2. Cahaya Dan Optik

CAHAYA DAN OPTIK

MODUL FISIKA REKAYASA II TEKNIK FISIKA ITS

DISUSUN: AULIA SITI AISJAH [email protected] [email protected]

1 | Fisika Reayasa II – seri Cahaya dan Optik

Daftar Notasi

A = amplitudo gelombang (m) A = luas penampang batang (m2) B = Modulus Bulk (N/m 2). c = kecepatan cahaya = 3 x 10 8 m/s d = jarak antara dua celah (m) E = medan listrik (N/C) F = tegangan pada dawai (N) f = frekuensi gelombang (Hz) f n = frekuensi nada ke-n (Hz) f S = frekuensi bunyi yang dipancarkan sumber (Hz) f P = frekuensi bunyi yang diterima pendengar (Hz) I = Intensitas bunyi (W/m2 ) –12 W/m2) I0 = Intensitas minimum yang bisa didengar oleh pendengar manusia (10 –12 L = panjang tali (m) l = panjang batang (m) l = perubahan panjang batang (m) m = massa (kg) t = waktu (sekon) T = periode gelombang (sekon) TI = Taraf Intensitas (dB) TC = suhu gas (c). R = tetapan gas = 8,31 x 103 J.mol-1 K-1 v = cepat rambat gelombang (m/s) vS = kecepatan sumber bunyi (m/s). vP = kecepatan pendengar (m/s) Y = modulus Young (N/m 2). y = simpangan gelombang (m) vP = kecepatan pendengar (m/s), dan vS = kecepatan sumber bunyi (m/s). Alphabet Greek

Alpha Beta Gamma Delta Epsilon Zeta Theta Iota

A B











E Z







I








Daftar Notasi

A = amplitudo gelombang (m) A = luas penampang batang (m2) B = Modulus Bulk (N/m 2). c = kecepatan cahaya = 3 x 10 8 m/s d = jarak antara dua celah (m) E = medan listrik (N/C) F = tegangan pada dawai (N) f = frekuensi gelombang (Hz) f n = frekuensi nada ke-n (Hz) f S = frekuensi bunyi yang dipancarkan sumber (Hz) f P = frekuensi bunyi yang diterima pendengar (Hz) I = Intensitas bunyi (W/m2 ) –12 W/m2) I0 = Intensitas minimum yang bisa didengar oleh pendengar manusia (10 –12 L = panjang tali (m) l = panjang batang (m) l = perubahan panjang batang (m) m = massa (kg) t = waktu (sekon) T = periode gelombang (sekon) TI = Taraf Intensitas (dB) TC = suhu gas (c). R = tetapan gas = 8,31 x 103 J.mol-1 K-1 v = cepat rambat gelombang (m/s) vS = kecepatan sumber bunyi (m/s). vP = kecepatan pendengar (m/s) Y = modulus Young (N/m 2). y = simpangan gelombang (m) vP = kecepatan pendengar (m/s), dan vS = kecepatan sumber bunyi (m/s). Alphabet Greek

Alpha Beta Gamma Delta Epsilon Zeta Theta Iota

A B











E Z







I








Kappa Lamda Mu Nu Xi Omicron Rho Sigma Tau Upsilon Phi Chi Psi Omega

K











N



















T U

 

















  panjang gelombang (m)   massa tiap satuan panjang tali (kg/m)   peremeabilitas ruang hampa = 4  x 10-7 T.m/A

= fase gelombang  = 22/7  = sudut (o) i = sudut datang = sudut pantul r =  = perbandingan panas jenis gas pada tekanan tetap terhadap panas jenis gas pada volume tetap.  = rapat massa (kg/m3)  = frekuensi sudut (rad /sekon) 


3.

GELOMBANG CAHAYA DAN APLIKASINYA

Setelah mempelajari materi ini:

Anda mampu mendeskripsikan gejala dan ciri-ciri gelombang cahaya. Indikator Hasil Hasil Belajar, Anda Anda akan mampu mampu

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Menjelaskan konsep gelombang elektromagentik Mendeskripsikan gejala dan ciri gelombang cahaya Menjelaskan pengertian pemantulan cahaya Menjelaskan pengertian pembiasan cahaya Menjelaskan peristiwa dispersi cahaya dengan prisma Menjelaskan percobaan interferensi celah ganda, interferensi celah tunggal, dan difraksi untuk menghitung besarnya panjang gelombang elektromagnetik yang melewati celah. Menjelaskan pengertian interferensi cahaya . Menjelaskan pengertian Polarisasi Menjelaskan syarat terjadinya gelombang yang terpolarisasi. Membedakan cahaya yang terpolarisasi dan cahaya yang tidak terpolarisasi.

3.1Gelombang 3.1 Gelombang Cahaya

Setiap hari manusia merasakan radiasi sinar matahari. Siang hari tampak terang dan panas, pakaian basah menjadi basah. Panas tersebut yang mampu mengeringkan pakaian, merupakan bentuk energi. Bagaimana cahaya matahari bisa sampai di permukaan bumi? Apakah cahaya tersebut merambat seperti gelombang yang lain? Sedangkan media diantara matahari sampai ke bumi ada ruang hampa. Kalau demikian termasuk jenis apakah gelombang cahaya ini? Apa perbedaannya dengan kejadian ini? Pada musim hujan, Anda mengamati pelangi. Apa yang Anda ketahui tentang pelangi? Mengapa pelangi pela ngi terjadi pada saat gerimis atau setelah hujan turun dan matahari tetap bersinar? Apakah cahaya merupakan suatu gelombang? Terhadap permasalahan-permasalahan tersebut, kita sering berpikir bahwa pelangi adalah warna-warni cahaya yang nampak indah. Pelangi muncul pada saat musim hujan karena pelangi hanya dihasilkan oleh air hujan. Untuk menjawab pertanyaan di atas, maka pelajari materi ini sampai tuntas. 3.1.1 Gelombang Elektromagnetik

Berbagai gelombang yang berada di sekitar kita, ada gelombang radio, gelombang TV, cahaya. Tetapi kita tidak bisa dengan kasat mata melihatnya. Apa perbedaan di antara berbagai gelombang tersebut? Berbagi warna cahaya seperti warna pelangi, yang dapat kita lihat di saat musim hujan. Sedangkan gelombang yang lain kita tidak bisa melihatnya. 4 | Fisika Reayasa II – seri Cahaya dan Optik

Gambar 3-1 (a) Spektrum Gelombang Elektromagnetik, (b) fekuensi dan panjang gelombang dari gelombang elektromagnetik

Berbagai jenis gelombang yang disebutkan di atas termasuk gelombang elektromagnetik, yaitu gelombang yang tidak membutuhkan media perantara. Spektrum gelombang elektromagnetik diurutkan mulai panjang gelombang paling pendek sampai paling panjang adalah sebagai berikut:  Sinar gamma (γ)  Sinar (rontgen)  Sinar ultra violet (UV)  Sinar tampak (cahaya tampak)  Sinar infra merah (IR)  Gelombang radar (gelombang mikro)  Gelombang televisi  Gelombang radio Spektrum gelombang elektromagnetik ditunjukkan pada Gambar 2-10 di atas. Gelombang elektromagnetik, dibuktikan pada Percobaan yang dilakukan oleh Hans Christian Oersted (1777 - 1851), dan ilmuwan Prancis Andre Marie Ampere (1775 - 1836), serta dilanjutkan oleh ilmuwan Skotlandia, James Clerk Maxwell (1831 - 1879), menyatakan bahwa medan listrik dan medan magnet berhubungan erat. Maxwell menyadari bahwa jika suatu arus listrik dialirkan maju-mundur, arus itu dapat menimbulkan gelombang elektromagnetik yang berubah-ubah yang memancar keluar dengan kecepatan yang sangat tinggi. Perhitungan-perhitungannya menunjukkan bahwa gelombang elektromagnetik itu memancar pada kecepatan cahaya. Berdasarkan hal ini, Maxwell menyimpulkan bahwa cahaya itu sendiri adalah bentuk gelombang elektromagnetik.


Medan listrik dan medan magnetik selalu saling tegak lurus, dan keduanya tegak lurus terhadap arah perambatan gelombang. Jadi, gelombang elektromagnetik merupakan gelombang transversal. Cepat rambat gelombang elektromagnetik tergantung pada permeabilitas di ruang hampa ( µ0 ) dan permitivitas di ruang hampa ( ε 0 ) sesuai dengan hubungan:

 =  

(3-1)

Permeabilitas ruang hampa diketahui sebesar 4 x 10-7 Wb/A.m dan permitivitas ruang hampa adalah 8,85 × 10-12 C/Nm2, sehingga diperoleh nilai c = 3 × 108 m/s. Di dalam medium, cepat rambat gelombang elektromagnetik dalam medium bergantung pada permeabilitas (µ) dan permitivitas (ε) medium sesuai hubungan

 √ 

v=

(3-2)

yang sama seperti c persamaan (3-1) dengan tanpa indeks pada µ dan ε . Nilai permeabilitas dan permisivitas di udara hampir sama dengan di ruang hampa. Karena itu kecepatan gelombang elektromagnetik di udara dalam banyak hal dianggap sama dengan c, yaitu kecepatan di ruang hampa. Nilai permeabilitas dan permisivitas di bahan-bahan lainya selalu lebih besar daripada ruang hampa atau udara. Karena itu, cepat rambat gelombang elektromagnet di dalam medium selalu kurang dari c. Perbandingan kecepatan GEM (Gelombang Elektro Magnetik ) di ruang hampa (c) terhadap kecepatan GEM di medium (v) menyatakan indeks bias medium (n = c/v) Gelombang Radio

Gelombang radio terdiri atas osilasi (getaran) cepat pada medan elektrik dan magnetik. Berdasarkan lebar frekuensinya, gelombang radio dibedakan menjadi Low Frequency (LF), Medium Frequency (MF), High Frequency (HF), Very High Frequency (VHF), Ultra High Frequency (UHF), dan Super High Frequency (SHF). Perhatikan Tabel berikut ini. Lebar frekuensi

Panjang Gelombang

Penggunaan

Low (LF)

Low wave 1.500 m

Radio gelombang panjang dan komunikasi jarak jauh

Medium (MF) 300 kHz – 3 MHz

Madium wave 300 m

Gelombang medium lokal dan radio jarak jauh

High (HF) 3 MHz – 30 MHz

Short wave 30 m

Radio Gelombang pendek dan komunikasi, radio amatir dan CB

Very High (VHF) 30 MHz – 300 MHz

Very short wave 3 m

Radio FM, komunikasi pertahanan dan keamanan, pelayanan darurat

Ultra High (UHF) 300 MHz – 3 GHz

Ultra short wave 30 cm

Televisi

Super High (SHF) diatas 3 GHz

Microwave

Radar, komunikasi satelit, telepon dan saluran televisi


Gelombang radio MF dan HF dapat mencapai tempat yang jauh di permukaan bumi karena gelombang ini dapat dipantulkan oleh lapisan ionosfer. Gelombang LF diserap oleh ionosfer, sedang gelombang VHF dan UHF menembus ionosfer, sehingga dapat digunakan untuk komunikasi dengan satelit. Gelombang Mikro

Gelombang mikro merupakan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang dalam selang antara 10-3 dan 0,03 m. Gelombang mikro dihasilkan oleh peralatan elektronik khusus, misalnya dalam tabung Klystron. Gelombang ini dimanfaatkan dalam alat microwave , sistem komunikasi radar, dan analisis struktur molekul dan atomik. Sinar Inframerah

Radiasi inframerah merupakan radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang lebih panjang daripada panjang gelombang cahaya merah, namun lebih pendek daripada panjang gelombang radio. Dengan kata lain radiasi pada selang panjang gelombang 0,7  hingga 1 mm. Sinar inframerah dapat dimanfaatkan dalam fotografi inframerah untuk keperluan pemetaan sumber alam dan diagnosis penyakit. Cahaya Tampak

