Cahaya tidak memiliki wujud, namun kita dapat merasakan keberadaannya dengan jelas. Seperti bagaimana pada siang hari sekeliling kita sangatlah terang. Namun di malam hari, cahaya matahari tidak ada dan membuat suasana menjadi lebih gelap. Berbicara malam, salah satu cara paling mudah untuk mengamati cahaya adalah dengan menyalakan dan memadamkan lampu pada malam hari.
Malam hari juga mengingatkan bahwa tanpa cahaya lampu, kita akan mengalami kegelapan dan tidak dapat melihat apa-apa. Padahal melihat adalah salah satu kemampuan indera yang krusial. Cahaya juga dapat dimanfaatkan untuk berbagai teknologi (seperti alat optik) yang dapat memajukan kesejahteraan manusia. Oleh karena itu, mempelajarinya akan memberikan banyak manfaat.
Sifat Cahaya
Cahaya memiliki sifat-sifat khusus, meliputi: cahaya merambat lurus, bisa dipantulkan, bisa dibiaskan, dan merupakan gelombang elektromagnetik (Tim Kemdikbud, 2017, hlm. 167). Berikut adalah pemaparan masing-masing sifat cahaya.
Cahaya Merambat Lurus
Cahaya akan merambat lurus secara terus menerus dan dapat menembus benda bening. Misalnya jika cahaya difokuskan menggunakan lubang kecil, maka akan tampak jelas bahwa ia membentuk garis lurus. Jika kita mengintip lubang kecil tersebut menggunakan lubang kecil lain, maka kita tidak dapat melihat cahaya tersebut jika lubang kecil yang kita gunakan untuk mengintipnya tidak tegak lurus dengan lubang kecil sumber cahaya.
Cahaya dapat Dipantulkan
Cahaya memiliki sifat dapat dipantulkan jika menabrak suatu permukaan bidang. Dua pemantulan cahaya yang dapat terjadi adalah pemantulan baur dan pemantulan teratur.
- Pemantulan baur terjadi jika cahaya dipantulkan oleh bidang yang tidak rata, seperti aspal, tembok, dan batang kayu.
- Pemantulan teratur terjadi jika cahaya dipantulkan oleh bidang yang rata, seperti cermin datar.
Pada kedua jenis pemantulan tersebut, sudut pantulan cahaya besarnya selalu sama dengan sudut datang cahaya.
Hal tersebut sesuai dengan hukum pemantulan cahaya yang dikemukakan oleh Snellius, yakni:
- Sinar datang garis normal, dan sinar pantul terletak pada satu bidang datar.
- Besar sudut datang sama dengan besar sudut pantul (∠i = ∠r).
Snellius menambahkan konsep garis normal yang merupakan garis khayal tegak lurus dengan bidang pantul. Garis normal itu berguna untuk mempermudah kita menggambarkan pembentukan bayangan oleh cahaya.
Pantulan cahaya juga merupakan proses terjadinya warna. Karena cahaya yang mengenai benda sebagian akan dipantulkan ke mata dan sebagian lagi akan diserap benda sebagai energi. Misalnya jika cahaya yang mengenai benda terlihat berwarna merah, berarti spektrum cahaya merah dipantulkan oleh benda, sedangkan spektrum warna lainnya diserap.
Cahaya dapat Dibiaskan
Cahaya akan dibiaskan ketika melalui dua medium yang memiliki kerapatan optik yang berbeda. Misalnya cahaya merambat ke air di dalam gelas bening. Udara dan air adalah dua zat yang kerapatannya berbeda, maka cahaya akan berbelok (membias), seperti pada gambar di bawah ini.
Pembiasan cahaya terjadi karena kecepatan cahaya akan menurun saat dari udara memasuki air atau medium yang lebih rapat. Semakin besar perubahan kecepatan cahayanya, maka semakin besar pula efek pembiasan yang terjadi. Namun, pembiasan tidak akan terjadi saat cahaya masuk dengan posisi tegak lurus bidang batas kedua medium.
