Cahaya merambat lurus: bayangan

Dalam gerhana Matahari total, pusat gelap bayangan Bulan sering menutupi jalur selebar kurang dari 50 mil, sedangkan bayangan sebagiannya membentang seribu mil atau lebih.

Sinar: model sederhana cahaya

Sinar matahari yang masuk melalui celah tirai membentuk berkas bertepi lurus, dan berkas senter dalam kabut berbentuk kerucut lurus. Dalam bahan yang seragam di seluruh bagiannya, cahaya merambat lurus. Optika memanfaatkan hal ini untuk menggambarkan cahaya sebagai sinar: garis lurus dengan panah yang menunjukkan arah rambat cahaya. OpenStax menyebut cabang ini optika geometris. Model sinar bekerja dengan baik selama benda yang ditemui cahaya jauh lebih besar daripada panjang gelombangnya, yang untuk cahaya tampak kurang dari satu mikrometer. Cermin, lensa, kamera, dan bayangan semuanya memenuhi syarat ini.

Kita melihat lampu karena sinarnya masuk ke mata. Kita melihat buku karena sinar dari lampu mengenai buku dan dipantulkan ke segala arah, dan sebagian sinar itu mencapai kita. Mata dan otak lalu menganggap cahaya datang melalui garis lurus, dan menempatkan benda di sepanjang perpanjangan garis itu. Biasanya anggapan ini benar. Ketika keliru, misalnya saat cahaya dibelokkan di permukaan air, kita melihat benda di tempat yang bukan posisi sebenarnya. Hal ini akan dibahas dalam pelajaran berikutnya.

Lubang kecil dan gambar terbalik

Kotak dengan lubang kecil di satu sisi dan layar di sisi lainnya menghasilkan gambar tanpa lensa. Sinar dari puncak pohon hanya dapat mencapai layar dengan melewati lubang, sehingga jatuh di dekat bagian bawah layar; sinar dari pangkal pohon jatuh di dekat bagian atas. Gambar menjadi terbalik. Ukurannya mengikuti kesebangunan segitiga: tinggi bayangan ÷ tinggi benda = kedalaman kotak ÷ jarak benda. Pohon setinggi 10 m pada jarak 20 m, dilihat dengan kotak sedalam 10 cm, menghasilkan bayangan setinggi 10 × 0.1 ÷ 20 = 0.05 m, atau 5 cm. Ruangan gelap dengan lubang kecil, yang disebut kamera obscura, digunakan oleh ilmuwan seperti Kamal al-Din al-Farisi dalam kajiannya tentang cahaya pada awal tahun 1300-an, seperti dijelaskan OpenStax.

Bayangan tajam dan bayangan kabur

Bayangan adalah daerah di belakang benda tidak tembus cahaya yang tidak dapat dijangkau cahaya melalui garis lurus. Dengan sumber cahaya yang sangat kecil, yaitu sumber titik, setiap tempat sepenuhnya terang atau sepenuhnya gelap, dan tepi bayangan tajam. Ukurannya juga mengikuti kesebangunan segitiga. Bola berdiameter 4 cm yang berjarak 20 cm dari lampu titik menghasilkan bayangan selebar 4 × 50 ÷ 20 = 10 cm pada layar yang berjarak 50 cm dari lampu. Geser bola mendekati lampu dan bayangan membesar; geser mendekati layar dan bayangan mengecil mendekati ukuran bola.

Kebanyakan sumber cahaya nyata bukan berupa titik. Dengan lampu yang memiliki ukuran, beberapa tempat pada layar terhalang dari seluruh lampu dan tempat lain hanya dari sebagian lampu. Pusat yang sepenuhnya gelap disebut umbra, dikelilingi cincin yang lebih terang, penumbra, tempat sebagian lampu masih terlihat. Garis lurus dari tepi lampu melewati tepi benda menandai batas-batasnya. Semakin besar lampu dan semakin jauh layar, semakin lebar penumbra dan semakin kecil umbra; jika lampu cukup besar, umbra hilang sama sekali dan seluruh tepi bayangan menjadi kabur.

Gerhana: bayangan di ruang angkasa

Matahari merupakan sumber besar, sehingga Bulan dan Bumi menghasilkan bayangan dengan umbra maupun penumbra. NASA menjelaskan bahwa saat gerhana Matahari, pengamat di dalam umbra kecil melihat Matahari tertutup seluruhnya, yaitu gerhana total, sedangkan pengamat di penumbra yang jauh lebih besar hanya melihat sebagian Matahari tertutup. Semakin jauh bayangan memanjang dari Bulan, semakin sempit umbranya, sehingga saat mencapai Bumi hanya menutupi daerah kecil: NASA menyebut lebar jalur umbra biasanya kurang dari 50 mil, dibandingkan penumbra yang lebarnya seribu mil atau lebih. Pada gerhana Bulan, justru Bulan masuk ke dalam bayangan Bumi. Sebagian sinar matahari yang dibiaskan melalui atmosfer Bumi masih mencapainya, terutama cahaya merah, sehingga Bulan yang mengalami gerhana tampak kemerahan.