6.1 - Pembiasan Cahaya

Pembiasan dan Ketumpatan Optik

Pembiasan berlaku kerana halaju cahaya berubah apabila merambat antara medium yang berlainan ketumpatan optik. Pensel di dalam air atau yang dilihat melalui blok kaca boleh kelihatan bengkok.
Dari medium kurang tumpat optik ke medium lebih tumpat optik, cahaya menjadi lebih perlahan dan membengkok mendekati garis normal: $r < i$ .
Dari medium lebih tumpat optik ke medium kurang tumpat optik, cahaya menjadi lebih laju dan membengkok menjauhi garis normal: $r > i$ .
Sudut tuju, $i$ , dan sudut biasan, $r$ , diukur antara sinar masing-masing dengan garis normal.
Ketumpatan optik berbeza daripada jisim per unit isi padu. Minyak terapung di atas air kerana ketumpatan jisimnya lebih rendah, walaupun ketumpatan optiknya lebih tinggi.

Indeks biasan, $n$ , ialah nisbah laju cahaya dalam vakum kepada laju cahaya dalam medium:

n = \frac{c}{v}, c = 3.0 \times 1 0^{8} m s^{- 1}

Ketumpatan optik yang lebih tinggi memberikan $n$ yang lebih besar. Nilainya sekurang-kurangnya 1 dan bergantung pada panjang gelombang cahaya; perubahan suhu juga boleh mengubahnya.
Sinar tuju, sinar biasan dan garis normal bertemu pada satu titik dan berada dalam satah yang sama.
Hukum Snell menghubungkan kedua-dua medium:

n_{1} sin θ_{1} = n_{2} sin θ_{2}

$n_{1}, n_{2}$ : indeks biasan medium sinar tuju dan medium sinar biasan; $θ_{1}, θ_{2}$ : sudut masing-masing terhadap garis normal.
Bagi cahaya yang memasuki medium dari udara, ambil $n_{1} = 1$ :

n = \frac{sin i}{sin r}

Pada sudut tuju $5 0^{\circ}$ dari air, sudut biasan dalam perspeks, kaca flint dan intan masing-masing ialah $42. 8^{\circ}$ , $37. 9^{\circ}$ dan $24. 9^{\circ}$ : semakin tinggi indeks medium kedua, semakin besar pembengkokan mendekati garis normal.

Inferens: Sudut biasan bergantung pada sudut tuju.
Hipotesis: Pertambahan $i$ meningkatkan $r$ .
Tujuan: Menentukan indeks biasan blok kaca.
Pemboleh ubah: Dimanipulasikan — $i$ ; bergerak balas — $r$ ; dimalarkan — indeks biasan blok kaca.
Radas: Kotak sinar dengan plat celah tunggal, jangka sudut dan pembaris. Bahan: Blok kaca, kertas putih dan pensel. Perspeks boleh menggantikan kaca.

Surih garis luar blok pada kertas putih dan lukis garis normal di titik tuju $O$ .
Lukis garis sinar tuju pada $i = 2 0^{\circ}, 3 0^{\circ}, 4 0^{\circ}, 5 0^{\circ}, 6 0^{\circ}$ .
Letakkan blok pada garis luarnya dan tujukan sinar sepanjang garis $2 0^{\circ}$ . Tandakan sinar muncul $PQ$ .
Alihkan blok, sambungkan $O$ dengan titik muncul $P$ , dan ukur $r$ .
Letakkan semula blok dan ulang bagi sudut tuju lain. Rekodkan $i$ , $r$ , $sin i$ dan $sin r$ .
Plotkan $r$ melawan $i$ dan $sin i$ melawan $sin r$ . Gunakan $n = sin i / sin r$ untuk mendapatkan $n$ daripada kecerunan graf kedua.

Dalam nyata, $H$ : Jarak objek sebenar dari permukaan medium.
Dalam ketara, $h$ : Jarak imej objek dari permukaan itu.
Sinar dari ikan dibiaskan menjauhi garis normal apabila keluar dari air. Pemanjangan sinar ke belakang menentukan imej yang lebih dekat dengan permukaan, maka ikan kelihatan lebih cetek.
Jurulatih di atas kolam melihat penyelam lebih dekat dengan permukaan air; penyelam melihat jurulatih lebih jauh daripadanya.
Hubungan bagi medium lut sinar yang dilihat dari udara ialah:

n = \frac{H}{h}

Inferens: Kedudukan imej bergantung pada kedudukan objek dan indeks biasan medium yang berlainan.
Hipotesis: Pertambahan dalam nyata meningkatkan dalam ketara.
Tujuan: Menentukan indeks biasan air melalui kaedah tanpa paralaks.
Pemboleh ubah: Dimanipulasikan — $H$ ; bergerak balas — $h$ ; dimalarkan — indeks biasan air.
Radas: Bikar 1 000 ml, pembaris dan kaki retort dengan dua pengapit. Bahan: Gabus, dua batang pin, pita selofan dan air.

Lekatkan pin objek $P_{o}$ pada dasar bikar. Susun pembaris dan pin pembanding boleh laras $P_{i}$ di sebelahnya menggunakan kaki retort dan gabus.
Isi air hingga $H = 6.0 cm$ dan lihat imej $P_{o}$ dari atas.
Laraskan $P_{i}$ secara menegak sehingga segaris dengan imej $P_{o}$ pada paras yang sama.
Ukur $y$ , iaitu ketinggian $P_{i}$ dari dasar. Hitungkan $h = H - y$ .
Ulang bagi $H = 7.0, 8.0, 9.0, 10.0 cm$ . Rekodkan $H$ , $y$ dan $h$ .
Plotkan $H$ melawan $h$ ; kecerunannya memberikan $n = H / h$ .

r = sin^{- 1} (\frac{sin 6 0 ^{\circ}}{1.49}) = 35.5 4^{\circ}, v = \frac{3.0 \times 1 0 ^{8}}{1.49} = 2.01 \times 1 0^{8} m s^{- 1}

Kenaikan ketara syiling: Imej berada $2 H /7$ di atas syiling, maka $h = H - 2 H /7 = 5 H /7$ dan $n = H / h = 7/5 = 1.4$ .