Cahaya merupakan Gelombang Elektromagnetik
Gelombang cahaya terbentuk karena adanya perubahan medan magnet dan medan listrik secara periodik. Cahaya juga dapat merambat tanpa menggunakan medium, tidak seperti bunyi yang membutuhkan medium udara agar dapat merambat. Oleh karena itu, cahaya adalah gelombang elektromagnet.
Buktinya adalah bagaimana matahari dapat menerangi bumi melewati ruang angkasa yang hampa udara. Sementara itu di ruang angkasa tidak ada suara, karena bunyi tidak dapat merambat tanpa udara.
Sinar yang dapat dilihat oleh mata manusia adalah bagian yang sangat kecil dari spektrum elektromagnetik, dan disebut spektrum cahaya tampak (seperti pada gambar di atas). Spektrum cahaya tampak berada pada 400 nm sampai 700 nm, yang besarnya seratus kali lebih kecil dari satu lembar rambut manusia.
Pembentukan Bayangan pada Cermin
Jika seberkas cahaya mengenai cermin datar maka cahaya tersebut dipantulkan secara teratur. Peristiwa pemantulan cahaya pada cermin datar dapat menyebabkan pembentukan bayangan (refleksi) benda oleh cermin, sehingga kita dapat melihat benda itu pula pada cermin. Selain cermin datar, terjadi pula pembentukan bayangan pada cermin cekung, dan cermin cembung.
Pembentukan Bayangan pada Cermin Datar
Pembentukan bayangan pada cermin datar akan menghasilkan bayangan (refleksi) satu banding satu, atau simetris dengan benda nyata yang dipantulkannya. Meskipun secara teknis sebetulnya bayangan tersebut adalah terbalik (seperti hasil foto kamera selfie pada ponsel).
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).
Pembentukan Bayangan pada Cermin Lengkung
Cermin lengkung adalah cermin yang permukaannya melengkung seperti pada kaca spion yang di pasang di kendaraan. Pada cermin lengkung yang kelengkungannya merupakan bagian dari kelengkungan bola, terdapat dua jenis cermin yang umum, yakni cermin cekung dan 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.
Berdasarkan Gambar di atas, kita dapat menentukan unsur-unsur cermin lengkung menurut Tim Kemdikbud (2017, hlm. 178), sebagai berikut.
- Pusat kelengkungan cermin Pusat kelengkungan cermin merupakan titik di pusat bola yang diiris menjadi cermin. Pusat kelengkungan cermin biasanya disimbolkan dengan M.
- Vertex Vertex merupakan titik di permukaan cermin dimana sumbu utama bertemu dengan cermin dan disimbolkan dengan O.
- Titik api (fokus) Titik api adalah titik bertemunya sinar-sinar pantul yang datangnya sejajar dengan sumbu utama (terletak antara vertex dan pusat) dan disimbolkan dengan F.
- Jari-jari kelengkungan cermin Jari-jari kelengkungan cermin adalah jarak dari vertex (O) ke pusat kelengkungan cermin (M). Jari-jari kelengkungan cermin biasanya disimbolkan dengan R.
- Jarak fokus Jarak fokus cermin adalah jarak dari vertex ke titik api dan disimbolkan dengan f.
Cermin Cekung
Cermin cekung adalah yang irisan permukaan bola bagian mengilapnya terdapat di dalam. Jika kita melihatnya dari sebelah kanan, anggap saja bentuk cermin cekung ini berbentuk seperti kurung buka “(”.
Hukum pemantulan yang menyatakan besar sudut datang sama dengan sudut pantul, berlaku pula untuk cermin cekung. Pada cermin cekung, garis normal adalah garis yang menghubungkan titik pusat lengkung cermin M dengan titik jatuhnya sinar. Garis normal pada cermin lengkung berubah-ubah, bergantung pada titik jatuh sinar.
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, adalah sudut MDC = β, sedangkan sinar pantulnya adalah sinar DC. Hal yang sama berlaku juga pada cermin cembung.
