Pembiasan & Pemantulan Sempurna — Fisika Kelas 11–12

Setelah ini kamu bisa menghitung sudut bias cahaya dengan hukum Snellius $n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2$ dan menentukan sudut kritis pemantulan menyeluruh.

Sedotan dalam gelas air tampak patah. Kolam dangkal terlihat lebih dalam dari ukuran aslinya. Kaca pembesar membengkokkan cahaya sehingga bayangan membesar. Semua itu akibat satu peristiwa: cahaya membelok saat menembus batas dua medium yang cepat rambatnya berbeda. Putar laser di bawah dan saksikan sinar bias membeku mendekati garis normal, lalu menghilang menjadi pantulan penuh saat sudut kritis terlewati.

Geser slider sudut datang dan amati sinar bias yang membelok; ubah indeks bias kedua medium untuk merasakan bedanya.

Mengapa cahaya membengkok di batas medium

Cahaya merambat dengan kelajuan berbeda di tiap medium — paling cepat di vakum, lebih lambat di air, dan lebih lambat lagi di kaca atau intan. Besaran yang merangkum perlambatan ini adalah indeks bias $n$ , yaitu perbandingan kelajuan cahaya di vakum terhadap kelajuan cahaya di medium tersebut. Makin padat medium, makin besar $n$ , dan makin lambat cahaya melaju di dalamnya.

Indeks bias $n$ suatu medium adalah $n = c/v$ , dengan $c$ kelajuan cahaya di vakum dan $v$ kelajuan cahaya di medium itu. Vakum $n = 1$ ; udara $\approx 1{,}0003$ (dibulatkan 1); air $1{,}33$ ; kaca $1{,}50$ ; intan $2{,}42$ .

Saat seberkas cahaya miring menembus batas dua medium, satu sisi muka gelombang lebih dulu memasuki medium baru dan berubah kelajuannya, sementara sisi lainnya belum. Akibatnya arah rambat berbelok — mirip garis tentara yang melangkah dari jalan beraspal ke lumpur: barisan di sisi yang lebih dulu masuk lumpur melambat lebih dulu, sehingga seluruh barisan membelok.

Bayangkan roda sepeda yang meluncur miring dari trotoar aspal ke rumput. Roda yang lebih dulu menyentuh rumput melambat lebih dulu; roda yang masih di aspal terus cepat. Selisih kelajuan itu memutar arah gerak roda — itulah pembelokan cahaya dalam skala gelombang.

Hukum Snellius: n1 sin teta1 = n2 sin teta2

Hubungan kuantitatif antara sudut datang dan sudut bias dirumuskan oleh Willebrord Snellius pada abad ke-17. Semua sudut diukur dari garis normal (garis tegak lurus permukaan batas), bukan dari permukaannya.

$n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2$

Arti tiap simbol: $n_1$ = indeks bias medium datang, $n_2$ = indeks bias medium bias, $\theta_1$ = sudut datang terhadap garis normal, $\theta_2$ = sudut bias terhadap garis normal. Bila $n_2 > n_1$ (masuk medium lebih padat), maka $\theta_2 < \theta_1$ (dibelokkan mendekati normal).

Dari rumus itu terbaca dua aturan praktis. Pertama, bila cahaya masuk dari medium kurang padat ke lebih padat ( $n_2 > n_1$ ), sinar bias mendekati garis normal — $\theta_2$ lebih kecil dari $\theta_1$ . Kedua, kebalikannya: keluar dari medium padat ke kurang padat, sinar menjauhi normal. Dan kalau sinar datang tegak lurus ( $\theta_1 = 0$ ), tidak ada pembelokan sama sekali — $\theta_2 = 0$ juga.

Jelajahi kurva di bawah: untuk pasangan medium tertentu, sudut bias $\theta_2$ dihitung dari Snellius untuk tiap sudut datang $\theta_1$ . Saat $\theta_1$ mendekati 90°, $\theta_2$ mendekati sudut kritis pasangan itu. Geser slider indeks medium kedua dan lihat kurva melengkung mengikuti.

Masuk medium padat vs keluar ke renggang

Arah pembelokan bergantung pada medium mana yang lebih padat. Untuk memperjelas perbedaan tajam ini, bandingkan dua kasus berikut secara berdampingan.

Arah cahaya	Indeks	Sudut bias
Udara $\to$ kaca	$n$ membesar	Mendekati normal ( $\theta_2 < \theta_1$ )
Kaca $\to$ udara	$n$ mengecil	Menjauhi normal ( $\theta_2 > \theta_1$ )
Tegak lurus ( $\theta_1 = 0$ )	Apa pun	Tidak membengkok ( $\theta_2 = 0$ )

Pada widget di bawah, dua preset memperagakan arah berlawanan. Preset “udara ke kaca” memperlihatkan sinar bias yang lebih curam (mendekati normal). Balik menjadi “kaca ke udara”, dan sinar bias justru lebih landai (menjauhi normal) — itulah arah yang nantinya memicu pemantulan menyeluruh.

Sudut kritis dan pemantulan menyeluruh

Hal menarik terjadi ketika cahaya keluar dari medium padat menuju medium kurang padat. Karena sinar menjauhi normal, ada satu sudut datang yang membuat sudut biasnya tepat 90° — sinar bias merayap sejajar permukaan. Itulah sudut kritis. Lewat sudut itu, sinar tidak bisa keluar sama sekali dan dipantulkan seluruhnya kembali — peristiwa ini disebut pemantulan menyeluruh (total internal reflection, TIR).

