Cahaya dan Sifat-Sifat Cahaya

Orang-orang dulu beranggapan bahwa mata manusia merupakan sumber cahaya dan cahaya yang dipancarkan tersebut berfungsi seperti serabut peraba. Bila serabut peraba itu mengenai suatu benda, maka akan nampaklah benda itu dalam penglihatan manusia. 

Namun, beberapa abad kemudian anggapan orang-orang  tersebut terpatahkan oleh pertanyaan Aristoteles: Bila mata manusia memiliki serabut peraba, mengapa manusia tidak dapat melihat suatu benda di tempat yang gelap? Berawal dari pertanyaan tersebut, muncul pemikiran baru bahwa manusia bisa melihat bukan hanya karena memiliki mata, namun juga karena adanya dukungan cahaya. Namun ternyata, pemikiran baru tersebut juga tidak sepenuhnya benar. Faktanya, ada banyak juga orang yang memiliki mata dan berada di tempat yang terang, namun tidak dapat melihat benda - benda di sekelilingnya. 

Pada masa kini, para ahli berpendapat bahwa ada 3 syarat yang harus terpenuhi agar orang dapat melihat suatu benda, yaitu: 

1.     Cahaya yang dipancarkan oleh benda yang menjadi obyek penglihatan manusia itu harus dapat memasuki bolamata. 

2.     Sistem optis bolamata harus cukup kejernihannya dan mampu memfokuskan cahaya tepat pada retina.

3.     Sel-sel conus (Reseptor) retina harus mampu mengubah rangsangan cahaya menjadi impul syaraf dan meneruskanya ke otak untuk diolah menjadi sensasi penglihatan. Karena pada hakekatnya penglihatan itu terjadi bukan di bolamata, melainkan di otak. 

Jadi, bukan mata yang memancarkan cahaya, namun benda lah yang memancarkan cahaya atau memantulkan cahaya. 

Pada bab ini kalian akan mempelajari sifat-sifat cahaya, system kerja mata kita dan mata serangga, serta cara kerja alat-alat optik.

A. Sifat-sifat Cahaya

Cahaya merupakan gelombang elektromagnetik yaitu gelombang yang tidak memerlukan medium untuk merambat. Sehingga cahaya dapat merambat tanpa memerlukan medium.

Cahaya merambat dengan sangat cepat, yaitu dengan kecepatan 3 × 10⁸ m/s, artinya dalam waktu satu sekon cahaya dapat menempuh jarak 300.000.000 m atau 300.000 km. Cahaya memiliki panjang gelombang sekitar 380–750 nm (nanometer).

Setiap benda yang memancarkan cahaya disebut sumber cahaya dan setiap benda yang tidak dapat memancarkan cahaya disebut benda gelap.

Cahaya mempunyai sifat-sifat tertentu. Sifat-sifat cahaya banyak manfaatnya bagi kehidupan.

1. Cahaya merambat lurus

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. Kegiatan yang dapat untuk membuktikan bahwa cahaya merambat lurus adalah dengan menggunakan karton yang diberi lubang seperti gambar di bawah ini. Ketika lobang karton disusun lurus kita dapat melihat cahaya lilin (gambar a), namun ketika salah satu lobang digeser kita tidak bisa lagi melihat cahaya tersebut (gambar b).

Percobaan: Cahaya merambat lurus

Sifat cahaya yang selalu merambat lurus ini dimanfaatkan manusia pada pembuatan lampu senter dan lampu kendaraan bermotor.

