Pembiasan merupakan peristiwa pembelokan arah rambat cahaya karena melalui dua medium yang berbeda kerapatan optiknya di mana medium tersebut haruslah benda bening. Air jernih termasuk benda bening, sehingga pada air juga dapat terjadi peristiwa pembiasan. Contoh nyatanya adalah pembiasan cahaya yang terjadi di dasar kolam yang airnya jernih seperti yang diperlihatkan pada gambar di bawah ini.
Ketika kita melihat dasar kolam, cahaya dari dasar kolam menuju mata kita. Akan tetapi, berkas cahaya tersebut tidak langsung menuju mata kita. Ketika melewati permukaan air, cahaya akan dibelokkan menjauhi garis normal (ingat, nair > nudara atau kerapatan air lebih besar dari kerapatan udara). Akibatnya, cahaya dari dalam air dibiaskan menjauhi garis normal.
Jadi, cahaya yang ditangkap mata adalah cahaya atau sinar bias. Perpanjangan sinar bias ini akan membentuk bayangan dasar kolam, yang lebih dangkal dari kedalaman sebenarnya. Jalannya sinar dari dalam air ke mata pengamat dapat kalian lihat pada gambar berikut ini.
Sekarang yang menjadi pertanyaannya adalah, Berapakah kedalaman kolam yang tampak oleh mata kita sebagai pengamat? Berdasarkan diagram jalannya sinar pada gambar di atas, kita dapat menurunkan rumus atau persamaan berikut.
sin θi/ cos θi | = | h’ |
sin θr/ cos θr | h |
sin θi | × | cos θr | = | h’ |
sin θr | cos θi | h |
n2 | × | cos θr | = | h’ |
n1 | cos θi | h |
h' | = | n2 | × | cos θr |
h | n1 | cos θi |
Karena medium 1 adalah air dan medium 2 adalah udara, maka persamaan di atas dapat ditulis dalam bentuk berikut.
h' | = | nu | × | cos θr | …………… Pers. (1) |
h | na | cos θi |
Keterangan:
h = kedalaman sesungguhnya
h’ = kedalaman yang tampak
nu = n2 = indeks bias medium tempat pengamat berada
na = n1 = indeks bias tempat benda berada
Persamaan (1) di atas berlaku secara umum ketika pengamat melihat kolam dari sudut tertentu. Jika pengamat melihat kolam tegak lurus permukaan kolam (berarti θi = θr = 0), maka persamaan (1) menjadi seperti berikut.
h' | = | nu | × | h | …………… Pers. (2) |
na |
Kalian telah mengetahui bahwa na > nu, sehingga h’ < h. ini berarti kolam tampak dangkal dari kedalaman sesungguhnya. Agar kalian lebih paham mengenai konsep pembiasan cahaya oleh air, perhatikan contoh soal dan pembahasannya berikut ini.
Lisa berdiri di tepi kolam sambil memandang seekor ikan di dalam kolam tepat di bawahnya. Menurut Lisa, ikan itu berada pada kedalaman 50 cm. Jika indeks bias air 1,33, indeks bias udara 1 dan tinggi Lisa 160 cm, maka tentukanlah kedalaman ikan sebenarnya dan tinggi Lisa menurut ikan!
Penyelesaian:
Diketahui:
h' = 50 cm
na = 1,3
nu = 1
hL = 160
Ditanyakan: h dan h’L
Jawab:
■ Ketika Lisa melihat ikan, sinar datang dari air, sehingga persamaan yang digunakan adalah:
Jadi, sebenarnya ikan tersebut berada pada kedalaman 66,5 cm.
■ Ketika ikan melihat Lisa, sinar datang dari udara, sehingga persamaan yang digunakan adalah:
Jadi, tinggi Lisa menurut ikan adalah 212,8 cm.
Contoh Soal 2:
Seekor ikan berada di dasar kolam yang kedalamannya 4 m (nair = 4/3) seperti yang nampak pada gambar di atas. Pada kedalaman berapakah letak ikan tersebut terlihat oleh mata pengamat dari permukaan air jika:
■ Ikan dilihat pengamat secara tegak lurus
■ Sudut antara mata dan garis normal sebesar 30°
Penyelesaian:
Diketahui:
h = 4 m
nair = 4/3
nud = 1
Ditanyakan: d’ ketika i = 90° dan i = 30°
Jawab:
■ Perhatikan gambar. Jika pengamat melihat ikan secara tegak lurus, akan memenuhi persamaan berikut.
tan r = sin r dan tan i = sin i.
Sinar datang dari ikan sehingga:
tan i | = | sin i | = | d' |
tan r | sin r | d |
Maka kedalaman ikan diperoleh, yaitu:
Jadi, kedalaman semu ikan yang terlihat pengamat secara tegak lurus adalah 3 m.
■ Kedalaman ikan untuk sudut antara mata pengamat dan garis normal r = 30° adalah
sin i = 3/8
sin i = 0,375
i = arc sin 0,375 = 22,02°
sehingga:
tan 22,02° | = | d' |
tan 30° | 4 |
Jadi, kedalaman semu ikan untuk sudut r = 30° menjadi 2,7 m.