Cahaya tampak merupakan radiasi gelombang elektromagnetik yang dapat dideteksi oleh mata manusia. Cahaya tampak memiliki kisaran panjang gelombang antara 4 × 10-7 m hingga 7 × 10-7 m. Sinar Ultraviolet (1015 Hz - 10 16 Hz)

Gelombang ultraviolet mempunyai panjang gelombang yang pendek. Matahari merupakan pemancar radiasi ultraviolet yang kuat, dan membawa lebih banyak energi daripada gelombang cahaya yang lain. Karena inilah gelombang ultraviolet itu dapat masuk dan membakar kulit. Kulit manusia sensitif terhadap sinar ultraviolet matahari. Meskipun begitu, atmosfer bumi dapat menghambat sebagian sinar ultraviolet yang merugikan itu. Terbakar sinar matahari juga merupakan risiko yang dapat menimbulkan kanker kulit. Sinar X (1016 Hz – 1020 Hz)

Sinar-X merupakan radiasi elekromagnetik yang dihasilkan dari penembakan atom-atom dengan partikelpartikel yang memiliki energi kuantum tinggi. Panjang gelombang sinar-X berkisar antara 10-11 m hingga 10-9 m. Sinar-X dihasilkan oleh elektron-elektron yang berada di bagian dalam kulit elektron atom, atau pancaran yang terjadi karena elektron dengan kelajuan besar menumbuk logam. Sinar-X dapat melintas melalui banyak materi sehingga digunakan dalam bidang medis dan industri untuk menelaah struktur bagian dalam. Sinar-X dapat dideteksi oleh film fotografik, karena itu digunakan untuk menghasilkan gambar benda yang biasanya tidak dapat dilihat, misalnya patah tulang. Sinar Gamma (1020 Hz – 1025 Hz)

Sinar atau gelombang gamma, yang merupakan bentuk radioaktif yang dikeluarkan oleh inti-inti atom tertentu, mempunyai panjang gelombang yang sangat pendek. Sinar ini membawa energi dalam jumlah besar dan dapat menembus logam dan beton. Sinar ini sangat berbahaya dan dapat membunuh sel hidup, terutama sinar gamma tingkat tinggi yang dilepaskan oleh reaksi nuklir, seperti ledakan bom nuklir. Contoh Soal 3.1.1

a. Perhatikan gambar 2-10 b. Cahaya tampak mempunyai panjang gelombang 400 nm – 700 nm. Tentukan frekuennsi dari cahaya tampak tersebut. Jawab 7 | Fisika Reayasa II – seri Cahaya dan Optik

Berdasarkan persamaan (1-9)

=



Disini v = c, sehingga f =  . Saat λ = 380 nm, f = 380.109  . Saat λ = 780 nm, f = 780.109 

=7,895.10  =3,846.10 

b. Gelombang elektromagnetik diketahui mempunyai frekuensi 9. 1017 Hz, berapakah panjang gelombangnya dan termasuk dalam spektrum apa, gelombang tersebut. Jawab

Berdasarkan persamaan (1-9)

= 8  3.10    =  =  =  1 =3,3333.10 − = 0,3333 .10−=0,3333  9.10  

Dengan panjang gelombang λ = 0,3333 nm, gelombang ini termasuk dalam gelombang Ultraviolet.

Ringkasan 3.1.1

1. 2. 3. 4.

5.

Gelombang elektromagnetik tidak membutuhkan medium dalam merambat. Dari sifat inilah dapat dijelaskan mengapa gelombang elektromagnetik dapat merambat dalam suatu medium maupun ruang hampa. Spektrum gelombang elektromagnetik mulai dari gelombang radio sampai dengan sinar Gammma. Kecepatan perambatan dari gelombang elektromagnetik sama dengan kecepatan cahaya yaitu 3.108 m/s. Kecepatan perambatan pada medium tergantung pada mediumnya. Gelombang elektromagnetik termasuk gelombang tranversal. Seperti halnya gelombang tranversal lainnya, maka gelombang elektromagnetik akan memiliki sifat-sifat sebagai berikut. a. dapat mengalami pemantulan (refleksi ) b. dapat mengalami pembiasan (refraksi ) c. dapat mengalami interferensi (gabungan atau superposisi) d. dapat mengalami difraksi (pelenturan) e. dapat mengalami polarisasi Gelombang elektromagnetik tidak dibelokkan oleh medan listrik maupun medan magnet. Sifat ini juga dapat membuktikan bahwa gelombang elektromagnetik tidak bermassa dan tidak bermuatan karena medan magnet dan medan listrik hanya mempengaruhi partikel yang bermuatan.

Soal Latihan 3.1.1

1. Yang termasuk sifat gelombang elektromagnetik adalah … . a. perambatannya tidak memerlukan medium b. dapat mengalami interferensi dan difraksi c. dapat mengalami difraksi, tetapi tidak dapat dipolarisasikan d. dapat mengalami polarisasi, tetapi tidak dapat berinterferensi 8 | Fisika Reayasa II – seri Cahaya dan Optik

e. perambatannya memerlukan medium 1. Gelombang mikro memiliki frekuensi 900 MHz dipancarkan dari sebuah radar. Berapakah panjang gelombang mikro tersebut? a. 0,35 m b. 0,34 m c. 0,33 m d. 0,32 m 2. Semua bentuk gelombang elektromagnetik akan mempunyai kesamaan dalam hal … . a. panjang gelombang b. frekuensi c. fase d. amplitudo e. kelajuan dalam udara/vakum 3. Pernyataan-pernyataan berikut ini benar tentang gelombang elektromagnetik, kecuali … . a. gelombang transversal b. dapat dibiaskan c. gelombang longitudinal d. dapat dipolarisasikan e. dapat dipantulkan 4. Gelombang elektromagnetik di bawah ini yang mempunyai panjang gelombang paling besar adalah …. a. gelombang radio b. sinar ultraviolet c. sinar-X d. sinar inframerah e. sinar gamma 5. Gelombang elektromagnetik berikut ini, sering digunakan untuk keperluan sistem komunikasi a. Sonar b. Radar c. Sinar X d. sinar Gamma Asesmen 3.1.1

1. Cahaya putih (monokromatis) melalui sebuah celah kecil dan membentuk pola pelangi pada layar dibelakan celah tersebut. Pada pernyataan berikut mana yang benar a. Cahaya merah berada disebalah kanan dan cahaya ungu disebelah kiri b. Cahaya merah berada disebelah kiri dan cahaya ungu di sebelah kanan c. Cahaya merah berada di pusat layar, dan cahaya ungu jauh dari layar. d. Cahaya merah berada pada posisi terjauh dari pusat layar, dan cahaya biru paling dekat dengan pusat layar. 9 | Fisika Reayasa II – seri Cahaya dan Optik

2. Frekuensi dari Gelombang elektromagnetik berikut ini paling dekat dengan frekuensi sinar Gamma. a. Gelombang ultraviolet b. Gelombang Radio c. Sinar X d. Gelombang TV 3. Mana pernyataan berikut yang benar a. Panjang Gelombang radio lebih besar dibandingkan dengan panjang gelombang TV b. Panjang gelombang radio lebih kecil dari panjang gelombang TV c. Panjang gelombang radio lebih kecil sama dengan panjang gelombang TV d. Panjang gelombang radio lebih berbanding terbalik dengan panjang gelombang TV 4. Mana pernyataan berikut yang salah a. Cahaya tampak berada pada panjang gelombang 380 nm – 780 nm b. Frekuensi gelombang elektromagnetik 5.1016 Hz termasuk pada cahaya tampak. c. Cahaya tampak mampu menembus pelat baja d. Frekuensi gelombang elektromagnetik 10.1016 Hz termasuk pada cahaya tampak. 5.

Urutan spektrum gelombang elektromagnetik dari frekuensi besar ke frekuensi kecil adalah … . a. radar, ultraviolet, dan sinar-X b. sinar gamma, sinar-X, dan ultraviolet c. inframerah, radar, dan cahaya tampak d. cahaya tampak, ultraviolet, dan inframerah e. gelombang radio, inframerah, dan ultraviolet

6.

Energi gelombang elektromagnetik adalah berbanding lurus terhadap frekuensinya. Maka dari pancaran gelombang elektromagnetik di bawah ini yang paling besar energinya adalah … . a. sinar merah b. sinar-X c. sinar ungu d. gelombang radio e. sinar gamma 3.1.2 Gejala dan Ciri Gelombang Cahaya

Mengapa Anda dapat melihat benda-benda dengan jelas? Ternyata jawabnya bukan hanya mata kita dalam keadaan normal saja tetapi adanya cahaya merupakan faktor yang utama. Contohnya malam hari dan tidak ada lampu sama sekali, maka akan terlihat adanya kegelapan. Berarti cahaya banyak membantu kita dalam melihat benda-benda. Sebuah benda dapat terlihat karena ada cahaya yang di pantulkan oleh benda tersebut. Di bawah sinar matahari sebuah bunga merah dapat terlihat karena bunga tersebut memantulkan cahaya merah dan menyerap warna yang lain. Pernahkan Anda melihat pelangi? Cahaya yang berwarna warni dalam seperti seutas tali yang terdiri dari pilinan warna merah jingga kuning hujau biru nila dan ungu dan disingkat dengan mejikuhibiniu. Istilah


ini sering kita dengar. Perhatikan gambar di bawah ini. Suatu pita nyata yang indah warnanya. Kejadian ini sering kita temui saat musim hujan.

Gambar 3-2 Pelangi

Ini merupakan suatu kejadian yang terkait dengan cahaya matahari saat mengenai butir – butir uap air. Kita bisa memperoleh cahaya pelangi seperti kita temui di langit itu dengan berbagai percobaan, diantaranya kita gunakan sebuah sumber cahaya putih dan dilewatkan pada sebuah celah kecil. Kita letakkan layar dibelakan celah tersebut, maka akan terlihat pola cahaya pelangi. Demikian pula dapat kita lakukan dengan memancarkan sebuah lampu pijar pada sebuah prisma, maka hasil dari prisma tersebut, cahaya dari lampu pijar akan dipendarkan dalam bentuk cahaya pelangi. Untuk memahami hal tersebut, pelajari sub pokok bahasan ini. Cahaya tampak memiliki rentang yang pendek yaitu dengan panjang gelombang 10-6 cm - 10-7 cm atau frekuensi 3 x 1014 Hz - 1015 Hz. Sesuai dengan spektrum yang ada, cahaya tampak ada tujuh warna. Jika diurutkan dari frekuensi terbesar (panjang gelombang terkecil) adalah ungu, nilla, biru, hijau, kuning, jingga dan merah. Darimanakah sumber cahaya? Yang telah diuraikan di atas, sumber cahaya adalah matahari. Apakah semua cahaya yang kita rasakan setiap hari bersumber dari matahari? Saat malam penerangan oleh PLN menyebabkan kita dapat beraktivitas di malam hari. Ada dua tipe dasar dari sumber cahaya. Yaitu bersumber dari getaran getaran atom keseluruhan. Ingat bahwa gelombang dihasilkan oleh suatu sumber yang bergetar. Demikian pula cahaya sebagai gelombang transversal bersumber dari getaran. Dan sumber cahaya yang lain adalah adanya pendaran / luminesense. Lampu pijar diproduksi ketika atom yang dipanaskan dan pelepasan beberapa getaran termal mereka sebagai radiasi elektromagnetik. Ini adalah jenis yang paling umum dari cahaya yang Anda lihat dari sinar matahari setiap hari, bola lampu biasa (bukan neon) dan kebakaran merupakan sumber cahaya pijar. Lampu pijar juga dikenal sebagai "radiasi benda hitam." Nama ini tampaknya 11 | Fisika Reayasa II – seri Cahaya dan Optik

kontradiksi-diri muncul dari sejarah fisika-ilmuwan mempelajari jenis emisi cahaya bahwa semua benda menyerap semua warna cahaya, atau dikatakan sebagai menjadi "tubuh hitam – black body". Tergantung pada seberapa panas bahan tersebut, foton dirilis memiliki energi yang berbeda, dan karena itu, warna yang berbeda. Ditemukan bahwa pada suhu rendah, bahan-bahan ini akan memancarkan radiasi pada panjang gelombang inframerah yang kita rasakan sebagai panas (kebakaran, misalnya, memancarkan sebagian besar energi mereka di inframerah). Karena suhu meningkat, radiasi semakin lebih energik yang dipancarkan, sehingga bahan-bahan ini akan menyala merah, kemudian oranye, kemudian kuning, dan akhirnya "putih-panas." Meskipun bahan yang ideal black body tidak ada dalam realitas. Inilah sebabnya mengapa api cenderung lebih merah daripada lampu halogen-filamen dalam lampu halogen dipanaskan ke suhu yang lebih tinggi dari kebakaran yang normal. Demikian juga, bintang-bintang terpanas muncul menjadi kebiruan-putih sambil dingin bintang seperti matahari kita lebih kekuningan dalam penampilan. Beberapa sumber lampu pijar adalah: matahari, api dan cahaya lampu.