$\sin\theta_c = \frac{n_2}{n_1}, \quad n_1 > n_2$

Arti tiap simbol: $\theta_c$ = sudut kritis (terhadap garis normal), $n_1$ = indeks bias medium yang lebih padat (tempat cahaya berada), $n_2$ = indeks bias medium yang kurang padat (tempat tujuan). Syaratnya: cahaya harus keluar dari medium lebih padat. Sudut kritis baru ada ketika $n_1 > n_2$ .

Pemantulan menyeluruh seperti pintu satu arah untuk cahaya: dari dalam air ke udara, kalau kamu “menengok” terlalu miring, sinarmu tidak bisa keluar — ia terpental kembali. Itulah sebabnya ikan akuarium kadang tidak bisa melihatmu saat kamu berdiri terlalu jauh dari tepi atas.

Putar laser dari dalam kaca ke udara di bawah. Pada sudut kecil, sinar bias keluar. Saat sudut melewati sekitar 41,8° (sudut kritis kaca–udara), sinar bias lenyap dan segenap cahaya memantul penuh kembali ke dalam kaca — itulah TIR.

Aplikasi: serat optik

Pemantulan menyeluruh bukan sekadar keanehan — ia adalah dasar teknologi serat optik yang mengangkut data internet lintas lautan. Serat optik adalah untaian kaca atau plastik sangat tipis; cahaya yang dimasukkan di satu ujung memantul-mantul di dinding dalam serat, tidak pernah keluar karena setiap pembesaran selalu melewati sudut kritis. Sinyal bisa merambat puluhan kilometer tanpa kehilangan banyak energi.

Pembiasan dan pemantulan menyeluruh termasuk cakupan TKA Fisika, elemen gelombang-cahaya (kerangka TKA 045/H/AN/2025). Tiga tipe soal lazim: (1) hitung $\theta_2$ dari $n_1, n_2, \theta_1$ lewat Snellius; (2) hitung sudut kritis $\theta_c = \arcsin(n_2/n_1)$ ; (3) menentukan apakah terjadi TIR. Jebakan terbesar: mengukur sudut dari permukaan, padahal Snellius wajib dari garis normal.

Prinsip serat optik dapat dijajaki di bawah: dengan medium 1 lebih padat (kaca) dan medium 2 udara, sinar datang sangat landai memicu TIR yang menyekat seluruh cahaya — itulah jantung transmisi data dalam serat.

Coba dulu di kertas, baru buka.

Soal. Seberkas cahaya dari udara ( $n_1 = 1{,}00$ ) mengenai permukaan air ( $n_2 = 1{,}33$ ) dengan sudut datang $45°$ terhadap garis normal. (a) Berapa sudut biasnya? (b) Berapa sudut kritis jika cahaya sebaliknya keluar dari air ke udara?

$n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2$ . Yang diketahui: $n_1 = 1{,}00$ , $n_2 = 1{,}33$ , $\theta_1 = 45°$ . Karena $n_2 > n_1$ , dugaan awal: $\theta_2 < 45°$ (mendekati normal).

$1{,}00 \cdot \sin 45° = 1{,}33 \cdot \sin\theta_2$ . Karena $\sin 45° \approx 0{,}707$ , maka $\sin\theta_2 = 0{,}707/1{,}33 \approx 0{,}532$ . Maka $\theta_2 = \arcsin(0{,}532) \approx 32{,}1°$ . Cocok dengan dugaan: lebih kecil dari 45°, sinar mendekati normal.

Untuk air ke udara: $n_1 = 1{,}33$ (air, lebih padat) dan $n_2 = 1{,}00$ (udara, kurang padat). $\sin\theta_c = n_2/n_1 = 1/1{,}33 \approx 0{,}752$ , sehingga $\theta_c \approx 48{,}8°$ . Jadi cahaya dari air yang datang lebih landai dari $48{,}8°$ terhadap normal akan dipantulkan menyeluruh — tidak bisa keluar ke udara.

Jebakan: mengukur sudut dari permukaan batas, bukan dari garis normal. Yang benar: dalam hukum Snellius dan rumus sudut kritis, semua sudut diukur dari garis normal (tegak lurus permukaan). Bila soal menyebut “sudut terhadap permukaan”, konversi dulu: sudut terhadap normal = 90° − sudut terhadap permukaan.

Jebakan: membalik pembilang dan penyebut pada rumus sudut kritis. Yang benar: $\sin\theta_c = n_2/n_1$ dengan $n_1$ medium lebih padat (tempat cahaya berada) dan $n_2$ medium kurang padat (tujuan). Kalau rasio yang kamu hitung lebih dari 1, tandanya pembagimu terbalik — dan sudut kritisnya tidak ada.

Jebakan: mengira pemantulan menyeluruh bisa terjadi dari medium kurang padat ke lebih padat. Yang benar: TIR hanya mungkin ketika cahaya keluar dari medium lebih padat ( $n_1 > n_2$ ). Dari udara ke kaca, berapa pun sudut datangnya, selalu ada sinar bias — tidak pernah terjadi TIR.

Hukum Snellius: $n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2$ ; semua sudut dari garis normal.
Masuk medium lebih padat ( $n_2 > n_1$ ) → sinar mendekati normal; keluar → menjauhi.
Sudut kritis: $\sin\theta_c = n_2/n_1$ , hanya ada jika $n_1 > n_2$ .
Pemantulan menyeluruh (TIR) terjadi saat $\theta_1 > \theta_c$ — sinar tidak keluar.
Serat optik bekerja berkat TIR di batas inti (padat) dengan cladding (renggang).
Indeks bias $n = c/v$ ; makin padat medium, makin besar $n$ , makin lambat cahaya.