jangan tertipu! pembiasan cahaya membuat dasar kolam terlihat dangkal

Gambar 1. Danau yang airnya sangat jernih, hingga terlihat dasarnya

Sesekali pergilah ke sungai atau kolam yang airnya jernih, maka dasarnya akan terlihat lebih dangkal. Akan tetapi jika kita memasukinya maka terasa lebih dalam dari yang kita duga sebelumnya. Tahukah kalian mengapa hal ini dapat terjadi? Mari ikuti pembahasan di bawah ini untuk memahami fenomena ini.

cahaya merupakan salah satu materi yang diujikan dalam ujian nasional seperti soal ujian nasional (UN) fisika tahun 2018 dan soal ujian nasional (UN) fisika tahun 2019 Salah satu ciri cahaya adalah cahaya dapat dibiaskan yakni ketika melewati dua medium yang berbeda. Hal ini dijelaskan lebih detail pada hukum Snellius tentang pembiasan cahaya yakni :

1. sinar datang, sinar bias, dan garis normal terletak pada satu bidang datar

2. perbandingan proyeksi antara sinar datang dan sinar bias yang sama panjangnya pada bidang batas antara dua zat bening selalu merupakan bilangan tetap, perbandingan tetap ini disebut indeks bias relatif suatu medium terhadap medium lainnya.

­­gambar 2. Proyeksi sinar datang dan sinar bias

Ket :

i : sudut datang (∠AON) “sudut antara sinar datang dan garis normal”

r : sudut bias (∠BON) “sudut antara sinar bias dan garis normal”

Secara matematis dapat ditulis

indeks “1” medium sinar datang

indeks “2” medium sinar bias.

Berdasarkan perbedaan indeks bias ini, ada beberapa fenomena yang dapat kita ketahui bahwa

a. sinar datang dari medium lebih rapat ke medium kurang rapat akan dibiaskan menjauhi garis normal

b. sinar datang dari medium kurang rapat ke medium lebih rapat akan dibiaskan mendekati garis normal

c. sinar datang tegak lurus bidang batas dengan garis normal akan diteruskan tanpa dibiaskan

Gambar 3. Pembiasan cahaya

Cahaya yang dibiaskan akan mengalami perubahan cepat rambat dan panjang gelombang cahaya tersebut akan tetapi frekuensinya tetap. Semakin rapat suatu medium (indeks bias semakin besar) maka cepat rambat gelombangnya akan semakin kecil (cahaya bergerak semakin lambat).

Pada saat kita melihat dasar danau atau benda-benda di dalamnya, terjadi pembiasan cahaya dari air ke udara sampai akhirnya masuk ke mata kita. Perbedaan indeks bias ini mengakibatkan perubahan cepat rambat cahayanya dari yang semula lambat (di air) menjadi lebih cepat (di udara) sehingga sinar bias akan menjauhi garis normal. Selain itu akibat dari pembiasan ini adalah dasar danau dan benda-benda di dalamnya akan terlihat lebih lebih dekat ke mata kita. Hal ini disebut dengan “kedalaman semu” yakni kedalaman yang terlihat karena adanya proses pembiasan cahaya. Seperti yang terlihat pada gambar berikut.

Gambar 4. Kedalaman semu dan nyata

Untuk menentukan besarnya kedalaman semu, dapat kita analisis sebagai berikut:

Gambar 5. Analisis kedalaman semu dan nyata

Berdasarkan gambar di atas, maka kita dapat menentukan kedalaman semu dengan menurunkan persamaan berikut:

Karena cahaya merambat dari air ke udara, maka persamaan di atas dapat ditulis

Keterangan :

h' : kedalaman semu (m)

h : kedalaman nyata (m)

n_u = n₂ : indeks bias medium pengamat (medium sinar bias)

n_a = n₁ : indeks bias medium benda (medium sinar datang)

persamaan (2) berlaku secara umum jika pengamat mengamati benda di dalam air dengan sudut tertentu. Jika pengamat melihat benda secara tegak lurus (θ = 0⁰) maka sinar datang berhimpit dengan garis normal dan diteruskan menjadi sinar bias (perhatikan gambar 3C), maka persamaan (2) menjadi

Perhatikan kembali persamaan (2) dan (3) indeks bias udara (n_u) < indeks bias air (n_a), maka secara matematis kedalaman semu (h’) < kedalaman nyata (h). Tinjauan fisis dari hal ini menunjukkan bahwa kolam atau benda yang di dalam kolam terlihat lebih dekat ke pengamat yang berada di atasnya.

baca juga : 

materi Fisika SMP
materi Fisika SMA
soal UN Fisika SMP dan pembahasannya
soal UN Fisika SMA dan pembahasannya

Contoh soal 1

Seorang anak berdiri di tepi kolam sambil memandang ke dalam kolam. Seekor ikan tampak berenang tepat di bawahnya. Menurut pengamatan anak tersebut ikan tersebut berada pada kedalaman 70 cm. jika indeks bias air 1,33 dan indeks bias udara 1 sedangkan tinggi anak tersebut adalah 150 cm. tentukan kedalaman ikan sebenarnya menurut anak dan ketinggian anak menurut ikan!

Pembahasan :

Diketahui:

n_u : 1

n_a : 1,33

karena ikan tepat terletak di bawah anak tersebut maka kita dapat menggunakan persamaan (3)

Untuk kasus pertama (kedalaman ikan), cahaya datang dari air (medium 1) ke udara (medium 2) sehingga

jadi kedalaman ikan yang sesungguhnya adalah 93,1 m

Untuk kasus kedua (tinggi semu anak), cahaya datang dari udara (medium 1) ke air (medium 2) sehingga

jadi tinggi anak menurut ikan adalah 199,5 cm

Contoh soal 2

Seekor ikan berada pada kedalaman 5 m di dalam sebuah kolam dan Toni melihat ikat tersebut dari tepi kolam seperti gambar berikut

Jika diketahui indeks bias air adalah 4/3 dan indeks bias udara adalah 1, pada kedalaman berapakah ikan tersebut terlihat oleh toni jika

a. ikan dilihat pengamat secara tegak lurus

b. ikan dilihat pengamat dengan sudut antara mata dan garis normal sebesar 30⁰

Pembahasan :

Diketahui :

h = 5 m

n_a = 4/3

n_u = 1

ditanya:

a. h’ ketika θ = 0⁰

karena tegak lurus, maka

b. h’ ketika r = 30⁰ (sudut antara mata dengan garis normal dalam hal ini adalah sudut bias)

kita tentukan sudut datang (i) terlebih dahulu dengan menerapkan pers (1)

Dengan menerapkan persamaan (2) maka dapat kita tentukan kedalaman ikan yang terlihat adalah