Tidak seperti lampu pijar, cahaya berkilau terjadi pada suhu yang lebih rendah, karena itu diproduksi ketika elektron melepaskan sebagian energi untuk radiasi elektromagnetik, tidak sebuah atom keseluruhan. Ternyata bahwa elektron memiliki energi pada "tingkat energi” Tertentu. Jadi, ketika sebuah elektron melompat ke tingkat energi yang lebih rendah, itu akan melepaskan sejumlah energi tertentu yang menjadi foton, atau cahaya dari warna tertentu. Oleh karena itu, pendaran terus membutuhkan sesuatu untuk terus memberikan dorongan elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi untuk menjaga siklus terjadi. Meningkatkan ini dapat diberikan oleh berbagai sumber: arus listrik seperti pada lampu neon, lampu neon, merkuri uap lampu jalan, dioda memancarkan cahaya, televisi dan monitor komputer layar; reaksi kimia seperti pada tongkat cahaya Halloween atau radioaktivitas seperti dalam cat bercahaya. Cahaya sebagai gelombang dapat ditemukan pada beberapa kejadian berikut ini  Saat cahaya mengenai sebuah pelat logam, cahaya tersebut akan dipantulkan  Saat cahaya mengenai permukaan air, cahaya akan di biaskan oleh air  Saat cahaya dilewatkan sebuah celah sempit, maka cahaya akan dipendarkan dalam pola gelap dan terang.  Saat cahaya dilewatkan pada dua buah celah sempit, maka kedua cahaya dari dua celah tersebut akan berinterferensi menjadi pola gelap dan terang. Kejadian di atas merupakan ciri – ciri dari cahaya sebagai gelombang dan akan kita temui untuk berbagai kejadian yang lain. Coba dilakukan pengamatan di sekitar kita, adakah ciri gelombang cahaya yang lain? Dan lihat kembali beberapa video pada sub pokok bahasan 2.2.1 dan 2.2.2. Gelombang elektromagnetik adalah gelombang transversal yang terdiri dari osilasi medan listrik, medan magnetik, yang satu sama lain saling tegak lurus dan berubah secara periodik, seperti pada animasi di atas. Arah perambatan gelombang elektromagnetik dalam sumbu x positif, sedangkan sumbu y menunjukkan arah rambat medan listrik E , dan sumbu z merupakan arah perambatan medan magnet B. Berdasarkan persamaan Maxwell , diperoleh bahwa gelombang elektromagnetik adalah suatu gelombang sinusoida dengan medan listrik E dan medan magnet B berubah terhadap jarak x dan waktu t menurut persamaan: E = E m cos(kx – ω t )

(3-3)


B = Bm cos(kx – ω t ) (3-4) E m dan Bm adalah nilai maksimum amplitudo medan listrik dan medan magnetik. Konstanta k disebut bilangan gelombang (wave number ), yang nilainya setara dengan 2π / λ , dengan λ adalah panjang gelombang. Adapun  = 2f , dengan f adalah frekuensi getaran. Sehingga diperoleh:

 =  =  /

  =  (3-5)

Turunan parsial dari medan listrik E terhadap x berarti pada persamaan (3.3) t dianggap tetap, dan turunan parsial medan magnet B terhadap t, berarti pada persamaan (3.4) x dianggap tetap , sehingga:

 =  cos    =  [sin ]   =     

(3-6)

 =  cos    =  [ sin ]    =    

(3-7)

Persamaan gelombang elektromagnetik seperti persamaan (3.3) dan (3.4) harus memenuhi hubungan:

 =     Dari persamaan (3.6) dan (3.7), maka:  sin =   sin   =    =  =     Karena  =  dari persamaan (3.5)

Untuk setiap saat, nilai perbandingan antara amplitudo medan listrik dengan amplitudo medan magnet dari suatu gelombang elektromagnetik adalah sama dengan cepat rambat cahaya. Contoh Soal 3.1.2

1.

Suatu gelombang bidang elektromagnetik sinusoida dengan frekuensi 50 MHz berjalan di angkasa dalam arah sumbu x positif. Pada berbagai titik dan berbagai waktu, medan listrik E memiliki nilai maksimum 720 N/C dan merambat sepanjang sumbu y. Tentukan: panjang gelombang, Penyelesaian Diketahui

f = 50 MHz = 50 x 106 Hz = 5 x 10 7 Hz 13 | Fisika Reayasa II – seri Cahaya dan Optik

Em = 720 N/C c = 3 x 108 m/s Ditanya : λ Jawab:

c = λ/f maka λ = c/f

 3  10  = 5  10 = 6  2.

Suatu gelombang bidang elektromagnetik sinusoida dengan frekuensi 50 MHz berjalan di angkasa dalam arah sumbu x positif. Pada berbagai titik dan berbagai waktu, medan listrik E memiliki nilai maksimum 720 N/C dan merambat sepanjang sumbu y. Tentukan: besar dan arah medan magnetik B ketika E = 720 N/C! Diketahui

f = 50 MHz = 50 x 106 Hz = 5 x 10 7 Hz Em = 720 N/C c = 3 x 108 m/s Ditanya : B Jawab

 =  maka  =      = 3 72010 = 2,4  10−  Ringkasan 3.1.2

1. Gelombang elektromagnetik merambat dengan cepat rambat sama dengan cepat rambat cahaya yaitu 3 x 108 m/s. 2. Soal Latihan 3.1.2

1.

Sebuah cahaya senter dikenakan pada sebuah celah sempit. Yang menunjukkan bahwa cahaya sebagai gelombang pada percobaan tersebut: a. Terjadi perubahan panjang gelombang dari cahaya senter b. Terjadi perubahan frekuensi cahaya c. Terjadi pola gelap terang d. Terjadi pola warna pelangi

2. Sebuah cahaya laser dari pointer warna merah mengenai air yang ada dalam sebuah gelas.dari kejadian berikut ini yang salah a. Cahaya yang dibiaskan tetap berwarna merah b. Cahaya yang dibiaskan berwarna putih c. Cahaya bias dibelokkan d. Cahaya bias diteruskan


3.1.3 Refleksi / Pemantulan Cahaya

Pernahkah Anda mencoba memancarkan lampu senter atau pointer pada sebuah ujung meja yang kita dekatkan dengan sebuah tembok. Ternyata ada cahaya yang menabrak tembok. Mengapa hal ini bisa trjadi? Perhatikan Pada obyek pembelajaran 1 mengenai simulator Gelombang Transversal telah Anda buktikan bahwa gelombang tersebut dapat dipantulkan. Gelombang cahaya merupakan salah satu gelombang transversal, sehingga saat ada cahaya pada dinding merupakan hasil pemantulan cahaya. Pemantulan (refleksi) adalah peristiwa pengembalian seluruh atau sebagian dari suatu berkas partikel atau gelombang bila berkas tersebut bertemu dengan bidang batas antara dua medium. Suatu garis atau permukaan dalam medium dua atau tiga dimensi yang dilewati gelombang disebut muka gelombang . Muka gelombang ini merupakan tempat kedudukan titik-titik yang mengalami gangguan dengan fase yang sama, biasanya tegak lurus arah gelombang dan dapat mempunyai bentuk, misalnya muka gelombang melingkar dan muka gelombang lurus, seperti yang terlihat pada Gambar 2-12 a dan b. Pada jarak yang sangat jauh dari suatu sumber dalam medium yang seragam, muka gelombang ditunjukkan pada Gambar 2-13, merupakan bagian-bagian kecil dari bola dengan jari-jari yang sangat besar, sehingga dapat dianggap sebagai bidang datar. Misalnya, muka gelombang sinar matahari, yang tiba di Bumi merupakan bidang datar. Pada peristiwa pemantulan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2-13 a, berlaku suatu hukum yang berbunyi: a. sinar datang, sinar pantul, dan garis normal terhadap bidang batas pemantul pada titik jatuh, semuanya berada dalam satu bidang, b. sudut datang (1 ) sama dengan sudut pantul (1’). Hukum tersebut dinamakan “Hukum Pemantulan”. Ini merupakan Hukum Snellius, bahwa gelombang datang, gelombang pantul, dan garis normal berada pada satu bidang. . Atau secara umum dinyatakan bahwa: i =

r

(3-8)

Dengan i = sudut datang dan r = sudut pantul.


Gambar 3-3 Fenomena pemantulan cahaya

Gambar 3-4 Muka gelombang

Sinar datang

Sinar pantul

udara kaca

Sinar datang Sinar bias

Gambar 3-5 Fenomena pemantulan dan pembiasan cahaya


Contoh Soal 3.1.3

1.

Berkas cahaya monokromatik mengalami pemantulan dan pembiasan di titik A pada bidang batas antara medium I dengan indeks bias n1 = 1,33 dan medium II dengan indeks bias n2 = 1,77. Bila sinar datang membentuk sudut 50o terhadap bidang batas antara dua medium, berapa sudut pantul. Jawab

Besar sudut pantul sama dengan sudut datang. Sudut datang adalah sudut yang dibuat oleh sinar datang dengan garis normal pada bidang batas antara kedua medium, sedangkan sudut pantul adalah sudut yang dibuat antara sinar pantul dan garis normal. Maka besar sudut pantul = 40o.

Ringkasan 3.1.3 Pada peristiwa pemantulan gelombang berlaku Hukum Pemantulan Gelombang , yaitu sudut 1.

pantul sama dengan sudut datang.

2.

Soal Latihan 3.1.3

1.Manakah dari pernyataan berikut ini yang benar? a. Cahaya apabila mengenai air maka seluruhnya akan dipantulkan b. Cahaya apabila mengenai air maka seluruhnya akan dibiaskan c. Cahaya apabila mengenai air maka sebagian akan dipantulkan dan sebagian akan dibiaskan. d. Cahaya apabila mengenai permukaan air dengan sudut datang mendekati garis normal maka seluruhnya akan dibiaskan. Jawab D

3.1.4 Refraksi / Pembiasan Cahaya

Pernahkah dilakukan pengamatan terhadap sebuah benda yang diletakkan pada dasar kolam jernih. Bagaimanakah jarak benda yang ada di dasar kolam, apakah terlihat lebih dekat dengan mata kita atau lebih jauh ? Adanya perubahan jarak pengamatan dengan jarak sesungguhnya merupakan fenomena terjadinya perubahan panjang gelombang yang menyebabkan terjadinya pembelokan gelombang. Perhatikan gambar 2-12 di atas, apabila cahaya jatuh pada sebuah kaca maka ada sebagian yang dipantulkan dan ada sebagian yang dibiaskan. Gambar 2-13 di bawah menunjukkan sifat perubahan pada panjang gelombang cahaya.


