapan, akan mengalami dua kali proses pembiasan oleh lensa I dilanjutkan oleh lensa II.

Lensa I : 1

jarak kedua lensa :

2 1 1 s

s d  

(22)

(23)

BAB III PENUTUP

A.KESIMPULAN

Pembiasan cahaya atau Refraksi adalah peristiwa penyimpangan atau pembelokan cahaya karena melalui dua medium yang berbeda kerapatan optiknya. Beberapa contoh gejala pembiasan yang sering di jumpai dalam kehidupan sehari-hari diantaranya:

 Dasar kolam kelihatan lebih dangkal bila di lihat dari atas

 Kaca mata minus (negatif) atau kaca mata plus (positif) dapat membuat jelas pandangan bagi penderita rabun jauh atau rabun dekat karena adanya pembiasan.

(24)

DAFTAR PUSTAKA

Barus ,PK. Imam, poernama. 1995. Fisika 2. Jakarta : Balai Pustaka

Kane, J.W., Sternheim, M.M. (1988) Physics (3rd ed.). New York: John Wiley & Sons.

Salwiyono ,dkk. 2007. Fisika SMA/MA. Sagufindo Kinarya

Sears, F.W. (1949) Optics (3rd ed.). Reading-Massachusetts : Addison-Wesley Supramono, Edi, dkk. Fisika Dasar 2.2005. Malang : UM Press

Young, H.D., Freedman, R.A. (1996) University Physics (ninth ed). Massachusetts : Addison-Wesley.

http://www.e-dukasi.net/mapok/mp_full.php?id=185&fname=materi04c.html

DAFTAR PUSTAKA

Foster, Bob. 2004. Terpadu Fisika SMA untuk Kelas X Semester 2.Jakarta: Erlangga

www.en.wikipedia.org

(25)