Sinar Istimewa Cermin Cekung
Agar dapat mengetahui pembentukan bayangan pada cermin cekung, kita dapat menggunakan diagram sinar dan tiga sinar istimewa cermin cekung di bawah ini.
| Sinar Istimewa Cermin Cekung | Diagram Sinar |
|---|---|
|  |
|  |
|  |
Persamaan Cermin Cekung
Persamaan cermin cekung menyatakan hubungan kuantitatif antara jarak benda ke cermin (s), jarak bayangan ke cermin (s’), dan panjang fokus (f).
dengan ketentuan :
f = Jarak fokus (cm)
s = Jarak benda ke cermin (cm)
s’ = Jarak bayangan (layar) ke cermin (cm)
Selain persamaan tersebut kita juga dapat mengetahui perbesaran bayangan yang dihasilkan oleh cermin cekung. Rumus perbesaran pada cermin cekung adalah sebagai berikut.
Dengan ketentuan :
M = Perbesaran
s = Jarak benda ke cermin
h = Tinggi benda
s’ = Jarak bayangan (layar) ke cermin
h’ = Tinggi bayangan
catatan :
h’ positif (+) menyatakan bayangan adalah tegak (dan maya)
h’ negatif (-) menyatakan bayangan adalah terbalik (dan nyata)
Cermin Cembung
Cermin cembung adalah kebalikan dari cermin cekung, yakni irisan permukaan bola bagian mengilapnya terdapat di luar. Jika kita melihatnya dari sebelah kiri, anggap saja bentuk cermin cekung ini berbentuk seperti kurung buka “(”.
Pada cermin cembung juga berlaku hukum-hukum pemantulan, yaitu besarnya sudut datang sama dengan besarnya sudut pantul.
Sinar Istimewa Cermin Cembung
Beberapa sinar istimewa dan diagram sinar pada cermin cembung dapat dilihat pada tabel di bawah ini.
| Sinar Istimewa Cermin Cembung | Diagram Sinar |
|---|---|
|  |
|  |
|  |
Persamaan Cermin Cembung
Persamaan pada cermin cekung masih berlaku untuk cermin cembung yang telah dipaparkan di atas. Namun, ada hal yang perlu diperhatikan, yakni titik fokus F dan titik pusat kelengkungan cermin M untuk cermin cembung terletak di belakang cermin.
Oleh karena itu, dalam menggunakan persamaan cermin cembung jarak fokus (f) dan jari-jari cermin (R) selalu dimasukkan bertanda negatif. Dengan catatan bahwa dalam cermin cembung harga f dan R bernilai negatif (−).
Lensa
Lensa adalah benda bening yang memiliki permukaan berbentuk cekung atau cembung dan berfungsi untuk membiaskan cahaya. Secara umum terdapat lensa berbentuk:
- cembung, jika dipegang, lensa cembung bagian tengahnya lebih tebal dari
bagian pinggir; dan - cekung, lensa cekung bagian tengahnya lebih tipis dari bagian pinggirnya.
Sinar Istimewa Lensa Cembung
Penerapan hukum pembiasan cahaya pada benda ternyata menentukan sinar-sinar istimewa pada pembiasan cahaya oleh lensa cembung. Sinar-sinar istimewa pada lensa cembung adalah sebagai berikut.
| Sinar Istimewa Lensa Cembung | Diagram Sinar |
|---|---|
|  |
|  |
|  |
Sinar Istimewa Lensa Cekung
Pada pembiasan lensa cekung juga berlaku sinar-sinar istimewa ketika kita hendak membuat bayangan pada lensa. Sinar-sinar istimewa pada pembiasan cahaya oleh lensa cekung adalah sebagai berikut.
| Sinar Istimewa Lensa Cekung | Ilustrasi Sinar |
|---|---|
| Sinar datang sejajar sumbu utama lensa seolah-olah dibiaskan berasal dari titik fokus aktif (F) di depan lensa. |  |
| Sinar datang seolah-olah menuju titik fokus pasif (F) di depan lensa akan dibiaskan sejajar sumbu utama. |  |
| Sinar datang melalui pusat optik lensa (O) akan diteruskan tanpa dibiaskan. |  |
Persamaan Lensa
Persamaan pada lensa cembung sama dengan persamaan pada lensa cekung. Hubungan antara jarak fokus (f), jarak bayangan (s’), dan jarak benda (s) adalah sebagai berikut.