Gambar 3-6 Perubahan panjang gelombang cahaya pada dua medium yang berbeda

Pembelokan gelombang dinamakan pembiasan. Ambillah sebatang bolpoin, lalu masukkan ke dalam gelas kaca yang berisi air bening. Bolpoin tersebut akan terlihat bengkok. Peristiwa ini disebut peristiwa pembiasan / refraksi Contoh peristiwa pembiasan yang lain adalah fenomena fatamorgana dan pelangi. Pembiasan terjadi akibat adanya perbedaan indeks bias. Perbedaan indeks bias menyebabkan perubahan cepat rambat gelombang. Pada peristiwa bolpoin di dalam gelas, cahaya yang dipantulkan ke mata melewati tiga macam bahan. Pertama, cahaya yang dipantulkan melewati air di dalam gelas. Kemudian, melewati bahan yang kedua, yaitu kaca gelas, dan terakhir melewati udara. Ketiga macam bahan tersebut memiliki indeks bias yang berbeda-beda sehingga cepat rambat gelombang berubah-ubah. Hukum yang menggambarkan fenomena ini adalah Hukum Snellius tentang pembiasan. Perhatikan Gambar 2-12, Hukum Snellius menyatakan bahwa: 1. sinar datang, garis normal, dan sinar bias terletak pada satu bidang datar; 2. sinar datang membentuk sudut  terhadap garis normal dan sinar bias membentuk sudut  terhadap garis normal dan memenuhi persamaan berikut.

  =  

(3-9)

Apabila c = cepat rambat cahaya di ruang hampa (m/s) v = cepat rambat cahaya ketika melewati medium n = indeks bias mutlak bahan / medium Perhatikan Persamaan (3-9). Simbol n1 dam n2 merupakan konstanta tak berdimensi. Konstanta tersebut dinamakan indek bias.  adalah sudut yang dibentuk oleh sinar datang dan garis normal. Adapun  adalah sudut yang dibentuk oleh sinar bias dan garis normal. Indeks bias suatu bahan merupakan perbandingan kecepatan cahaya di ruang hampa (c) dengan kecepatan cahaya di medium tersebut. Indeks bias dinyatakan dalam bentuk persamaan berikut:

 = 

(3-10)

Soal Latihan 3.1.4

Perhatikan simulator berikut ini, pemantulan dan pembiasan cahaya dihasilkan oleh cahaya yang datang mengenai permukaan batas antara udara dan kaca. Sudut bias cahaya akan berbeda untuk berbagai sudut datang. Apabila digunakan indeks bias kaca adalah 3/2, catat untuk berbagai sudut datang dimulai dari 00 sampai dengan 90o dengan kenaikan setiap 5o dengan cara mernggerakkan slider, dan catat berapa sudut pantul dan sudut biasnya. Catat dalam bentuk tabel berikut ini, dan hitung dengan menggunakan persamaan Snellius (3-4) di atas. 18 | Fisika Reayasa II – seri Cahaya dan Optik

Tabel 3-1 Tabel hasil pencatatan dan perhitungan sudut pantul dan sudut bias pada cahaya datang dari udara ke kaca No

Sudut Datang (o )

1

0

2

5

3

10

Sudut Pantul (o )

Sudut Bias (o )

Sudut Bias (hasil perhitungan)

... n

90

Saat sudut datang sinar diperbesar, pernahkan cahaya tersebut tidak dapat dibiaskan? Kalau Ya, pada saat sudut datangnya berapa derajad? Mengapa hal ini bisa terjadi. Selanjutnya tekan “next scene” Simulator menunjukkan perubahan sinar datang dari medium kaca ke medium udara. Pemantulan dan pembiasan cahaya akan terjadi untuk berbagai sudut datang. Apabila digunakan indeks bias kaca adalah 3/2, dan indeks bias udara adalah 1. Catat untuk berbagai sudut datang dimulai dari 00 sampai dengan 90o dengan kenaikan setiap 5o dengan cara mernggerakkan slider, dan catat berapa sudut pantul dan sudut biasnya. Tabel 3-2 Tabel hasil pencatatan dan perhitungan sudut pantul dan sudut bias pada cahaya datang dari kaca ke udara No

Sudut Datang (o )

1

0

2

5

3

10

Sudut Pantul (o )

... n

90


Sudut Bias (o )

Sudut Bias (hasil perhitungan)

Perhatikan Gambar 2-14 berikut ini, berbagai sudut sinar datang akan di biaskan. Apakah gambar di bawah ini menunjukkan kesamaan dengan apa yang Anda lihat di video di atas?. Gambar (a) sudut sinar bias sama dengan sudut datang, ini terjadi saat n1 = n2 , (b) sinar bias akan dibelokkan mendekati garis normal, ini terjadi saat n2 > n1 dan (c) saat sinar bias dibelokkan menjauhi garis normal, ini terjadi saat n2 < n1.

Gambar 3-7 Fenomena pembiasan cahaya yang merambat pada dua medium yang berbeda

Dalam peristiwa pemantulan dan pembiasan, selalu kita tentukan terlebih dahulu sudut datang nya. Apa yang terjadi bila sudut datang diperbesar?. Ternyata tidak semua sinar datang akan dibiaskan, ternyata terjadi pula pemantulan. Pemantulan sempurna terjadi bila sudut datangnya lebih besar dari sudut kritis. Sudut kritis adalah besarnya sudut datang dari sinar yang merambat dari medium rapat ke medium renggang sedemikian hingga menghasilkan sinar bias dengan sudut bias 90o. Jadi besarnya sudut kritis  adalah   . Berdasarkan persamaan tersebut, apakah hasil sudut kritis dari percobaan sama dengan hasil perhitungan?

sin

=

Apabila kaca tersebut diganti dengan berbagai materi, maka akan terjadi perbedaan sudut bias, yang tergantung pada indeks bias materi tersebut. Tabel di bawah ini menunjukkan indeks bias dari berbagai materi. Tabel 3-3 Indeks bias berbagi bahan


Contoh Soal 3.1.4

1. Cahaya matahari dipantulkan dari permukaan air kolam. Berapa sudut cahaya datang dari matahari jika polarisasi pantulnya terbesar? Indeks bias air 1,33 Penyelesaian : Diketahui:

= 1,33

Ditanyakan:

Tentukan sudut ketinggian (altitude) polarisasi terbesar? Jawab:



Altitude adalah sudut antara matahari dan horison. Sehingga sudut datangnya adalah, =

90 -  dimana  = −   = tan− 1,33 =

53 Sehingga  = 90  53 = 37

2. Berkas cahaya monokromatik mengalami pemantulan dan pembiasan di titik A pada bidang batas antara medium I dengan indeks bias n1 = 1,33 dan medium II dengan indeks bias n2 = 1,77. Bila sinar datang membentuk sudut 50o terhadap bidang batas antara dua medium, berapa sudut biasnya Jawab

Besar sudut pantul sama dengan sudut datang. Sudut datang adalah sudut yang dibuat oleh sinar datang dengan garis normal pada bidang batas antara kedua medium. Sehingga disini sudut datang = 40o. Untuk menentukan sudut bias, digunakan persamaan Snellius untuk pembiasan, persamaan 224.

1,33 sin40 sin =  sin = 1,77 r = 28,88o


3.

Berkas gelombang datang pada permukaan suatu medium dengan sudut datang 53o. Akibatnya kecepatan gelombang tersebut menurun dari 8 m/s menjadi 5 m.s. Berapakah sudut bias berkas gelombang tersebut? Jawab Diketahui, i = 53o, v1 = 8 m/s dan v2 = 5 m/s Sesuai dengan persamaan 2-24

sin =  sin = 85 sin53 =0,5 Sehingga r = 30o Ringkasan 3.1.4

2. Pembiasan cahaya terjadi saat cahaya jatuh mengenai permukaan sebuah medium dengan indeks bias yang berbeda. 3. Asesmen 3.1.4

1.

Jika sinar yang jatuh tegak lurus di atas permukaan minyak di atas air, tebal lapisan minyak 0 , indeks biasnya n dan panjang gelombang dari cahaya yang menghasilkan interferensi maksimum  maka persamaan yang memenuhi adalah a. 2

n0 = k 

b. 2

n0 =

(2k + 1)

c. n0 = k  d. n0 = (2k + 1) e. n0 = 

2.

Balok kaca akan menghasilkan sinar pantul terpolarisasi linear, jika sinar pantul dan sinar bias membentuk sudut . a. 30° b. 45° c. 60° d. 90° e. 120° 3.1.5 Dispersi / Pemendaran Cahaya

Prisma adalah zat bening yang dibatasi oleh dua bidang datar. Apabila seberkas sinar datang pada salah satu bidang prisma yang kemudian disebut sebagai bidang pembias I, akan dibiaskan mendekati garis normal. Sampai pada bidang pembias II, berkas sinar tersebut akan dibiaskan menjauhi garis normal. Pada bidang pembias I, sinar dibiaskan mendekati garis normal, sebab sinar datang dari zat optik kurang rapat ke zat optik lebih rapat yaitu dari udara ke kaca. Sebaliknya pada bidang pembias II, sinar dibiaskan menjahui garis normal, sebab sinar datang dari zat optik rapat ke zat optik kurang rapat yaitu dari kaca ke udara. Sehingga seberkas sinar yang melewati sebuah prisma akan mengalami pembelokan arah dari arah semula. Marilah kita mempelajari fenomena yang terjadi jika seberkas cahaya melewati sebuah prisma seperti halnya terjadinya sudut deviasi dan dispersi cahaya. 22 | Fisika Reayasa II – seri Cahaya dan Optik

Gambar 3-8 Dispersi cahaya pada prisma

Perhatikan Gambar 2.17 menggambarkan seberkas cahaya yang melewati sebuah prisma. Gambar tersebut memperlihatkan bahwa berkas sinar tersebut dalam prisma mengalami dua kali pembiasan sehingga antara berkas sinar masuk ke prisma dan berkas sinar keluar dari prisma tidak lagi sejajar. Sudut yang dibentuk antara arah sinar datang dengan arah sinar yang meninggalkan prisma disebut sudut deviasi diberi lambang min. Besarnya sudut deviasi tergantung pada sudut datangnya sinar. Perhatikan Gambar 2.15!

 =    =    = + 

(3-11)

Ingatlah bahwa dalam hukum Snellius untuk pembiasan besarnya n1 = 1, karena medium pertama adalah udara, sehingga diperoleh hubungan

  =     (   ) =   ()      =  

(3-12)

Perhatikan gambar 2-16 di bawah, sebuah sinar putih (Cahaya polikromatik) jika dilewatkan pada prisma akan terurai menjadi warna merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu. Kumpulan cahaya warna tersebut disebut spektrum . Lebar spektrum yang dihasilkan oleh prisma tergantung pada selisih sudut deviasi antara cahaya ungu dan cahaya merah. Selisih sudut deviasi antara cahaya ungu dan merah disebut sudut dispersi yang dirumuskan :

 = D - D u

m

Jika sudut pembias prisma kecil (<15o) dan n menyatakan indeks bias prisma serta medium di sekitar prisma adalah udara, maka besarnya sudut dispersi dapat dinyatakan :

 = (n - n ) u

m

Dimana : = sudut dispersi Dm = sudut deviasi cahaya merah Du = sudut deviasi cahaya ungu




nm = indeks bias cahaya merah nu = indeks bias cahaya ungu   sudut pembias prisma

Gambar 3-9 Cahaya putih yang di pendarkan oleh sebuah prisma dan menghasilkan cahaya pelangi

Contoh Soal 3.1.5

4. Perhatikan sebuah sinar yang jatuh pada sisi AB sebuah prisma segitiga ABC. Sinar tersebut masuk kedalam prisma dan menumbuk AC. Jika sudut pembias prisma 40o dan indeks bias prisma 3/2, tentukan sudut deviasi minimum prisma Penyelesaian

Diketahui :   o, n2 = 3/2; n1 = udara Ditanya: min Jawab Berdasarkan persamaan 2-27

 (  2 ) =  2 Atau     )  (  = 2   (2)

40 sin 12 40 = 3/2 sin 1 2 24 | Fisika Reayasa II – seri Cahaya dan Optik

1 3   sin 2 40 = 2 0,34 1 40  = 30 2  = 30  2  40 = 20 Ringkasan 3.1.5

1. Sebuah cahaya warna putih (polikromatis) dapat dipendarkan menjadi warna – warna pelangi yang indah. Perpendaran ini bisa diperoleh dari kejadian yang dinamakan Dispersi pada sebuah prisma. Soal Latihan 3.1.5

1. Sebuah prisma mempunyai sudut pembias  dan indeks biasnya 1,5. Seberkas sinar datang pada salah satu sisi pembias prisma dengan sudut datang  , tentukan: Sudut deviasi yang terjadi pada prisma. Jawab a. 29o b. 39o c. 49o d. 59o

60

60

2. Sebuah prisma mempunyai sudut pembias  dan indeks biasnya 1,5. Seberkas sinar datang  , tentukan: Sudut deviasi pada salah satu sisi pembias prisma dengan sudut datang minimum yang terjadi pada prisma. Jawab a. 2,8o b. 8,2o c. 3,8o d. 8,3o

60

60

3. Sebuah prisma memiliki sudut pembias  Indeks bias untuk sinar merah 1,52 dan untuk sinar ungu 1,54. Seberkas sinar putih jatuh pada salah satu sisi prisma. Apabila dianggap semua cahaya mengalami deviasi minimum, hitung sudut dispersinya! Jawab a. 2,8o b. 3,8o c. 1,8o d. 0,8o

60 .


3.1.6 Difraksi / Pelenturan Cahaya

Gambar 3-10 Difraksi cahaya melalui celah sempit

Pada jarak tertentu mata kita sulit membedakan posisi dua nyala lampu yang sangat berdekatan. Coba diperhatikan mengapa hal ini dapat terjadi? Gejala ini dikarenakan diameter pupil mata kita sangat sempit. Akibatnya adalah cahaya dua lampu tersebut ketika sampai ke mata kita mengalami difraksi. Apakah difraksi cahaya itu? Difraksi cahaya adalah peristiwa pelenturan cahaya yang akan terjadi jika cahaya melalui celah yang sangat sempit. Kita dapat melihat gejala ini dengan mudah pada cahaya yang melewati sela jari-jari yang kita rapatkan kemudian kita arahkan pada sumber cahaya yang jauh, misalnya lampu neon. Atau dengan melihat melalui kisi tenun kain yang terkena sinar lampu yang cukup jauh. Contoh Soal 3.1.6

1.

Perhatikan gambar 2-19, apabila celah sempit tersebut diganti dengan kisi – kisi dengan jumlah kisi 20000 garis / cm. Kemudian pada ksisi dilewatkan cahaya tegak lurus dengan panjang gelombang λ . Garis terang hasil difraksi pada layar (maksimum utama / terang pusat) membentuk sudut 60o terhadap garis normal. Tentukan berapa panjang gelombang cahaya tersebut.

Penyelesaian:

sin =   1  = 5  10−   = 20.000 −  5  10  = 1 sin60 = 0,433  10−  = 4330  2.

Perhatikan bahwa dalam percobaan difraksi ini, dapat dilakukan pengaturan pada lebar celah, apabila diinginkan pola difraksi pada layar akan jatuh pada sudut tertentu dari garis normal. Perhatikan kasus ini, apabila jarak dari terang pusat ke gelap keempat membentuk sudut 45o


terhadap garis normal. Jika cahaya yang digunakan memiliki panjang gelombang 6.000 A, tentukan lebar celah tersebut. Penyelesaian

Dengan menggunakan

sin =  

Dan segitiga yang dibentuk oleh cahaya lewat slik menuju ke gelap ke empat dari terang pusat digambarkan dalam bentuk segitiga berikut

Garis gelap

d

 Terang pusat

l

sin45 = 4  6000   = 34.000   = 24000 1 √ 2 2

Disini lebar celah d = 34.000 A

Ringkasan 3.1.6

1. Soal Latihan 3.1.6

1. Bagaimana kalau dilakukan percobaan dengan melewatkan cahaya dengan panjang gelombang 600 nm pada sebuah celah sempit. Apabila diinginkan dari percobaan ini, besar sudut difraksi 45o dan diinginkan terjadi pola difraksi minimum ?. Jawab a. 200 √2 nm b. 200 √3 nm 27 | Fisika Reayasa II – seri Cahaya dan Optik

c. 300 √2 nm d. 300 √3 nm 2.

Pada percobaan seperti soal 1 di atas, dilakukan dengan cara mengatur jumlah kisi adalah 5000 garis / cm. Selanjutnya dilewatkan cahaya tegak lurus dengan panjang gelombang . Garis terang difraksi orde pertama membentuk sudut 60o terhadap garis normal (maksimum utama). Berapa panjang gelombang cahaya yang dilewatkan tersebut?.



Jawab a. 15.000 A b. 12.000 A c. 19.000 A d. 17.000 A 3.

Pernahkah Anda mendengar istilah Cincin Newton? Ini bisa kita temui saat terjadi gejala apa? a. difraksi b. polarisasi c. dispersi d. interferensi e. refraksi

4.

Perhatikan sebuah kisi difraksi. Pola warna pelangi akan kita temui. Apabila Warna ungu dari spektrum orde ketiga berimpit dengan warna merah orde kedua dari suatu peristiwa difraksi yang mempergunakan kisi, ini berarti perbandingan antara sinar panjang gelombang sinar ungu dan sinar merah adalah .... a. 3 : 2 b. 2 : 3 c. 9 : 4 d. 4 : 9 e. semua jawaban salah 3.1.7 Interferensi Cahaya

Celah tunggal pada Difraksi cahaya di OP 2.2.6 di atas, dapat kita atur jumlah celahnya. Apabila jumlah celah dua, maka seolah – olah terdapat dua sumber cahaya. Layar yang kita tempatkan di belakang celah akan menampilkan pola gelap terang dari perpaduan dua sumber cahaya tersebut. Inilah yang dinamakan Interferensi. Interferensi cahaya adalah perpaduan antara dua gelombang cahaya. Agar interferensi cahaya dapat teramati dengan jelas, maka kedua gelombang cahaya itu harus bersifat koheren . Dua gelombang

cahaya dikatakan koheren apabila kedua gelombang cahaya tersebut mempunyai amplitudo, frekuensi yang sama dan pada fasenya tetap. Ada dua hasil interferensi cahaya yang dapat teramati dengan jelas jika kedua gelombang tersebut berinterferensi. Apabila kedua gelombang cahaya berinteferensi saling memperkuat (bersifat konstruktif), maka akan menghasilkan garis terang yang teramati pada layar. Apabila kedua gelombang cahaya berinterferensi saling memperlemah (bersifat destruktif), maka akan menghasilkan garis gelap yang teramati pada layar. Marilah sekarang kita mempelajari peristiwa 28 | Fisika Reayasa II – seri Cahaya dan Optik

interferensi cahaya yang telah dilakukan percobaan/eksperimen oleh para ilmuwan terdahulu, seperti halnya Thomas Young dan Fresnell. Interferensi Cahaya pada Celah Ganda Percobaan yang dilakukan oleh Thomas Young dan Fresnel pada dasarnya adalah sama, yang

membedakan adalah dalam hal mendapatkan dua gelombang cahaya yang koheren. Thomas Young mendapatkan dua gelombang cahaya yang koheren dengan menjatuhkan cahaya dari sumber cahaya pada dua buah celah sempit yang saling berdekatan, sehingga sinar cahaya yang keluar dari celah tersebut merupakan cahaya yang koheren. Sebaliknya Fresnel mendapatkan dua gelombang cahaya yang koheren dengan memantulkan cahaya dari suatu sumber ke arah dua buah cermin datar yang disusun hampir membentuk sudut 180o, sehingga akan diperoleh dua bayangan sumber cahaya. Sinar yang dipantulkan oleh cermin I dan II dapat dianggap sebagai dua gelombang cahaya yang koheren. Skema percobaan Young terlihat pada Gambar 2.13 di bawah.

Gambar 3-11 Percobaan Young pada interferensi cahaya dari celah ganda

Untuk menunjukkan hasil interferensi cahaya, di depan celah tersebut diletakkan layar pada jarak L maka akan terlihat pada layar berupa garis gelap dan terang. Garis terang merupakan hasil interferensi yang saling memperkuat dan garis gelap adalah hasil interferensi yang saling memperlemah. Hasil interferensi bergantung pada selisih jarak tempuh/ lintasan cahaya dari celah ke layar. Akan terjadi qkelipatan bilangan bulat kali λ atau (nλ ). Sebaliknya akan terjadi garis gelap jika selisih lintasan merupakan kelipatan bilangan ganjil kali ½ λ atau ((2n-1) ½ λ)


Gambar 3-12 Interferensi cahaya pada celah ganda

Misalkan jarak antara dua celah d, jarak layar ke celah L, di titik O pada layar akan terjadi garis terang yang disebut garis terang pusat, karena jarak S1O dan S2 O adalah sama sehingga gelombang cahaya sampai di O akan terjadi interferensi maksimum. Di titik P yang berjarak p dari terang pusat akan terjadi interferensi maksimum atau minimum tergantung pada selisih lintasan S2 P – S 1P . Perhatikan Gambar 2.14!

Di P terjadi interferensi maksimum jika : S 2 P – S 1 P = d sin

=n



Perhatikan segitiga S1QS2 dan segitiga POR , untuk nilai θ <<< berlaku sin θ = tg θ = 

 =   

Sehingga :

=



(3-13)

Dengan d = jarak antara dua celah (m) p = jarak garis terang ke terang pusat (m) L = jarak celah ke layar  = panjang gelombang cahaya n = orde interferensi ( n = 0, 1, 2, 3, ...) Di P akan terjadi interferensi minimum/ garis gelap jika :

 =   

(3-14)

Dengan d = jarak antara dua celah (m) p = jarak garis gelap ke terang pusat (m) L = jarak celah ke layar (m) λ = panjang gelombang cahaya (m) n = orde interferensi (n = 1, 2, 3, ...)


Contoh Soal 3.1.7

1.

Bagaimana kita dapat menentukan ukuran celah sempit tersebut apabila jarak terang pusat menuju terang orde ketiga, pada saat terjadi interfenrensi dari celah ganda yang dilewati Cahaya monokromatik dengan panjang gelombang 6000 A?

Penyelesaian

Diketahui d = 2 mm l=1m   6000 A = 6 x 103 x 10-10 m = 6 x 10-7 m n=3 Ditanyakan : d Dengan menggunakan persamaan 2 – 28

−          =  =   − =   −  = ,  Dari hasil penyelesaian di atas diperoleh ukuran celah 0,9 mm 2.

Kita mengatakan suatu celah ganda untuk melewatkan berkas cahaya sebagai Celah ganda Young. Perhatikan keaadan ini dimana terdapat Seberkas cahaya monokromatik memiliki panjang gelombang 5000 Å dilewatkan melalui celah ganda Young. Celah ganda berjarak 0,2 mm satu sama lain, kemudian 80 cm di belakang celah di pasang layar. Bagaimana cara menentukan : a. jarak garis terang pertama dari terang pusat, b. jarak garis terang kedua dari terang pusat, c. jarak antara garis terang pertama dengan garis terang kedua pada layar !

