Benda-benda di sekitar dapat kita lihat karena benda tersebut memantulkan cahaya. Cahaya adalah energi berbentuk gelombang elekromagnetik yang kasat mata dengan panjang gelombang sekitar 380–750 nm. Pada bidang fisika, cahaya adalah radiasi elektromagnetik, baik dengan panjang gelombang kasat mata maupun yang tidak. Selain itu, cahaya adalah paket partikel yang disebut foton.
Bila cahaya terhalang sesuatu benda maka akan timbullah bayangan dari benda penghalang itu. Diantara kita mungkin masih ada yang bertanya-tanya tentang cahaya, karena kita tidak mengetahui seperti apa wujudnya dan tidak dapat memegang cahaya. Cahaya tidak mempunyai wujud, namun cahaya ada di sekitar kita dan dapat dirasakan keberadaannya. Untuk mengenali cahaya, kita perlu mengetahui dan memahami sifat-sifat cahaya dan penggunaannya pada alat-alat optik.
1. Sifat-Sifat Cahaya
a. Cahaya Merambat Lurus
Sifat cahaya yang pertama adalah merambat lurus ke semua arah. Misalnya, jika sebuah lilin atau lampu yang menyala di tempat gelap, maka dengan jelas kita akan melihat bahwa daerah yang ada di sekitar lilin atau lampu tersebut akan terang. Perhatikan gambar berikut;
Selain contoh diatas, saat berjalan di kegelapan, kita memerlukan senter. Cahaya dari lampu senter arah rambatannya menurut garis lurus. Atau ketika kita melihat cahaya matahari yang menerobos masuk melalui genting. Kedua hal tersebut membuktikan bahwa cahaya merambat lurus.
b. Cahaya dapat Dibiaskan
Cahaya akan dibiaskan ketika melalui medium dengan kerapatan yang berbeda. Kecepatan cahaya akan menurun saat memasuki air atau medium yang lebih rapat. Semakin besar perubahan kecepatan cahaya saat melalui dua medium yang berbeda, akan semakin besar pula efek pembiasan yang terjadi. Namun, pembiasan tidak akan terjadi saat benda dicelupkan dalam posisi tegak lurus.
c. Cahaya dapat Dipantulkan
Cahaya memiliki sifat dapat dipantulkan jika menumbuk suatu permukaan bidang. Pemantulan (refleksi) atau pencerminan adalah proses terpancarnya kembali cahaya dari permukaan benda yang terkena cahaya. Pemantulan yang terjadi dapat berupa pemantulan baur dan pemantulan teratur. Pemantulan baur terjadi jika cahaya dipantulkan oleh bidang yang tidak rata, seperti aspal, tembok, batang kayu, dan lainnya. Pemantulan teratur terjadi jika cahaya dipantulkan oleh bidang yang rata, seperti cermin datar atau permukaan air danau yang tenang.
Pada pemantulan baur dan pemantulan teratur, sudut pantulan cahaya besarnya selalu sama dengan sudut datang cahaya. Hal tersebut yang menjadi dasar hukum pemantulan cahaya yang dikemukakan oleh Snellius. Hukum pemantulan cahaya sebagaimana dikemukakan oleh Snellius adalah sebagai berikut:
b. Cahaya dapat Dibiaskan
Cahaya akan dibiaskan ketika melalui medium dengan kerapatan yang berbeda. Kecepatan cahaya akan menurun saat memasuki air atau medium yang lebih rapat. Semakin besar perubahan kecepatan cahaya saat melalui dua medium yang berbeda, akan semakin besar pula efek pembiasan yang terjadi. Namun, pembiasan tidak akan terjadi saat benda dicelupkan dalam posisi tegak lurus.
Cahaya memiliki sifat dapat dipantulkan jika menumbuk suatu permukaan bidang. Pemantulan (refleksi) atau pencerminan adalah proses terpancarnya kembali cahaya dari permukaan benda yang terkena cahaya. Pemantulan yang terjadi dapat berupa pemantulan baur dan pemantulan teratur. Pemantulan baur terjadi jika cahaya dipantulkan oleh bidang yang tidak rata, seperti aspal, tembok, batang kayu, dan lainnya. Pemantulan teratur terjadi jika cahaya dipantulkan oleh bidang yang rata, seperti cermin datar atau permukaan air danau yang tenang.
- sinar datang, sinar pantul dan garis normal terletak pada satu bidang datar
- sudut datang sama dengan sudut pantul.
Snellius menambahkan konsep garis normal yang merupakan garis khayal yang tegak lurus dengan bidang. Garis normal berguna untuk mempermudah kamu menggambarkan pembentukan bayangan oleh cahaya.