Pada lensa cembung, titik fokus bernilai positif (sama seperti pada cermin cekung), sedangkan pada lensa cekung, titik fokus bernilai negatif (sama seperti pada cermin cembung).
Kemudian, setiap lensa mempunyai kemampuan yang berbeda-beda dalam mengumpulkan atau menyebarkan sinar. Kemampuan lensa dalam mengumpulkan atau menyebarkan sinar disebut kuat lensa (D) dan memiliki satuan dioptri. Kuat lensa merupakan kebalikan dari panjang fokus. Secara matematis dapat dinyatakan sebagai berikut:
Dengan syarat f harus dinyatakan dalam meter (m). Jika f dalam sentimeter (cm) maka 1 diganti menjadi 100.
Indra Penglihatan Manusia dan Hewan
Indra penglihatan manusia mengolah cahaya dan memiliki bagian yang mirip dengan lensa. Mata dapat melihat benda karena adanya cahaya yang mengenai benda yang dilihat kemudian dipantulkan ke mata.
Indra Penglihatan Manusia
Sesungguhnya mata manusia juga membuat bayangan seperti pada cermin, namun dalam prosesnya mata mengirimkannya sebagai sinyal pada otak, bukan memantulkannya saja seperti pada cermin.
Bagian-Bagian Mata Manusia
Organ penglihatan yang dimiliki oleh manusia adalah mata. Organ ini berbentuk bulat. Mata tersusun atas beberapa bagian utama yang berbeda. Berikut adalah lapisan-lapisan utama mata.
- Sklera, atau lapisan luar adalah lapisan yang membentuk kornea.
- Koroid, atau lapisan tengah adalah lapisan yang membentuk iris.
- Lapisan ketiga adalah lapisan dalam, yaitu retina.
Kornea
Lapisan terluar mata (sklera) membentuk putih mata, dan bersambung dengan bagian depan yang bening dan disebut kornea. Cahaya masuk ke mata melewati kornea karena lapisan kornea mata terluar bersifat tembus cahaya. Kornea berfungsi melindungi bagian mata yang sensitif di belakangnya dan membantu memfokuskan bayangan pada retina.
Iris atau Selaput Pelangi
Setelah cahaya melewati kornea, selanjutnya cahaya akan menuju ke pupil. Pupil adalah bagian berwarna hitam yang merupakan jalan masuknya cahaya ke dalam mata. Pupil dikelilingi oleh iris, yang merupakan bagian berwarna pada mata yang terletak di belakang kornea.
Jumlah cahaya yang masuk ke dalam mata diatur oleh iris. Besar dan kecilnya iris dan pupil akan beradaptasi bergantung pada jumlah cahaya yang masuk ke dalam mata. Jika cahaya terlalu banyak maka pupil akan mengecil, sebaliknya, jika cahaya kurang maka pupil akan membesar.
Lensa Mata
Setelah melewati pupil, cahaya bergerak merambat menuju ke lensa. Lensa mata berbentuk bikonvex (cembung depan-belakang), seperti lensa pada kaca pembesar. Lensa mata bersifat fleksibel. Otot siliar yang ada dalam mata akan membantu mengubah kecembungan lensa mata.
Ketika kita melihat benda yang berada pada jarak jauh, otot siliaris akan mengalami relaksasi. Hal tersebut menyebabkan lensa mata menjadi lebih datar atau mata melihat tanpa berakomodasi. Sehingga kita dapat melihat benda jauh dengan fokus.
Sebaliknya, ketika melihat benda yang berada pada jarak dekat, otot siliaris akan mengalami kontraksi. Hal ini akan menyebabkan lensa mata menjadi lebih cembung. Pada kondisi ini mata dikatakan berakomodasi maksimum dan mampu melihat benda dekat dengan baik.