2.  Cahaya dapat menembus benda bening

Bayangan: terbentuk karena cahaya terhalang  benda 

Amatilah ketika kamu berjalan di bawah cahaya matahari. Ke mana pun kamu berjalan, selalu diikuti oleh bayanganmu sendiri. Bayang-bayang tubuhmu akan hilang ketika kamu masuk ke dalam rumah atau berlindung di balik pohon yang besar. Bayangan terbentuk karena cahaya tidak dapat menembus suatu benda. Ketika cahaya mengenai tubuhmu, cahaya tidak dapat menembus tubuhmu sehingga terbentuklah bayangan. Begitu pula ketika cahaya mengenai rumahmu dan pohon yang besar. Bayangan adalah daerah gelap yang terbentuk akibat cahaya tidak dapat menembus suatu benda. Bayangan dibedakan menjadi dua, yakni bayangan nyata dan bayangan maya. Bayangan maya (semu) adalah bayangan yang dapat dilihat mata, tapi tidak dapat ditangkap pada layar, sedangkan bayangan nyata adalah bayangan yang dapat ditangkap layar.

Ketika cahaya melalui benda bening maka cahaya tersebut dapat diteruskan. Misalnya cahaya dapat menembus gelas yang terbuat dari kaca yang bening.

3. Cahaya dapat dipantulkan (direfleksikan)

Setiap benda di sekelilingmu bersifat memantulkan cahaya. Itulah yang menyebabkan benda tersebut dapat terlihat. Beberapa permukaan benda bersifat memantulkan cahaya yang

mempunyai panjang gelombang tertentu. Hal ini yang menyebabkan benda mempunyai warna yang berbeda.

Meskipun hampir semua benda bersifat memantulkan cahaya, tetapi hanya beberapa saja yang dapat memantulkan cahaya secara sempurna. Permukaan benda yang memantulkan

cahaya mempengaruhi karakteristik pemantulan. Ada dua macam pemantulan cahaya, yaitu:

1.    Pemantulan baur (difus)

      Terjadi jika cahaya jatuh pada benda yang permukaannya tidak rata atau kasar. Cahaya akan dipantulkan  ke segala arah tak tentu. Contoh sinar yang dipantulkan oleh batu, kayu, dll.

2.    Pemantulan teratur

       Terjadi jika cahaya jatuh ke benda yang permukaannya rata atau halus.

       Cahaya akan dipantulkan teratur kea rah tertentu. Contoh sinar yang dipantulkan oleh  cermin, air yang jernih           dan tenang, dll. 

Pemantulan baur dan pemantulan teratur

Contoh dalam kehidupan sehari-hari penerapan konsep pemantulan baur adalah peristiwa pemantulan cahaya matahari  yang mengenai permukaan bumi, di mana permukaan bumi memiliki permukaan yang kasar (tidak teratur). Pematulan baur inilah yang menyebabkan sinar matahari atau cahaya matahari bisa sampai ke dalam ruangan rumah-rumah, walaupun rumah tersebut berisi atap yang menghalangi cahaya matahari masuk ke dalam ruangan.

Berbeda dengan pemantulan baur yang disebabkan karena cahaya mengenai benda yang permukaan kasar, adapun seberkas cahaya yang jatuh pada permukaan halus, akan dipantulkan dengan arah yang teratur. Pemantulan dengan arah yang teratur disebut dengan pemantulan teratur, seperti gambar di bawah ini. Pemantulan cahaya pada permukaan banda tidak sembarang, melainkan memiliki keteraturan sesuai dengan hukum-hukum pemantulan. Contoh pemantulan jenis ini adalah pemantulan pada cermin.

Hukum Pemantulan Cahaya

       Pemantulan cahaya oleh benda yang permukaannya rata/halus (misalnya cermin datar) mengikuti  Hukum Snellius, yaitu :

1) Sinar datang, sinar pantul, dan garis normal (N) terletak pada satu bidang datar.

2) Sudut datang (i) sama dengan sudut pantul (r)

Sudut datang (i) adalah sudut yang dibentuk antara sinar datang dan garis normal.

Sudut pantul (r) adalah sudut yang dibentuk antara sinar pantul dan garis normal

Sudut batas adalah sudut datang yang menyebabkan sudut bias 90^o.