Hukum pemantulan jika dirumuskan adalah sebagai berikut;
∠i = ∠r
Dimana;
∠i = sudut datang
∠r = sudut pantul
Kemampuan kita untuk membedakan warna, tidak terlepas dari sifat cahaya itu sendiri. Cahaya yang mengenai benda sebagian akan dipantulkan ke mata dan sebagian lagi akan diserap benda sebagai energi. Misalnya cahaya yang mengenai benda terlihat berwarna merah. Hal ini berarti spektrum cahaya merah akan dipantulkan oleh benda, sedangkan spektrum warna lainnya akan diserap oleh benda tersebut.
d. Cahaya merupakan Gelombang Elektromagnetik
Cahaya dapat mentransfer energi dari satu tempat ke tempat lainnya tanpa menggunakan medium sehingga cahaya merupakan gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik terbentuk karena adanya perubahan medan magnet dan medan listrik secara periodik.
Salah satu fenomena yang dapat membuktikan bahwa cahaya itu mampu mentransfer energi adalah saat lilin yang dinyalakan di sebuah ruang yang gelap dan kemudian lilin tersebut dapat menerangi ruangan tersebut. Contoh lainnya adalah matahari yang memancarkan gelombang cahayanya melalui ruang angkasa (tanpa medium). Gelombang cahaya matahari memancar ke segala arah sampai ke bumi meskipun melalui ruang hampa udara. Hal ini berarti gelombang cahaya dapat merambat pada ruang kosong (hampa udara) tanpa adanya materi.
Berdasarkan frekuensinya, gelombang elektromagnetik ada bermacam-macam. Berikut klasifikasi gelombang elektromagnetik yang dikenal dengan spektrum elektromagnetik.
Sinar yang dapat dilihat oleh mata manusia adalah bagian yang sangat kecil dari spektrum elektromagnetik. Perhatikan gambar diatas. Cahaya tampak adalah cahaya yang memiliki panjang gelombang elektromagnetik yang dapat dideteksi oleh mata manusia. Panjang gelombang cahaya tampak berkisar antara 400 nm sampai 700 nm, yang besarnya seratus kali lebih kecil dari pada lebar rambut manusia. Warna cahaya yang dapat kita lihat tergantung pada panjang gelombang dari gelombang cahaya yang masuk ke mata.
e. Cahaya dapat diuraikan
Cahaya putih seperti cahaya matahari termasuk jenis cahaya polikromatik. Cahaya polikromatik adalah cahaya yang tersusun atas beberapa komponen warna. Cahaya putih tersusun atas spektrum-spektrum cahaya yang berwarna merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu. Spektrum warna yang tidak dapat diuraikan lagi disebut cahaya monokromatik. Cahaya putih dapat diuraikan. Saat melewati prisma, cahaya putih akan mengalami dispersi (penguraian). Contoh peristiwa dispersi cahaya yang terjadi secara alami adalah peristiwa terbentuknya pelangi. Pelangi terbentuk dari cahaya matahari yang diuraikan oleh titik-titik air hujan di langit. Cahaya matahari yang kita lihat berwarna putih. Namun, sebenarnya cahaya matahari tersusun atas banyak cahaya berwarna.
2. Pembentukan Bayangan pada Cermin
Jika seberkas cahaya mengenai cermin datar maka cahaya tersebut dipantulkan secara teratur. Peristiwa pemantulan cahaya pada cermin datar menyebabkan pembentukan bayangan benda oleh cermin.
a. Pembentukan Bayangan pada Cermin Datar
Pada saat menentukan bayangan pada cermin datar melalui diagram sinar, titik bayangan adalah titik potong berkas sinar-sinar pantul. Bayangan bersifat nyata apabila titik potongnya diperoleh dari perpotongan sinar-sinar pantul yang konvergen (mengumpul). Sebaliknya, bayangan bersifat maya apabila titik potongnya merupakan hasil perpanjangan sinar-sinar pantul yang divergen (menyebar).
Keterangan;
S = Jarak benda terhadap cermin
S1= Jarak bayangan terhadap cermin
Bayangan pada cermin datar bersifat maya. Titik bayangan dihasilkan dari perpotongan sinar-sinar pantul yang digambarkan oleh garis putus-putus.
Untuk melukis pembentukan bayangan pada cermin datar dengan diagram sinar, ikutilah langkah-langkah berikut ini.