Retina
Cahaya yang melewati lensa selanjutnya akan membentuk bayangan yang kemudian ditangkap oleh retina. Retina merupakan sel yang sensitif terhadap cahaya matahari atau saraf penerima rangsang sinar (fotoreseptor) yang terletak pada bagian belakang mata.
Ketika sel kerucut menyerap cahaya, maka akan terjadi reaksi kimia. Reaksi kimia ini akan menghasilkan impuls saraf yang kemudian ditransmisikan ke otak oleh saraf mata.
Gangguan pada Indra Penglihat
Berikut adalah beberapa gangguan yang biasa terjadi pada mata:
- Rabun Dekat (Hipermetropi) yakni gangguan mata yang menyebabkan penderita rabun dekat dan berdampak tidak dapat melihat benda yang berada pada jarak dekat (± 30 cm) dengan jelas.
- Rabun Jauh (Miopi) yakni gangguan mata yang menyebabkan penderitanya rabun jauh, yang berdampak tidak dapat melihat benda yang berada pada jarak jauh (tak hingga) dengan jelas.
- Buta Warna merupakan merupakan suatu kelainan pada mata yang disebabkan ketidakmampuan sel-sel kerucut mata untuk menangkap suatu warna tertentu. Penyakit ini bersifat menurun. Buta warna ada yang buta warna total tetapi kebanyakan buta warna sebagian atau terkadang disebut dengan color deficiency.
- Presbiopi atau disebut juga rabun jauh dan dekat atau rabun tua, adalah kelainan mata yang biasanya diderita oleh orang yang sudah tua. Kelainan jenis ini membuat si penderita tidak mampu melihat dengan jelas benda-benda yang berada di jarak jauh maupun benda yang berada pada jarak dekat. Hal tersebut diakibatkan oleh berkurangnya daya akomodasi mata (pengaruh umur).
- Astigmatisma atau dikenal dengan istilah silinder adalah sebuah gangguan pada mata karena penyimpangan dalam pembentukan bayangan pada lensa. Hal ini disebabkan oleh cacat lensa yang tidak dapat memberikan gambaran atau bayangan garis vertikal dengan horizontal secara bersamaan. Penglihatan si penderita menjadi kabur
Indra Penglihatan Serangga
Tentunya selain manusia, hewan juga memilikinya dan organ serta bentuknya sangatlah beragam. Salah satu bentuk pengelihatan hewan yang paling unik terdapat pada serangga.
Mata serangga disebut juga mata majemuk atau mata faset yang terdiri atas beberapa omatidia. Omatidia berfungsi sebagai reseptor penglihatan yang terpisah. Gabungan seluruh respons dari omatidia merupakan bayangan mosaik.
Setiap omatidium terdiri atas beberapa bagian, di antaranya berikut ini.
- Lensa, permukaan depan lensa merupakan satu faset mata majemuk.
- Kerucut kristalin, yang tembus cahaya.
- Sel-sel penglihatan, yang peka terhadap adanya cahaya.
- Sel-sel yang mengandung pigmen, yang memisahkan omatidia dari omatidia di sekelilingnya.
Sebagai contoh, mata lalat rumah terdiri atas 6.000 bentuk mata yang ditata dalam segi enam (omatidium). Setiap omatidium dihadapkan ke arah yang berbeda-beda, seperti ke depan, belakang, bawah, atas, dan ke setiap sisi, sehingga lalat dapat melihat ke mana-mana.
Alat Optik
Para ilmuwan berusaha mengembangkan peralatan yang diperlukan untuk kepentingan manusia dengan meniru rancangan mata lalat yang luar biasa. Misalnya, para ilmuwan mengembangkan alat detektor gerakan berkecepatan tinggi dan kamera sangat tipis yang
dapat membidik ke banyak arah.
Salah satu bidang yang memanfaatkan kamera tersebut adalah bidang medis, untuk memeriksa bagian dalam lambung. Lalu alat optik apalagi yang selama ini telah dikembangkan oleh manusia? berikut adalah pemaparannya.