Penyelesaian

λ = 5000 Å = 5 . 10-7 m l = 80 cm = 0,8 m d = 0,2 mm = 2 . 10-4 m Terjadinya pola terang berarti memenuhi gabungan persamaan 2-28 dan 2-29 yaitu : 1. Untuk pola terang pertama (n = 1) dari terang pusat dapat diperoleh:

 =  

 =         ,  = 2 x 10 m = 2 mm -3

2. Untuk pola terang kedua (n = 2) dari terang pusat :

7   0,8  2  5  10  = =   −  =   2  10−  3. Jarak pola terang pertama dengan pola terang ke dua yang yang berdekatan memenuhi: p2 - p1 = 4 mm – 2 mm = 2 mm


Soal Latihan 3.1.7

1. Perhatikan sebuah celah ganda Young yang dilewati seberkas cahaya dari Natrium. Apabila jarak kedua celah tersebut 0, 5 mm, dan 1 m dari celah dipasang sebuah layar. Ternyata terbentuk pola terang gerlap. Apabila jarak terang pusat sampai dengan ke lima adalah 6 mm, berapakah panjang gelombang dari cahaya Natrium ? Jawab a. 3800 A b. 5800 A c. 6000 A d. 7000 A 2. Coba perhatikan, saat Seberkas cahaya monokromatis dijatuhkan pada dua celah sempit vertikal berdekatan dengan jarak d = 0,01 mm. Maka akan terbentuk Pola interferensi pada layar. Bila layar diletakkan pada jarak 20 cm dari celah. Dan setelah diukur jarak antara garis gelap pertama di sebelah kiri ke garis gelap pertama di sebelah kanan adalah 7,2 mm. Berapakah Panjang gelombang berkas cahaya yang dijatuhkan tersebut? a. 180 nm b. 270 nm c. 360 nm d. 720 nm e. 1.800 nm 3. Sudut pita terang tengah dari difraksi orde kedua yang dihasilkan oleh kisi dengan 6.250 celah/cm sebesar 60°. Maka panjang gelombang cahaya yang dipergunakan adalah .... a. 4.000 Å b. 4.000 Å c. 5.000 Å d. 5.000 Å e. 6.250 Å

√ 3 √ 3

4. Untuk menentukan panjang gelombang monokromatis digunakan percobaan Young yang datanya sebagai berikut. Jarak antara kedua celahnya = 0,3 mm, jarak celah ke layar = 50 cm, serta jarak antara garis gelap ke-2 dan garis gelap ke-3 pada layar = 1 mm. Panjang gelombang sinar monokromatis tersebut adalah .... a. 400 nm b. 450 nm c. 500 nm d. 580 nm e. 600 nm 5. Pada percobaan Young, dua celah berjarak 1 mm diletakkan pada jarak 1 m dari sebuah layar. Jika jarak terdekat antara pola interferensi garis terang pertama dan garis terang kesebelas adalah 4 mm, panjang gelombang cahaya yang menyinari adalah .... a. 1.000 Å b. 2.000 Å 32 | Fisika Reayasa II – seri Cahaya dan Optik

c. 3.500 Å d. 4.000 Å e. 5.000 Å 6. Dua celah sempit yang terpisah pada jarak 0,2 mm disinari tegak lurus. Garis terang ketiga terletak 7,5 mm dari garis terang ke nol pada layar yang jaraknya 1 m dari celah. Panjang gelombang sinar yang dipakai adalah .... a. 2,5 × 10 –4 mm b. 5,0 × 10 –4 mm c. 1,5 × 10 –4 mm d. 2,5 × 10 –3 mm e. 5,0 × 10 –3 mm 3.1.8 Polarisasi Cahaya

Pernahkah Anda menggunakan kacamata hitam? Dapatkah Anda membedakan intensitas atau tingkat kecerahan cahaya sebelum dan sesudah menggunakan kacamata? Ketika menggunakan kacamata, Anda akan mendapatkan cahaya di sekeliling Anda menjadi lebih redup. Pada saat mata menjadi nyaman dengan menggunakan kaca mata hitam. Kenyataan ibi terjadi karena cahaya yang mengenai mata telah terpolarisasi oleh kacamata hitam Anda. Polarisasi adalah peristiwa terserapnya sebagian atau seluruh arah getar gelombang. Berbeda dengan interferensi dan difraksi yang dapat terjadi baik pada gelombang transversal maupun longitudinal, polarisasi hanya terjadi pada gelombang transversal. Untuk memahami peristiwa ini, perhatikan Gambar 2.22.

Gambar 3-13 Fenomena terjadinya polarisasi

Ketika arah getar gelombang tali sejajar dengan sumbu polarisator (bayangkan sebagai sebuah pintu terbuka), seluruh arah getar gelombang akan diserap (Gambar 2.21(a)). Akan tetapi, ketika arah getar gelombang tegak lurus dengan sumbu polarisator, tidak ada arah getar yang diserap (Gambar 2.21(b)).


Gambar 3-14 Polarisasi cahaya

Kejadian yang mungkin sebaiknya kita tahu, Pada Film Tiga Dimensi Film ini dibuat dengan menggunakan dua buah kamera atau kamera khusus dengan dua lensa. Di dalam gedung bioskop, kedua film diproyeksikan pada layar secara simultan. Sebuah filter polarisasi yang diletakkan di depan lensa proyektor sebelah kiri akan meneruskan gelombang cahaya dari gambar pada suatu arah getar tertentu. Bersamaan dengan itu filter lain di bagian kanan akan meneruskan gelombang cahaya tegak lurus arah getar yang dihasilkan oleh filter pertama. Penonton mengenakan kacamata khusus yang berfungsi sebagai filter. Filter ini akan menyebabkan kesan gambar yang diterima oleh mata kiri dan kanan akan berbeda. Sehingga kesan gambar tiga dimensi akan terasa. Polarisasi dapat terjadi akibat berbagai kejadian, bisa diakibatkan oleh pemantulan dan pembiasan a. Polarisasi Cahaya karena Pemantulan dan Pembiasan

Polarisasi cahaya dapat terjadi akibat pemantulan dan pembiasan cahaya. Ketika cahaya jatuh pada bidang batas antara dua medium dengan membentuk sudut i terhadap garis normal, sebagian sinar akan dipantulkan dengan sudut i dan sebagian lagi dibiaskan dengan sudut bias r . Jika sinar bias dan sinar pantul membentuk sudut 90° (atau secara matematis i p + r = 90°), sinar pantul terpolarisasi linear. Sudut datang yang menghasilkan sinar pantul terpolarisasi linear disebut sudut polarisasi atau sudut Brewster (i p). Dan pada kejadian ini berlaku Hukum Snellius untuk pembiasan. b. Polarisari karena Serapan Selektif

Cahaya terpolarisasi dapat juga diperoleh dari sinar tak terpolarisasi dengan menggunakan kristal tertentu, seperti nikel atau dikenal dengan pelat tipis polaroid. Polaroid memiliki sederetan celah paralel (disebut sumbu polarisator) sehingga hanya arah getar cahaya yang sejajar celah yang akan lolos dari polaroid itu. Jika arah getar membentuk sudut  terhadap sumbu polarisator, amplitudo getaran berkurang dengan faktor cos  , seperti diperlihatkan pada Gambar 3-15 Oleh karena intensitas cahaya sebanding dengan kuadrat amplitudonya, intensitas sinar yang telah melewati polaroid menjadi

Gambar 3-15 Polarisasi cahaya melalui dua polarisator

 =    

(3-15)

Dengan 34 | Fisika Reayasa II – seri Cahaya dan Optik

I = intensitas cahaya yang dilewatkan oleh polarisator (Watt/m2) I0 = intensitas cahaya sebelum melalui polarisator (Watt/m2) c. Polarisasi karena Hamburan

Fenomena menarik dari peristiwa hamburan adalah langit yang tampak berwarna biru. Fenomena ini terjadi karena kuantitas cahaya yang dihamburkan bergantung pada panjang gelombang cahaya tersebut. Semakin besar panjang gelombang cahaya, semakin sedikit cahaya yang dihamburkan oleh molekul udara. Cahaya merah dan jingga memiliki panjang gelombang lebih besar daripada cahaya biru dan ungu sehingga cahaya merah dan jingga dihamburkan lebih sedikit daripada cahaya biru dan ungu. Itulah sebabnya mengapa langit tampak berwarna biru. Jika cahaya tak terpolarisasi mengenai partikel-partikel gas, cahaya yang terhambur tegak lurus dengan arah semula akan terpolarisasi sebagian atau seluruhnya. Gambar 3-16 menunjukkan polarisasi karena hamburan.

Gambar 3-16 Polarisasi karena hamburan

Contoh Soal 3.1.8

1.

Perhatikan kejadian berikut ini, apabila sebuah bejana diisi air, kemudian dijatuhkan cahaya monokromatis dari air menuju ke udara. Akan terjadi polarisasi akibat pembiasan cahaya tersebut. Berapakah sudut cahaya yang dijatuhkan dari air yang diarahkan menuju ke udara, dan indeks bias air 1,33? Penyelesaian

Diketahui nu = 1, na = 1,33 Sudut yang harus diberikan pada cahaya adalah sudut yang memenuhi hukum Brewster

1 =3   =  = 1,33 4 i= 37o.


2.

Perhatikan Seberkas cahaya alami yang dilewatkan pada dua buah keping kaca polaroid. Apabila arah polarisasi satu sama lain membentuk sudut 30o dan intensitas cahaya alami adalah 100 W/m2, berapakah intensitas kaca polaroid tersebut? Penyelesaian

Dengan menggunakan persamaan 2-30, diperoleh:

 = 12    = 12 (100 ) 30 = (50  )12 √ 3  =37,5 / 5.

Sebuah balok es dapat menyebabkan polarisasi apabila cahaya mengenainya. Pada kejadian ini bisa ditentukan indeks bias dari balok es, apabila indeks bias udara adalah 1, sudut polarisasi cahaya pada balok 53o. Coba lakukan perhitungan indeks bias balok tersebut? Penyelesaian

  =  →  =    →  = 1  53 =1,33 Soal Latihan 3.1.8

1. Kita dapat merancang dua buah polarisator, sehingga menyebabkan cahaya terasa lebih redup. Berapakah besar intensitas keluaran dari polarisator, apabila dirancang dua polarisator dengan sudut transmisinya membentuk 60o, dan intensitas cahaya yang melalui polarisator tersebut 35 Watt/m2. Jawab a. 30 Watt/m2 b. 3 Watt/m2 c. 45 Watt/m2 d. 4,5 Watt/m2 2. Sebuah polaroid memiliki polarisator dan analisator yangdipasang membentuk sudut 30°, intensitas cahaya yang diteruskan akan sebanding dengan a. b. c.

 0   0

0

 d. 0  e.  0 3.

Sebuah polaroid memiliki polarisator dan analisator yangdipasang membentuk sudut 30°, intensitas cahaya yang diteruskan akan sebanding dengan a. b. c. d.

    


e.

 √ 3 

Contoh Soal 3.1

1. Sebuah prisma dengan sudut pembias 30o terbuat dari kaca kerona yang memiliki indeks bias untuk sinar merah 1,52 dan untuk sinar ungu 1,54 digabung dengan prisma yang terbuat dari kaca flinta sehingga membentuk susunan prisma akromatik. Apabila indeks bias sinar merah dan sinar ungu untuk kaca flinta adalah 1,62 dan 1,67, tentukan besarnya sudut pembias pada prisma flinta! Penyelesaian Diketahui

nm = 1,52 nu = 1,54 n’m = 1,62 n’u = 1,67  = 30o Ditanya : ' Jawab: (nu - nm)   (n’u – n’m) '

  = 12   = ′ –−′  = 1,541,52 30 1,671,62 2. Dua buah celah sempit terpisah pada jarak 0,1 mm disinari tegak lurus. Sebuah layar diletakkan di belakan celah. Garis terang orde ke tiga pada layar terletak 5 mm dari terang pusat. Tentukan berapa panjang gelombang cahaya yang digunakan. Penyelesaian Diketahui:

d = 0,1 mm = 1 x 10 -4 m L=1m p = 5 mm = 5 x 10-3 m n=3 Ditanya:

λ Jawab:

 =     − m  =  =   = 1, 6 67  10  = 1667 A

Ringkasan 3.1


1. Interferensi cahaya adalah perpaduan antara dua gelombang cahaya yang koheren, yaitu memiliki amplitudo dan panjang gelombang sama, serta beda fase tetap. Interferensi konstruktif pada celah ganda young terjadi apabila

sin =   sedangkan interferensi destruktif terjadi apabila sin=( 12) 

2.

Interferensi konstruktif oleh lapisan tipis terjadi jika

2 cos = (  12) 

sedangkan interferensi destruktifnya terjadi jika

2cos =  

3. Pada difraksi oleh sebuah celah, pola gelap (minimum) memenuhi persamaan

sin =  

sedangkan pola terang (maksimum) memenuhi persamaan

4.

sin=( 12) 

Kisi adalah sejumlah celah sempit sejajar dan terpisah pada jarak yang sama. Pola terang gelap

akibat difraksi oleh kisi sama dengan pola hasil interferensi pada celah ganda Young. 5. Polarisasi adalah peristiwa terserapnya sebagaian atau seluruh arah gerak gelombang transversal. Intensitas cahaya yang melewati polaroid adalah

 =  

sedangkan intensitas cahaya yang diteruskan analisator adalah

 = 12  

6. Pada polarisasi karena pemantulan dan pembiasan  ip + r = 90o dan  

tan =

Soal Latihan 3.1

1. Gelombang elektromagnetik yang mempunyai panjang gelombang terpanjang adalah .... a. sinar gamma b. sinar -X c. sinar inframerah d. sinar ultra ungu e. gelombang radio 2. Urutan spektrum gelombang elektromagnetik yang benar untuk variasi frekuensi besar ke frekuensi kecil adalah .... a. cahaya biru, cahaya hijau, sinar inframerah, gelombang radar b. cahaya hijau, cahaya biru, sinar -X, sinar gamma 38 | Fisika Reayasa II – seri Cahaya dan Optik

c. sinar inframerah, sinar ultraviolet, cahaya hijau, cahaya biru d. gelombang radar, cahaya hijau, cahaya biru, gelombang radio e. sinar -X, sinar gamma, cahaya biru, cahaya hijau 3. Kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik tergantung dari .... a. frekuensi gelombang b. panjang gelombang c. frekuensi dan panjang gelombang d. permitivitas dan permeabilitas medium e. nilainya selalu tetap

Referensi:

1. Randall D. Knight, “Physics for Scientists and Engineers, a strategic approach”, California Pollytechnic State University, San Luis Ubispo. 2. Serway Jewett, “Physics for Scientiest and Enegineers”, 6 th ed., Thomson Brooks, 2004. 3. Douglas C Giancoli, “Physics Principle with Application ”, 5th edition, Prentice Hall, 2001.

3.2 Aplikasi Cahaya

Standar Kompetensi

Menerapkan konsep dan prinsip gejala gelombang dalam menyelesaikan masalah. Kompetensi Dasar

Menerapkan konsep dan prinsip gelombang cahaya dalam teknologi. Indikator Pembelajaran, Pembelajar mampu:

1. Memberikan contoh penerapan konsep gelombang elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari. 2. Menjelaskan prinsip kerja dari teknologi yang didasarkan pada konsep gelombang cahaya. 3.2.1 Sinar X dan Sinar Gamma

Dalam bidang kedokteran pasien penderita tumor, kanker sering dilakukan pengobatannya melalui pancaran radiasi gelombang. Jenis gelombang apa yang biasa digunakan untuk ini? Apakah semua gelombang dapat digunakan untuk menyembuhkannya? Orang sering menyebutnya bahwa untuk menyembuhkan pasien dengan cara di rontgen. Apa yang dimaksud Rontgen dan apa hubungannya dengan sinar X atau jenis sinar lain? Lihat gambar hasil foto Sinar X pada tangan di bawah ini, bagaimana foto itu bisa kita dapatkan? Untuk memahaminya Anda perhatikan uraian pada sub pokok bahasan ini.


Gambar Foto Sinar X dari tangan istri Rongten yang bernama Bertha [http://id.wikipedia.org/wiki/Sinar_R%C3%B6ntgen] Disebutkan di sub pokok bahasan sebelumnya, bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik. Apakah ada jenis gelombang elektromagnetik yang lain? Perhatikan beberapa jenis gelombang yang digunakan untuk berbagai aplikasi yang lain. Mengapa sering diberitakan melalui media untuk berhati – hati dalam penggunaan ponsel? Juga beberapa informasi bahwa dosis radiasi sinar X yang diberikan kepada pasien dalam takaran tertentu. Apakah semua gelombang elektromagnetik berbahaya bagi kesehatan manusia? Apabila kita tahu sifat dari gelombang elektromagnetik ini, maka kita akan tahu jawabannya. Tidak semua gelombang elektromagnetik membahayakan bagi manusia. Beberapa yang bermanfaat bagi kehidupan manusia akan dibahas pada sub pokok bahasan ini. Pada bagian ini akan dibahas tentang aplikasi gelombang elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari yaitu Sinar Gamma dan sinar X Berdasarkan kenyataan bahwa gelombang elektromagnetik terdiri atas banyak jenis sinar gamma (γ), sinar (Rontgen), sinar ultraviolet, sinar tampak, sinar infra merah, gelombang radar, gelombang televisi dan gelombang radio. Sinar gamma termasuk gelombang elektromagnetik yang mempunyai frekuensi antara 1020 Hz − 1025 Hz. Dengan frekuensi yang sangat tinggi, maka Sifat dari sinar gamma adalah energinya yang besar sehingga daya tembusnya sangat kuat. Daya tembus sinar ini paling kuat dibanding gelombang gelombang yang masuk dalam kelompok gelombang elektromagnetik. Sinar gamma juga dapat di hasilkan seperti sinar X yaitu tumbukan elektron dengan atom-atom berat seperti timbal (Pb) Sinar gamma ditemukan dari radiasi inti-inti atom tidak stabil yang merupakan pancaran zat radioaktif.. Sinar gamma dapat menembus pelat besi yang tebalnya beberapa cm. Penyerap yang baik untuk sinar gamma adalah timbal. Sinar gamma dapat digunakan sebagai sistem perunut aliran suatu fluida ( misalnya aliran PDAM ). Tujuannya untuk mendeteksi adanya kebocoran pipa. Jika zat radioaktif di bawah ambang batas bahaya 40 | Fisika Reayasa II – seri Cahaya dan Optik

dialirkan dalam fluida maka saat terjadi kebocoran maka radiasi Sinar gamma akan dapat dideteksi. Sekarang sinar gamma banyak digunakan sebagai bahan sterilisasi bahan makanan kaleng dan pendeteksi keretakan batang baja. Pernahkah kalian membeli makanan kaleng. Jika massa berlakunya masih aman maka kalian tidak usah terlalu kawatir dengan kebersihannya. Kuman atau bateri penyebab penyakitnya telah disterilisasi dengan Sinar gamma. Aplikasi sinar gamma dalam bidang kesehatan adalah untuk mengobati pasien yang menderita penyakit kanker atau tumor. Sumber radiasi yang sering digunakan pada pengobatan penyakit-penyakit ini adalah Cobalt-60 atau sering ditulis Co-60. Salah satu alat untuk mendeteksi sinar gamma adalah detektor Geiger - Muller. Ada jenis detektor sinar gamma yang lain yaitu detektor sintilasi NaI-TI. Sinar-X ditemukan oleh Wilhem Conrad Rontgen pada tahun 1895 sehingga sering disebut sebagai sinar Rontgen. Sinar-X termasuk gelombang elektromagnetik yang mempunyai frekuensi antara 1016 Hz - 1020 Hz. Sinar- X merupakan hasil transisi elektron elektron di kulit bagian dalam, transisi terjadi dalam atom. Sinar-X mempunyai daya tembus terbesar kedua sesudah sinar gamma. Sinar-X dapat menembus daging manusia. Sinar sering digunakan dalam bidang kesehatan untuk mengecek pasien yang mengalami patah tulang. Pasien yang mengalami patah tulang diambil fotonya dengan sinar-X. Sinar-X juga digunakan di bandara pada pengecekan barang-barang penumpang di pesawat. Di pelabuhan digunakan untuk mengecek barang-barang (peti kemas) yang akan dikirim dengan kapal laut. Salah satu contoh penggunaan sinar-X untuk pengobatan pasien. Röntgen atau Roentgen (disimbolkan dengan R) adalah sebuah satuan pengukuran radiasi ion di udara

(berupa sinar X atau sinar gamma), yang dinamai sesuai dengan nama fisikawan Jerman Wilhelm Röntgen. Röntgen adalah jumlah radiasi yang dibutuhkan untuk menghantarkan muatan positif dan negatif dari 1 satuan elektrostatik muatan listrik dalam 1 cm³ udara pada suhu dan tekanan standar. Dalam sistem SI, 1 R = 2.58×10−4 C/kg. Dosis 500 R dalam 5 jam berbahaya bagi manusia. Contoh Soal 3.2.1

1. Sebuah sinar X yang digunakan untuk penyembuhan pasien menggunakan frekuensi 1018 Hz. Berapakah panjang gelombang sinar X tersebut? Penyelesaian Diketahui

f = 1018 Hz. Ditanya

λ Jawab

  3  10   =  =  1  = 3  10−  = 300  10−  = 300  10 

2. Sebuah sinar Gamma diketahui mempunyai frekuensi 1025 Hz, berapa panjang gelombang sinar Gamma? Penyelesaian Diketahui

f = 1022 Hz. 41 | Fisika Reayasa II – seri Cahaya dan Optik

Ditanya

λ Jawab

  3  10   =  =  1  = 3  10−  = 0,03  10−  = 0,03  10  Ringkasan 3.2.1    

Sinar X merupakan salah satu jenis gelombang elektromagnetik yang banyak digunakan dalam bidang kedokteran, terumatam untuk foto tulang. Sinar X mempunyai frekuensi antara 1016 Hz - 1020 Hz Sinar Gamma merupakan salah satu jenis gelombang elektromagnetik yang digunakan untuk sterilisasi makanan / minuman dari bakteri. Sinar X mempunyai frekuensi antara 1020 Hz - 1025 Hz

Soal Latihan 3.2.1

1. Sinar X mempunyai frekuensi 5 x 10 18 Hz. Frekuensi ini juga dapat dituliskan dalam bentuk a. 5 YHz b. 5 ZHz c. 5 Ehz d. 5 PHz 2. Seorang pasien di diagnose berdasarkan rongten sinar X, dengan frekuensi 1019 Hz, tentukan panjang gelombang sinar tersebut. Jawab e. 3 nm f. 3 pm g. 30 nm h. 30 pm 3. Sebuah sinar Gamma diketahui mempunyai panjang gelombang 5 x 10-16 m. Panjang gelombang ini juga dapat dituliskan dalam bentuk a. 500 pm b. 500 nm c. 500 am d. 500 ym 4. Sinar Gamma digunakan untuk sterilisasi makanan kaleng di sebuah pabrik. Sinar Gamma yang digunakan mempunyai frekuensi 1023 Hz. Berapa panjang gelombangnya? Jawab a. 3000 fm b. 3000 ym 42 | Fisika Reayasa II – seri Cahaya dan Optik

c. 3000 zm d. 3000 am Jawab D 3. Sebuah mesin Rontgen di set untuk menghasilkan sinar dengan panjang gelombang 1500 am. Berapa frekuensi dari sinar yang dihasilkan tersebut? Jawab a. 200 ZHz b. 200 Ehz c. 200 Yhz d. 200 PHz

