Fisika ringan

Refleksi dan refraksi

Sinar cahaya mengubah arah ketika mereka memantulkan permukaan, bergerak dari satu media transparan ke media lain, atau bergerak melalui media yang komposisinya terus berubah. Hukum refleksi menyatakan bahwa, pada pantulan dari permukaan yang halus, sudut sinar pantul sama dengan sudut sinar datang. (Dengan konvensi, semua sudut dalam optik geometris diukur sehubungan dengan normal ke permukaan — yaitu, ke garis tegak lurus ke permukaan.) Sinar yang dipantulkan selalu dalam bidang yang ditentukan oleh sinar datang dan normal ke permukaan. Hukum refleksi dapat digunakan untuk memahami gambar yang dihasilkan oleh pesawat dan cermin melengkung. Tidak seperti cermin, sebagian besar permukaan alami kasar pada skala panjang gelombang cahaya, dan, sebagai konsekuensinya, sinar cahaya paralel sejajar dipantulkan ke berbagai arah, atau secara difus. Refleksi difus bertanggung jawab atas kemampuan untuk melihat permukaan yang paling terang dari posisi apa pun — sinar mencapai mata setelah memantulkan setiap bagian permukaan.

• 

• 

• 

Ketika cahaya yang bepergian dalam satu media transparan bertemu batas dengan media transparan kedua (misalnya, udara dan kaca), sebagian dari cahaya dipantulkan dan sebagian ditransmisikan ke dalam media kedua. Saat cahaya yang ditransmisikan bergerak ke media kedua, ia mengubah arah perjalanannya; yaitu dibiaskan. Hukum refraksi, juga dikenal sebagai hukum Snell, menggambarkan hubungan antara sudut datang (θ ₁) dan sudut refraksi (θ ₂), diukur sehubungan dengan normal ("garis tegak lurus") ke permukaan, di istilah matematika: n ₁ sin θ ₁ = n ₂ sin θ ₂, di mana n ₁ dan n ₂ adalah indeks bias masing-masing dari media pertama dan kedua. Indeks bias untuk media apa pun adalah konstanta tak berdimensi yang sama dengan rasio kecepatan cahaya dalam ruang hampa dengan kecepatannya dalam medium itu.

Menurut definisi, indeks refraksi untuk ruang hampa sama dengan 1. Karena kecepatan cahaya dalam media transparan selalu kurang dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa, indeks refraksi semua media lebih besar dari satu, dengan indeks untuk bahan transparan khas antara satu dan dua. Sebagai contoh, indeks bias udara pada kondisi standar adalah 1.0003, air adalah 1,33, dan gelas adalah sekitar 1,5.

Ciri-ciri dasar pembiasan mudah diperoleh dari hukum Snell. Jumlah pembengkokan sinar cahaya saat melintasi batas antara dua media ditentukan oleh perbedaan dalam dua indeks bias. Ketika cahaya masuk ke media yang lebih padat, sinar ditekuk ke arah normal. Sebaliknya, cahaya yang muncul secara miring dari media yang lebih padat dibengkokkan dari normal. Dalam kasus khusus di mana sinar datang tegak lurus terhadap batas (yaitu, sama dengan normal), tidak ada perubahan arah cahaya saat memasuki media kedua.

Hukum Snell mengatur sifat pencitraan lensa. Sinar cahaya yang melewati lensa ditekuk di kedua permukaan lensa. Dengan desain lengkungan permukaan yang tepat, berbagai efek pemfokusan dapat direalisasikan. Sebagai contoh, sinar yang semula menyimpang dari sumber titik cahaya dapat dialihkan oleh lensa untuk bertemu pada suatu titik di ruang angkasa, membentuk gambar yang terfokus. Optik mata manusia berpusat di sekitar sifat fokus kornea dan lensa kristal. Sinar cahaya dari objek yang jauh melewati kedua komponen ini dan difokuskan pada gambar yang tajam pada retina yang peka terhadap cahaya. Sistem pencitraan optik lainnya berkisar dari aplikasi lensa tunggal sederhana, seperti kaca pembesar, kacamata, dan lensa kontak, hingga konfigurasi kompleks dari banyak lensa. Sudah lazim bagi kamera modern untuk memiliki setengah lusin atau lebih elemen lensa yang terpisah, dipilih untuk menghasilkan perbesaran spesifik, meminimalkan kehilangan cahaya melalui refleksi yang tidak diinginkan, dan meminimalkan distorsi gambar yang disebabkan oleh penyimpangan lensa.