Kamera
Pada saat kita mengambil gambar suatu benda dengan kamera, cahaya dipantulkan dari benda tersebut dan masuk ke lensa kamera. Kamera memiliki diafragma dan pengatur cahaya (shutter) untuk mengatur jumlah cahaya yang masuk ke dalam lensa.
Dengan jumlah cahaya yang tepat akan diperoleh foto atau gambar yang jelas. Sementara itu, untuk memperoleh foto yang tajam dan tidak kabur perlu mengatur fokus lensa. Cahaya yang melalui lensa kamera tersebut memfokuskan bayangan benda pada film foto.
Kaca Pembesar (Lup)
Kaca pembesar adalah lensa yang memungkinkan kita untuk menempatkan objek lebih
dekat ke mata kita sehingga objek tampak terlihat dari sudut yang lebih besar. Intinya alat ini memperbesar bagian yang disoroti lensanya, sehingga dapat membantu kita untuk mengamati detail dari benda-benda kecil.
Mikroskop
Mikroskop boleh dikatakan kaca pembesar yang jauh lebih canggih. Mengapa? karena mikroskop dapat melihat sel dan microorganisme yang ukurannya sangat kecil (mikroskopis).
Mikroskop memiliki dua lensa utama, yaitu lensa okuler dan lensa objektif.
- Lensa okuler adalah lensa yang posisinya dekat dengan mata pengamat.
- Lensa objektif adalah lensa yang posisinya dekat dengan objek/benda
yang sedang diamati.
Baik lensa okuler maupun lensa objektif merupakan lensa cembung yang memiliki fokus yang berbeda. Benda yang diamati ditempatkan pada sebuah kaca objek dan disinari dari bawah.
Cahaya melalui lensa objektif dan membentuk bayangan nyata dan diperbesar. Bayangan itu
diperbesar, sebab benda itu terletak di antara satu dan dua jarak fokus lensa objektif.
Selanjutnya, bayangan nyata diperbesar lagi oleh lensa okuler untuk menghasilkan bayangan maya dan diperbesar. Susunan lensa seperti ini memungkinkan menghasilkan bayangan ratusan kali lebih besar dari objek aslinya.
Teleskop
Teleskop adalah alat optik yang dirancang untuk mengumpulkan cahaya dari benda-benda yang jauh. Artinya, kita dapat melihat dengan jelas objek-objek yang jaraknya jauh yang tidak teramati oleh pengelihatan manusia. Teleskop dapat berupa teleskop bias dan teleskop pantul.
Teleskop Bias
Teleskop bias yang sederhana merupakan kombinasi antara dua lensa cembung yang terletak pada bagian pipa. Lensa yang lebih besar adalah lensa objektif, sedangkan yang lebih kecil adalah lensa okuler (lensa mata).
Lensa objektif membentuk sebuah bayangan lalu diperbesar oleh lensa okuler. Lensa objektif pada teleskop bias memiliki diameter yang lebih besar daripada diameter mata kita saat membuka. Hal itu berarti akan lebih banyak cahaya yang dipantulkan oleh objek yang dapat masuk ke dalam lensa yang kemudian akan masuk ke dalam mata.
Dengan demikian, bayangan yang terbentuk oleh lensa objektif akan lebih jelas daripada bayangan yang terbentuk oleh mata, karena bayangan yang terbentuk sangat jelas, maka objek yang terlihat juga menjadi lebih detail.
Teleskop Pantul
Lensa objektif yang terdapat pada teleskop pantul digantikan oleh cermin cekung. Bayangan dari sebuah objek yang letaknya jauh terbentuk di dalam tabung teleskop ketika cahaya dipantulkan dari cermin cekung.
Cahaya yang dipantulkan objek yang jauh memasuki salah satu ujung tabung dan ditangkap oleh cermin lain pada ujung yang lain. Cahaya ini dipantulkan dari cermin cekung ke cermin datar yang ada di dalam tabung. Cermin datar kemudian memantulkan cahaya ke lensa okuler, yang berfungsi memperbesar gambar.
Referensi
- Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan. (2017). Ilmu Pengetahuan Alam SMP/MTs Kelas VIII. Jakarta: Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan.