Sudut Kritis dan Pemantulan Sempurna

Mengapa berlian tampak berkilauan ketika cahaya jatuh pada permukaannnya? Mengapa pada saat terik matahari jalan raya beraspal tampak seperti tergenang air? Pada kedua gejala Fisika tersebut, cahaya mengalami pemantulan sempurna. Bagaimana pemantulan sempurna itu terjadi?

Sumber gambar: 123rf.com

Pemantulan sempurna sudah dibahas secara singkat pada postingan sebelumnya yang berjudul “Pematulan Sempurna”, pembahasan kali ini akan membahas materi yang sama yaitu pemantulan sempurna juga, hanya saja pada pembahasan kali ini akan dijelaskan secara mendetail juga disertai dengan contohnya. Silahkan lihat gambar berikut ini.

Gambar di atas menunjukan cahaya bergerak dari medium lebih rapat (kaca) ke medium kurang rapat (udara), atau dari medium yang memiliki indeks bias lebih besar ke medium yang indeks biasnya lebih kecil. Menurut konsekwensi dari hukum Snellius, jika cahaya bergerak dari medium lebih rapat ke medium kurang rapat maka cahaya tersebut akan dibiaskan menjauhi garis normal.

Ketika cahaya datang dengan sudut datang nol, maka sudut biasnya juga nol, seperti ditunjukan oleh sinar 1. Kemudian, pada saat sudut datang diperbesar (sinar 2, sinar 3, dan sinar 4), sudut bias pun bertambah besar atau semakin menjauhi garis normal. Pada saat sinar datang dengan sudut datang tertentu (seperti gambar di atas pada sinar 5) cahaya akan dibiaskan 90° terhadap garis normal sehingga sinar biasnya sejajar dengan permukaan bidang batas medium (kaca-udara). Pada keadaan seperti ini, sudut sinar datang disebut sudut kritis.

Dengan kata lain, sudut kritis adalah saat sudut datang ketika sinar datang dibiaskan dengan sudut bias 90°. Jika sudut datang diperbesar lagi melebihi sudut kirits, cahaya tidak akan dibiaskan melainkan akan dipatulkan sempurna. Artinya, cahaya tidak akan keluar dari medium kaca, seperti yang ditunjukan pada gambar di atas pada sinar 6. Peritiwa inilah yang disebut pemantulan sempurna.

Berdasarkan hal tersebut, dapat disimpulkan bahwa pemantulan sempurna hanya terjadi jika memenuhi dua syarat berikut.

1. Cahaya datang dari medium lebih rapat ke medium kurang rapat
2. Sudut datang lebih besar daripada sudut kritis.

Prinsip pemantulan sempurna dimanfaatkan dalam teknologi komunikasi, yakni pada serat optik (fiber optic), seperti pada gambar di bawah ini. Serat optik adalah suatu serat halus terbuat dari plastik atau kaca yang digunakan untuk menyalurkan cahaya atau gelombang elektromagnetik. Serat optik terdiri atas bagian inti dan bagian luar sebagai pembungkusnya. Bagian inti terbuat dari kaca yang memiliki indeks bias tinggi dan berkualitas baik. Indeks bias yang tinggi akan mengakibatkan sudut kritis kecil sehingga sinar datang dengan sudut datang yang tidak terlalu besar akan mengalami pemantulan sempurna.

 Bagian luar yang merupakan pembungkus, terbuat dari plastik atau material lain yang berfungsi melindungi bagian inti. Oleh karena cahaya atau gelombang elektromagnetik yang masuk ke dalam serat optik mengalami pemantulan sempurna, pada saat keluar dari serat optik, energi cahaya tidak banyak yang hilang. Berdasarkan hal itu jika yang dikirim adalah sinyal-sinyal komunikasi dalam bentuk gelombang cahaya, pada saat diterima di tempat tujuan sinyal tersebut sampai secara utuh tanpa banyak kehilangan energi. Berdasarkan pada proses terjadinya pemantulan sempurna, dapat ditentukan pula besarnya sudut kritis untuk dua medium tertentu sebagai berikut. Pada saat terjadi pemantulan sempurna, berlaku persamaan berikut.

sin i/sin r = n₂/n₁dengan n₁ < n₂ dan r =90° sehingga

Keterangan:

          i_k = sudut kritis

Contoh Soal Tentang Sudut Kritis

Hitunglah sudut kritis berlian yang memiliki indeks bias mutlak 2,417 pada saat diletakan di udara.

Jawab:

Diketahui:

n₂ = 1

n₁ = 2,417

Ditanyakan: i_k=?

Penyelsaiannya:

sin i_k= n₂ /n₁

sin i_k= 1/2,417

sin i_k= 0,414

i_k = 24,4°

Jadi, sudut kritis berlian adalah 24,4°