Kaca yang dipasang pada spion adalah contoh dari cermin lengkung. Cermin lengkung adalah cermin yang permukaannya melengkung yang disebut juga lengkung sferis. Ada dua jenis cermin lengkung sederhana yaitu cermin silinder dan cermin bola. Tapi kali ini kita hanya akan mempelajari cermin bola, khususnya tentang cermin cekung dan cembung.
Cermin cekung dan cembung dianggap sebagai irisan permukaan yang berbentuk bola. Cermin cekung merupakan irisan permukaan bola yang bagian mengkilapnya terdapat di dalam sedangkan irisan permukaan bola yang bagian mengkilapnya terdapat di luar adalah cermin cembung.
Bagian M adalah titik pusat kelengkungan cermin, yaitu titik pusat bola. Titik tengah cermin adalah O. Sumbu utama yaitu, OM, garis yang menghubungkan titik M dan O. Sudut POM adalah sudut buka cermin jika titik P dan M adalah ujung-ujung cermin.
Dari gambar diatas maka kita dapat menentukan unsur-unsur cermin lengkung, yaitu sebagai berikut.
a. Pusat kelengkungan cermin
Pusat kelengkungan cermin merupakan titik di pusat bola yang diiris menjadi cermin. Pusat kelengkungan cermin biasanya disimbolkan dengan M.
b. Vertex
Vertex merupakan titik di permukaan cermin dimana sumbu utama bertemu dengan cermin dan disimbolkan dengan O.
c. Titik api (titik fokus)
Titik api adalah titik pertengahan antara vertex dan pusat kelengkungan cermin dan disimbolkan dengan F.
d. Jari-jari kelengkungan cermin
Jari-jari kelengkungan cermin adalah jarak dari vertex ke pusat kelengkungan cermin. Jari-jari kelengkungan cermin biasanya disimbolkan dengan R.
e. Jarak fokus
Jarak fokus cermin adalah jarak dari vertex ke titik api dan disimbolkan dengan f.
Hukum pemantulan kedua yang menyatakan besar sudut datang sama dengan sudut pantul, berlaku pula untuk cermin lengkung. Pada cermin lengkung, garis normal adalah garis yang menghubungkan titik pusat lengkung cermin M dan titik jatuhnya sinar.
Jadi, garis normal pada cermin lengkung berubah-ubah, bergantung pada titik jatuh sinar. Misalnya, jika sinar datang dari K mengenai cermin cekung di B, maka garis normalnya adalah garis MB dan sudut datangnya adalah sudut KBM = α. Sesuai hukum pemantulan, maka sudut pantulnya, yaitu sudut MBC = α dan sinar pantulnya adalah sinar BC.
Sinar datang dari K mengenai cermin cekung di D, maka garis normalnya adalah garis MD dan sudut datangnya adalah sudut KDM = β. Sesuai hukum pemantulan, maka sudut pantulnya, yaitu sudut MDC = β, sedangkan sinar pantulnya adalah sinar DC. Hal yang sama berlaku juga pada cermin cembung.
Sinar-sinar Istimewa pada Cermin Cekung
Untuk melukis bayangan pada cermin cekung diperlukan minimal dua buah sinar istimewa. Akan tetapi, hasil akan lebih baik dan meyakinkan jika dilukis dengan tiga sinar istimewa sekaligus dengan langkah-langkah sebagai berikut.
∠i = ∠r
Dimana;
∠i = sudut datang
∠r = sudut pantul
Kemampuan kita untuk membedakan warna, tidak terlepas dari sifat cahaya itu sendiri. Cahaya yang mengenai benda sebagian akan dipantulkan ke mata dan sebagian lagi akan diserap benda sebagai energi. Misalnya cahaya yang mengenai benda terlihat berwarna merah. Hal ini berarti spektrum cahaya merah akan dipantulkan oleh benda, sedangkan spektrum warna lainnya akan diserap oleh benda tersebut.
d. Cahaya merupakan Gelombang Elektromagnetik
Cahaya dapat mentransfer energi dari satu tempat ke tempat lainnya tanpa menggunakan medium sehingga cahaya merupakan gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik terbentuk karena adanya perubahan medan magnet dan medan listrik secara periodik.
Salah satu fenomena yang dapat membuktikan bahwa cahaya itu mampu mentransfer energi adalah saat lilin yang dinyalakan di sebuah ruang yang gelap dan kemudian lilin tersebut dapat menerangi ruangan tersebut. Contoh lainnya adalah matahari yang memancarkan gelombang cahayanya melalui ruang angkasa (tanpa medium). Gelombang cahaya matahari memancar ke segala arah sampai ke bumi meskipun melalui ruang hampa udara. Hal ini berarti gelombang cahaya dapat merambat pada ruang kosong (hampa udara) tanpa adanya materi.