3.2.2 Radar

Radar [http://id.wikipedia.org/wiki/Radar] Pernahkah Anda melihat secara langsung atau melalui media, sebuah kapal perang mampu untuk menembak secara tepat sasaran / musuh meskipun tidak terlihat musuh / sasaran tersebut. Kapal perang tersebut hanya melihat pada layar monitor sebuah obyek yang terdeteksi. Bagaimana monitor tersebut bisa mendeteksi obyek sasaran? Menggunakan sinyal apa sehingga kapal bisa mendeteksinya? Baca penjelasan pada sub pokok bahasan ini. Ada banyak jenis gelombang, yang telah diuraikan di sub pokok bahasan Gelombang Elektromagnetik. Ada salah satu Jenis Gelombang elektromagnetik yang dikenal sebagai gelombang mikro. Gelombang mikro (microwave) mempunyai frekuensi 3 GHz. Gelombang mikro ini dapat digunakan untuk alat komunikasi, memasak, dan radar. Radar adalah singkatan dari Radio Detection and Ranging. Antena radar dapat bertindak sebagai pemancar dan penerima gelombang elektromagnetik. Di pangkalan udara, 43 | Fisika Reayasa II – seri Cahaya dan Optik

antena pemancar radar dapat berputar ke segala arah untuk mendeteksi adanya pesawat terbang yang menuju atau meninggalkan pangkalan udara. Dalam bidang transportasi, gelombang radar dipakai untuk membantu kelancaran lalu lintas pesawat di pangkalan udara atau bandara. Gelombang radar digunakan juga pada bidang pertahanan yaitu untuk melengkapi pesawat tempur sehingga bisa mengetahui keberadaan pesawat musuh. Radar dapat digunakan pula untuk mendeteksi keberadaan, letak, kecepatan, dan arah gerak benda-benda di kejauhan, seperti pesawat terbang dan kapal, melalui kemampuan bendabenda tersebut untuk memantulkan seberkas radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang beberapa sentimeter. Radar juga digunakan untuk navigasi dan pemanduan. Sistem alat ini terdiri atas pemancar yang menghasilkan radiasi frekuensi radio, seringkali berupa denyut, yang diberikan pada antena yang dapat dipindah-pindahkan yang kemudian dipancarkan sebagai berkas radiasi. Bila berkas terganggu oleh suatu benda padat, sebagian energi radiasi akan dipantulkan kembali ke antena. Sinyal yang diterima antena diteruskan ke penerima, yang kemudian memperkuat dan mendeteksinya. Gema dari pantulan benda padat ditunjukkan oleh kenaikan mendadak pada keluaran detektor. Waktu yang dibutuhkan denyut untuk mencapai benda dan untuk dipantulkan kembali (t ) dapat diketahui dari persamaan:

 = 

(3-16)

dengan d menyatakan jarak sasaran, dan c merupakan laju cahaya. Keluaran detektor biasanya ditampilkan pada tabung sinar katoda dan berbagai bentuk tampilan yang berbeda. Radar dibedakan beberapa jenis, antara lain radar cuaca, radar pengawas pelabuhan udara, radar pengawas umum, radar pesawat udara, radar sonde, dan radar surveillance. Contoh Soal 3.2.2

1. Sebuah kapal perang sedang berlayar di perairan bebas. Radar mendeteksi adanya benda asing di depannya setelah 0,5 mili detik sejak dikirimkan sinyal tersebut. Berapa jarak antara kapal dengan benda asing tersebut. Penyelesaian Diketahui

t = 0,5 detik Ditanya

d Jawab

 ,  −         =   =  = = ,    2. Radar cuaca yang digunakan oleh stasiun BMKG digunakan untuk mendeteksi adanya awan di atmosfer dengan menggunakan frekuensi 3 GHz. Berapa panjang gelombang dari radar ini? Penyelesaian Diketahui

f = 3 GHz = 3 x 109 Hz Ditanya

λ Jawab 44 | Fisika Reayasa II – seri Cahaya dan Optik

=

 =         

= 0,1 

Ringkasan 3.2.2 











Radar digunakan untuk berbagai bidang yaitu untuk keperluan Cuaca yang dinamakan Weather Radar, merupakan jenis radar cuaca yang memiliki kemampuan untuk mendeteksi intensitas curah hujan dan cuaca buruk, misalnya badai. Wind Profiler, merupakan jenis radar cuaca yang berguna untuk mendeteksi kecepatan dan arah angin dengan menggunakan gelombang suara (SODAR). Aplikasi radar pada bidang militer Militer Airborne Early Warning (AEW), merupakan sebuah sistem radar yang berfungsi untuk mendeteksi posisi dan keberadaan pesawat terbang lain. Sistem radar ini biasanya dimanfaatkan untuk pertahanan dan penyerangan udara dalam dunia militer. Aplikasi radar pada bidang Kepolisian. Radar biasa dimanfaatkan oleh kepolisian untuk mendeteksi kecepatan kendaraan bermotor saat melaju di jalan. Radar yang biasa digunakan untuk masalah ini adalah radar gun (radar kecepatan) yang berbentuk seperti pistol dan microdigicam radar Aplikasi radar pada pelayaran. Dalam bidang pelayaran, radar digunakan untuk mengatur jalur perjalanan kapal agar setiap kapal dapat berjalan dan berlalu lalang di jalurnya masing-masing dan tidak saling bertabrakan, sekalipun dalam cuaca yang kurang baik, misalnya cuaca berkabut. Aplikasi radar pada penerbangan. Dalam bidang penerbangan, penggunaan radar terlihat jelas pada pemakaian Air Traffic Control (ATC). Air Traffic Control merupakan suatu kendali dalam pengaturan lalu lintas udara. Tugasnya adalah untuk mengatur lalu lalang serta kelancaran lalu lintas udara bagi setiap pesawat terbang yang akan lepas landas (take off), terbang di udara, maupun yang akan mendarat (landing). ATC juga berfungsi untuk memberikan layanan bantuan informasi bagi pilot tentang cuaca, situasi dan kondisi bandara yang dituju. Frekuensi radar adalah 3 GHz dan dikenal sebagai glombang mikro.

Soal Latihan 3.2.2

1. Gelombang radar dikenal juga sebagai salah satu gelombang mikro. Berapa frekuensil gelombang mikro ini? a. 3000 GHz b. 3000 MHz c. 3000 THz d. 3000 KHz 2. Gelombang radar digunakan untuk mendeteksi adanya pesawat musuh.apabila waktu yang dibutuhkan oleh radar untuk mendeteksi adalah 100 mikro sekon, berapa jarak pesawat tersebut dari stasiun radar di darat. a. 150 km b. 15 km c. 1,5 km d. 0,15 km 3. Bila diketahui sebuah radar digunakan untuk menentukan jarak sebuah obyek di sekitar 30 km dari stasiun radar, berapa lama waktu untuk mendeteksi nya? 45 | Fisika Reayasa II – seri Cahaya dan Optik

a. b. c. d.

0,2 psekon 0,2 µsekon 0,2 msekon 0,2 nsekon

4. Radar dapat digunakan dalam berbagai aplikasi dibawah ini kecuali a. Untuk sterilisasi makanan / minuman b. Untuk mendeteksi adanya pesawat musuh c. Untuk mengukur kecepatan angin di suatu daerah d. Untuk mendeteksi intensitas curah hujan 5. Radar mempunyai ciri – ciri berikut ini kecuali a. Termasuk gelombang elektromagnetik b. Dikatakan sebagai gelombang mikro c. Memerlukan medium untuk mendeteksi obyek d. Frekuensi didaerah 3 GHz Contoh Soal 3.2

1.

Sebuah sinar X dari sebuah mesin rontgen diketahu mempunyai frekuensi 3 x 1018 Hz. Berapakah panjang gelombang sinar X tersebut?

Penyelesaian Diketahui

f = 3 x1018 Hz. Ditanya

λ Jawab

  3  10   = 10−  = 100  10−  = 100   =  = 3  10 1

2. Sebuah antena radar menerima sinyal adanya obyek di udara setelah 500 mikro sekon sejak dikirimkan sinyal tersebut. Berapa jarak obyek tersebut?. Penyelesaian Diketahui

t = 500 mikro sekon = 500 x 10 -6 sekon Ditanya

d Jawab

     −     =   =  = = ,    Ringkasan 3.2  

Sinar X merupakan salah satu jenis gelombang elektromagnetik yang banyak digunakan dalam bidang kedokteran, terumatam untuk foto tulang. Sinar X mempunyai frekuensi antara 1016 Hz - 1020 Hz


   









Sinar Gamma merupakan salah satu jenis gelombang elektromagnetik yang digunakan untuk sterilisasi makanan / minuman dari bakteri. Sinar X mempunyai frekuensi antara 1020 Hz - 1025 Hz Frekuensi radar adalah 3 GHz dan dikenal sebagai glombang mikro. Radar digunakan untuk berbagai bidang yaitu untuk keperluan Cuaca yang dinamakan Weather Radar, merupakan jenis radar cuaca yang memiliki kemampuan untuk mendeteksi intensitas curah hujan dan cuaca buruk, misalnya badai. Wind Profiler, merupakan jenis radar cuaca yang berguna untuk mendeteksi kecepatan dan arah angin dengan menggunakan gelombang suara (SODAR). Aplikasi radar pada bidang militer Militer Airborne Early Warning (AEW), merupakan sebuah sistem radar yang berfungsi untuk mendeteksi posisi dan keberadaan pesawat terbang lain. Sistem radar ini biasanya dimanfaatkan untuk pertahanan dan penyerangan udara dalam dunia militer. Aplikasi radar pada bidang Kepolisian. Radar biasa dimanfaatkan oleh kepolisian untuk mendeteksi kecepatan kendaraan bermotor saat melaju di jalan. Radar yang biasa digunakan untuk masalah ini adalah radar gun (radar kecepatan) yang berbentuk seperti pistol dan microdigicam radar Aplikasi radar pada pelayaran. Dalam bidang pelayaran, radar digunakan untuk mengatur jalur perjalanan kapal agar setiap kapal dapat berjalan dan berlalu lalang di jalurnya masing-masing dan tidak saling bertabrakan, sekalipun dalam cuaca yang kurang baik, misalnya cuaca berkabut. Aplikasi radar pada penerbangan. Dalam bidang penerbangan, penggunaan radar terlihat jelas pada pemakaian Air Traffic Control (ATC). Air Traffic Control merupakan suatu kendali dalam pengaturan lalu lintas udara. Tugasnya adalah untuk mengatur lalu lalang serta kelancaran lalu lintas udara bagi setiap pesawat terbang yang akan lepas landas (take off), terbang di udara, maupun yang akan mendarat (landing). ATC juga berfungsi untuk memberikan layanan bantuan informasi bagi pilot tentang cuaca, situasi dan kondisi bandara yang dituju.

Soal Latihan 3.2

1.

Sebuah tulang rusuk patah. Hal ini dapat diketahui dengan menggunakan diagnosa gambar / foto hasil sinar berikut ini a. Sinar Gamma b. Sinar Inframerah c. Sinar Y d. Sinar X Jawab D 2. Radar mempunyai sifat sifat berikut ini kecuali a. Gelombang transversal b. Dapat menembus atmosfir c. Gelombang elektromagnetik d. Tidak dapat menembus permukaan transparan Jawab D Asesmen 3.2

1. Sebuah gelombang dikatakan mempunyai sifat seperti sinar X apabila mempunyai ciri – ciri berikut a. Dapat menembus jaringan tubuh manusia dengan kecepatan sama dengan kecepatan bunyi di udara


2. Cahaya Dan Optik

Recommend Documents