Contoh pemantulan sempurna dalam kehidupan sehari-hari antara lain:

-    Terjadinya fatamorgana

-    Pemantulan oleh prisma

-    Terlihatnya pelangi

-    Kilauan cahaya intan berlian

Fatamorgana dan fenomena jalan aspal berair

Mungkin ketika kalian melewati jalan yang beraspal pada siang hari, akan tampak di kejauhan ada genangan air. Namun ketika mendekatinya, ternyata tidak ada apa-apa. Mengapa itu bisa terjadi? Tampilnya genangan air khayal tersebut adalah suatu jenis fatamorgana. Kata ‘fatamorgana’ diambil dari nama saudari Raja Arthur, Faye le Morgana, seorang peri yang bisa berubah-ubah rupa.

Fatamorgana ini terjadi karena permukaan jalan mendapat sinar Matahari dengan intensitas kuat, sehingga ada perbedaan suhu udara yang cukup besar di dekat permukaan jalan. Di dekat permukaan jalan aspal yang panas terdapat lapisan udara dingin. Lapisan udara yang lebih dingin memiliki kerapatan lebih besar dari pada lapisan udara yang lebih panas. Oleh karena itu, sinar Matahari yang datang dari lapisan udara dingin menuju ke lapisan udara panas akan dibiaskan menjauhi garis normal.

Seberkas cahaya dari langit yang bergerak dari lapisan udara dingin ke lapisan udara hangat dan lapisan udara panas secara berangsur dibiaskan menjauhi garis normal, sehingga akhirnya dibelokkan ke atas ketika cahaya tersebut memasuki lapisan udara panas di dekat permukaan jalan. Cahaya ini dibiaskan ke mata seakan-akan cahaya ini datang dari permukaan jalan atau bahkan dari bawah jalan. Karena itulah, mata kita melihat bayangan langit ini seperti genangan air di jalan beraspal di depan kita.

4. Cahaya dapat dibiaskan

Lakukan percobaan sederhana berikut: ambil sebuah gelas bening kemudian isi dengan air. Masukkan benda (misalnya pinsil) ke dalam gelas. Usahakan posisi pinsil tidak tegak lurus. Amati gelas dengan posisi mata lurus dengan gelas. Pinsil seolah-olah patah bukan? Mengapa demikian.

Jika cahaya melalui dua benda yang indeks bias berbeda, misalnya udara dan air, maka cahaya tersebut akan mengalami pembiasan. Pembiasan adalah pembelokan arah rambat cahaya, saat melewati dua medium yang berbeda kerapatannya. Pembiasan cahaya dimanfaatkan manusia dalam pembuatan berbagai alat optik. Apabila cahaya merambat dari zat yang kurang rapat ke zat yang lebih rapat, cahaya akan dibiaskan mendekati garis normal. Misalnya cahaya merambat dari udara ke air. Sebaliknya, apabila cahaya merambat dari zat yang lebih rapat ke zat yang kurang rapat, cahaya akan dibiaskan menjauhi garis normal. Misalnya cahaya merambat dari air ke udara.

Selain pada percobaan di atas, pembiasan cahaya juga sering kamu jumpai dalam kehidupan sehari-hari. Misalnya dasar kolam terlihat lebih dangkal daripada kedalaman sebenarnya.

Hukum Pembiasan

1.    Hukum I Snellius

a.    Sinar datang dari medium kurang rapat menuju ke medium yang lebih rapat dibiaskan  mendekati garis normal.

b.    Sinar datang dari medium lebih rapat menuju ke medium yang kurang rapat dibiaskan  menjauhi garis normal.

i = sudut datang

r = sudut bias

2.   Hukum II Snellius :

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

      b. Indeks bias relative medium 2 terhadap medium 1 adalah perbandingan kecepatan           cahaya di medium1 dengan kecepatan cahaya di medium 2. Atau dirumuskan:

5. Cahaya dapat diuraikan (didispersikan)

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. 

Pelangi: Mahakarya Allah SWT

Kita juga dapat mengamati peristiwa dispersi cahaya pada balon air.  Kita dapat menggunakan air sabun untuk membuat balon air. Jika air sabun ditiup di bawah sinar matahari, kamu akan melihat berbagai macam warna berkilauan pada permukaan balon air tersebut.