Berdasarkan frekuensinya, gelombang elektromagnetik ada bermacam-macam. Berikut klasifikasi gelombang elektromagnetik yang dikenal dengan spektrum elektromagnetik.
e. Cahaya dapat diuraikan
Cahaya putih seperti cahaya matahari termasuk jenis cahaya polikromatik. Cahaya polikromatik adalah cahaya yang tersusun atas beberapa komponen warna. Cahaya putih tersusun atas spektrum-spektrum cahaya yang berwarna merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu. Spektrum warna yang tidak dapat diuraikan lagi disebut cahaya monokromatik. Cahaya putih dapat diuraikan. Saat melewati prisma, cahaya putih akan mengalami dispersi (penguraian). Contoh peristiwa dispersi cahaya yang terjadi secara alami adalah peristiwa terbentuknya pelangi. Pelangi terbentuk dari cahaya matahari yang diuraikan oleh titik-titik air hujan di langit. Cahaya matahari yang kita lihat berwarna putih. Namun, sebenarnya cahaya matahari tersusun atas banyak cahaya berwarna.
Jika seberkas cahaya mengenai cermin datar maka cahaya tersebut dipantulkan secara teratur. Peristiwa pemantulan cahaya pada cermin datar menyebabkan pembentukan bayangan benda oleh cermin.
a. Pembentukan Bayangan pada Cermin Datar
Pada saat menentukan bayangan pada cermin datar melalui diagram sinar, titik bayangan adalah titik potong berkas sinar-sinar pantul. Bayangan bersifat nyata apabila titik potongnya diperoleh dari perpotongan sinar-sinar pantul yang konvergen (mengumpul). Sebaliknya, bayangan bersifat maya apabila titik potongnya merupakan hasil perpanjangan sinar-sinar pantul yang divergen (menyebar).
Keterangan;
S = Jarak benda terhadap cermin
S1= Jarak bayangan terhadap cermin
Bayangan pada cermin datar bersifat maya. Titik bayangan dihasilkan dari perpotongan sinar-sinar pantul yang digambarkan oleh garis putus-putus.
Untuk melukis pembentukan bayangan pada cermin datar dengan diagram sinar, ikutilah langkah-langkah berikut ini.
- Lukis sebuah sinar dari benda menuju cermin dan dipantulkan ke mata, sesuai hukum pemantulan cahaya, yaitu sudut sinar datang harus sama dengan sudut sinar pantul.
- Lukis sinar kedua sebagaimana langkah pertama.
- Lukis perpanjangan sinar-sinar pantul tersebut di belakang cermin sehingga berpotongan. Perpotongan sinar-sinar pantul tersebut merupakan bayangan benda.
- Jika diukur dari cermin, jarak benda terhadap cermin (s) harus sama dengan jarak bayangan terhadap cermin (s1).
Kaca yang dipasang pada spion adalah contoh dari cermin lengkung. Cermin lengkung adalah cermin yang permukaannya melengkung yang disebut juga lengkung sferis. Ada dua jenis cermin lengkung sederhana yaitu cermin silinder dan cermin bola. Tapi kali ini kita hanya akan mempelajari cermin bola, khususnya tentang cermin cekung dan cembung.
Cermin cekung dan cembung dianggap sebagai irisan permukaan yang berbentuk bola. Cermin cekung merupakan irisan permukaan bola yang bagian mengkilapnya terdapat di dalam sedangkan irisan permukaan bola yang bagian mengkilapnya terdapat di luar adalah cermin cembung.
Bagian M adalah titik pusat kelengkungan cermin, yaitu titik pusat bola. Titik tengah cermin adalah O. Sumbu utama yaitu, OM, garis yang menghubungkan titik M dan O. Sudut POM adalah sudut buka cermin jika titik P dan M adalah ujung-ujung cermin.
a. Pusat kelengkungan cermin
Pusat kelengkungan cermin merupakan titik di pusat bola yang diiris menjadi cermin. Pusat kelengkungan cermin biasanya disimbolkan dengan M.
b. Vertex
Vertex merupakan titik di permukaan cermin dimana sumbu utama bertemu dengan cermin dan disimbolkan dengan O.
c. Titik api (titik fokus)
Titik api adalah titik pertengahan antara vertex dan pusat kelengkungan cermin dan disimbolkan dengan F.
d. Jari-jari kelengkungan cermin
Jari-jari kelengkungan cermin adalah jarak dari vertex ke pusat kelengkungan cermin. Jari-jari kelengkungan cermin biasanya disimbolkan dengan R.
e. Jarak fokus
Jarak fokus cermin adalah jarak dari vertex ke titik api dan disimbolkan dengan f.
