Mengapa pensil yang dimasukkan ke dalam gelas yang berisi air terlihat bengkok?

Pernahkah kalian memasukkan batang pensil atau sedotan ke dalam gelas bening berisi air jernih? Jika belum pernah, coba kalian lakukan sendiri dan amati apa yang terjadi. Sebuah pensil, sedotan, atau benda-benda padat berbentuk batangan menyerupai sendok, kayu, logam dan sebagainya apabila dimasukkan ke dalam gelas berisi air maka akan terlihat seakan-akan patah atau bengkok menyerupai yang diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

Bisakah kalian menjelaskan bagaimana fenomena tersebut sanggup terjadi dengan memakai konsep fisika? Peristiwa batang pensil tampak bengkok di dalam gelas berisi air merupakan salah satu delusi optik yang sanggup dijelaskan dengan memakai prinsip pembiasan cahaya dan komponen-komponennya menyerupai Hukum Snellius dan indeks bias. Masih ingatkah kalian apa yang dimaksud dengan pembiasan cahaya, indeks bias, dan konsep Hukum Snellius? Mari kita ulas secara singkat.

Sebagai gelombang elektromagnetik, cahaya akan dipantulkan atau dibiaskan ketika melewati bidang batas antara dua medium. Ketika cahaya dari udara melewati bidang batas antara air dan udara, maka sebagian kecil dari cahaya akan dipantulkan dan sisanya akan diteruskan. Karena terdapat perbedaan kerapatan optik (indeks bias) antara udara dan air, maka arah berkas cahaya yang tiba dari udara tidak akan sama dengan arah berkas cahaya di dalam air.

Karena hal tersebut, maka cahaya akan dibelokkan. Peristiwa ini disebut dengan pembiasan cahaya. Dengan demikian, sanggup disimpulkan bahwa:

Ada dua syarat terjadinya proses pembiasan cahaya, yaitu:

■ Cahaya merambat melalui dua medium yang mempunyai perbedaan kerapatan optik, contohnya udara dengan air, udara dengan kaca, air dengan kaca, dan sebagainya.

■ Cahaya yang tiba harus miring pada batas dua medium, alasannya kalau tegak lurus maka tidak akan mengalami proses pembiasan.

■ Cahaya yang tiba dari medium lebih rapat menuju medium kurang rapat (ex. beling ke udara) harus menghasilkan sudut bias lebih kecil dari 90°. Hal ini alasannya kalau sinar bias sama dengan 90° maka cahaya tidak akan memasuki medium kedua. Sedangkan kalau sudut bias lebih besar dari 90° maka akan terjadi insiden pemantulan sempurna.

Setiap medium mempunyai suatu indeks bias tertentu, yang merupakan suatu ukuran seberapa besar suatu materi membiaskan cahaya. Indeks bias suatu zat ialah perbandingan kelajuan cahaya di udara dengan kelajuan cahaya di dalam zat tersebut. Kelajuan cahaya di udara selalu lebih besar daripada di dalam zat lain. Oleh alasannya itu, indeks bias zat lain selain udara selalu lebih besar dari 1.

Semakin besar indeks bias suatu zat maka semakin besar cahaya dibelokkan oleh zat tersebut. Besarnya pembiasan juga bergantung pada panjang gelombang cahaya. Dalam spektrum cahaya tampak, panjang gelombang cahaya bervariasi dari gelombang merah yang terpanjang hingga gelombang ungu yang terpendek. Berikut ini ialah beberapa referensi indeks bias beberapa medium yang disajikan dalam bentuk tabel.

Tabel Indeks Bias Berbagai Medium

Pembiasan terjadi apabila cahaya melewati batas dua medium. Seberkas cahaya (sinar) yang tiba dari medium kurang rapat ke medium lebih rapat akan dibiaskan mendekati garis normal. Ini berarti, sudut tiba (θi) lebih besar daripada sudut bias (θr). Sudut datang adalah sudut yang dibuat oleh sinar tiba dengan garis normal permukaan. Sementara, sudut bias adalah sudut yang dibuat oleh sinar bias dengan garis normal. Perhatikan gambar berikut.

Hubungan antara sinar datang, sudut datang, dengan sinar bias dan sudut bias ditemukan secara eksperimental oleh Willlebrord Snellius pada tahun 1621. Hubungan yang diberikan dikenal sebagai Hukum Snellius pada pembiasan cahaya, atau sering disebut saja dengan Hukum Pembiasan. Bunyi Hukum Pembiasan Snellius ini ialah sebagai berikut.

■ Sinar datang, garis normal, dan sinar bias terletak dalam satu bidang datar.

■ Perbandingan sinus sudut tiba dengan sinus sudut bias pada dua medium yang berbeda merupakan bilangan tetap yang disebut indeks bias.

Selain kedua pernyataan Hukum Snellius di atas, masih ada hal lain yang berlaku pada insiden pembiasan cahaya, yaitu sebagai berikut.

1. Jika sinar tiba dari medium kurang rapat ke medium lebih rapat, sinar akan dibiaskan mendekati garis normal.

2. Jika sinar tiba dari medium lebih rapat ke medium kurang rapat, cahaya akan dibiaskan menjauhi garis normal.

3. Jika sinar tiba tegak lurus batas dua medium, maka sinar tidak dibiaskan melainkan diteruskan.

Penjelasan Mengapa Pensil Tampak Seolah Patah

Ketika sebagian batang pensil tercelup ke dalam gelas beling berisi air, maka sinar tiba yang berasal dari batang pensil yang tercelup tersebut akan melewati tiga medium, yaitu air, beling (gelas), dan udara hingga alhasil hingga ke mata kita sebagai pengamat. Untuk lebih jelasnya, perhatikanlah gambar berikut ini.

Sinar tiba 1 berasal dari ujung pensil yang tercelup air merambat melalui medium air. Ketika mencapai medium beling (gelas) maka sinar cahaya tersebut akan dibiaskan mendekati garis normal. Hal ini dikarenakan indeks bias beling lebih besar daripada indeks bias air sehingga kerapatan optik beling lebih besar (lebih rapat) daripada air (lebih renggang).

Kemudian dari medium kaca, sinar cahaya bergerak keluar menuju udara. Karena indeks bias udara lebih kecil daripada kaca, maka sinar dibiaskan menjauhi garis normal dan menghasilkan sinar bias 1. Sinar bias 1 ini kemudian mencapai mata kita. Hal yang sama juga berlaku untuk sinar tiba 2. Setelah terjadi pembiasan dari air ke beling dan ke udara maka dihasilkan sinar bias 2 dan sinar bias ini juga menuju mata kita.

Kemudian, perpanjangan sinar bias 1 dan sinar bias 2 ini akan berpotongan di satu titik. Nah, di titik inilah daerah terbentuknya bayangan semu dari batang pensil yang tercelup air. Bayangan semu inilah yang dilihat oleh mata kita. Karena bayangan semu ini letakknya tidak tepat atau sedikit bergeser dari posisi benda aslinya, maka oleh mata kita akan tampak seolah batang pensil yang tercelup air tersebut patah atau bengkok.