Hukum pemantulan kedua yang menyatakan besar sudut datang sama dengan sudut pantul, berlaku pula untuk cermin lengkung. Pada cermin lengkung, garis normal adalah garis yang menghubungkan titik pusat lengkung cermin M dan titik jatuhnya sinar.
Jadi, garis normal pada cermin lengkung berubah-ubah, bergantung pada titik jatuh sinar. Misalnya, jika sinar datang dari K mengenai cermin cekung di B, maka garis normalnya adalah garis MB dan sudut datangnya adalah sudut KBM = α. Sesuai hukum pemantulan, maka sudut pantulnya, yaitu sudut MBC = α dan sinar pantulnya adalah sinar BC.
Sinar datang dari K mengenai cermin cekung di D, maka garis normalnya adalah garis MD dan sudut datangnya adalah sudut KDM = β. Sesuai hukum pemantulan, maka sudut pantulnya, yaitu sudut MDC = β, sedangkan sinar pantulnya adalah sinar DC. Hal yang sama berlaku juga pada cermin cembung.
Sinar-sinar Istimewa pada Cermin Cekung
- Sinar datang sejajar sumbu utama akan dipantulkan melalui titik fokus.
- Sinar datang melalui titik fokus akan dipantulkan sejajar sumbu utama.
- Sinar datang melalui titik pusat kelengkungan cermin akan dipantulkan melalui titik pusat kelengkungan cermin pula.
- Pilih sebuah titik pada bagian ujung atas benda dan lukis dua sinar datang melalui titik tersebut menuju cermin.
- Setelah sinar-sinar datang tersebut mengenai cermin, pantulkan kedua sinar tersebut sesuai kaidah sinar istimewa cermin cekung.
- Tandai titik potong sinar pantul sebagai tempat bayangan benda.
- Lukis perpotongan sinar-sinar pantul tersebut.
Persamaan Cermin Cekung
Persamaan cermin cekung digunakan untuk menyatakan hubungan kuantitatif antara jarak benda ke cermin (s), jarak bayangan ke cermin (s'), panjang fokus (f), dan jari-jari kelengkungan cermin (R). Jika dirumuskan adalah;
Keterangan :
f = jarak fokus (cm)
s = jarak benda ke cermin (cm)
s' = jarak bayangan (layar) ke cermin (cm)
Selain persamaan tersebut kita juga harus mengetahui rumus perbesaran pada cermin cekung. Rumus ini digunakan untuk mengetahui berapa kali perbesaran yang dihasilkan oleh pemantulan pada cermin cekung. Rumus perbesaran pada cermin cekung adalah;
Keterangan :
M = perbesaran
s = jarak benda ke cermin (m)
h = tinggi benda
s' = jarak bayangan (layar) ke cermin (m)
h' = tinggi bayangan
Catatan
h' positif (+) menyatakan bayangan adalah tegak (dan maya)
h' negatif (-) menyatakan bayangan adalah terbalik (dan nyata)
2) Cermin Cembung
Sinar-sinar Istimewa pada Cermin Cembung
Pada cermin cembung juga berlaku hukum-hukum pemantulan, yaitu besarnya sudut datang sama dengan besarnya sudut pantul. Selain itu, pada cermin cembung juga berlaku sinar-sinar istimewa yaitu:
- Sinar datang sejajar sumbu utama dipantulkan seolah-olah dari titik fokus (F).
- Sinar yang datang menuju titik fokus (F) dipantulkan sejajar sumbu utama.
- Sinar yang datang menuju titik pusat kelengkungan cermin seolah-olah berasal dari titik pusat kelengkungan tersebut.
Sinar-sinar istimewa pada pemantulan cermin cembung
Untuk melukis bayangan pada cermin cembung dibutuhkan minimal dua buah sinar istimewa dengan langkah-langkah sebagai berikut.
- Pilih sebuah titik pada bagian ujung atas benda dan lukis dua sinar datang melalui titik tersebut menuju cermin.
- Setelah sinar-sinar datang tersebut mengenai cermin, pantulkan kedua sinar tersebut sesuai kaidah sinar istimewa pada cermin cembung.
- Tandai titik potong sinar-sinar pantul atau perpanjangan sinar-sinar pantul sebagai tempat bayangan benda.
- Lukis bayangan benda pada perpotongan perpanjangan sinar-sinar pantul tersebut.
