1
Standar Kompetensi Menerapkan konsep dan prinsip gejala gelombang dalam menyelesaikan masalah
Kompetensi Dasar
- Mendeskripsikan gejala dan ciri-ciri gelombang bunyi dan cahaya. - Menerapkan konsep dan prinsip gelombang bunyi dan cahaya dalam teknologi
Cahaya memang menarik untuk dipelajari. Sejak berabad-abad yang lalu banyak ahli yang tertarik untuk meneliti cahaya. Sebagai contoh adalah Newton dan Maxwell. Teori Newton tentang cahaya terkenal dengan teori partikel cahaya sedangkan teori Maxwell terkenal dengan gelombang elektromagnetik. Fisikawan lain yang juga tertarik akan cahaya adalah Huygens, Thomas Young, dan Fresnell. Tokohtokoh fisika ini cukup banyak memberikan sumbangan terhadap perkembangan teori tentang cahaya. Cahaya merupakan radiasi gelombang elektromagnetik yang dapat dideteksi mata manusia. Karena itu, cahaya selain memiliki sifat-sifat gelombang secara umum misal dispersi, interferensi, difraksi, dan polarisasi, juga memiliki sifatsifat gelombang elektromagnetik, yaitu dapat merambat melalui ruang hampa. Ada dua jenis cahaya, yaitu cahaya polikromatik dan cahaya monokromatik. Cahaya polikromatik adalah cahaya yang terdiri atas banyak warna dan panjang gelombang. Contoh cahaya polikromatik adalah cahaya putih. Adapun cahaya monokromatik adalah cahaya yang hanya terdiri atas satu warna dan satu panjang gelombang. Contoh cahaya monokromatik adalah cahaya merah dan ungu. A.
Dispersi Cahaya (Disperse Light Wave) Pernahkah kamu mengamati pelangi? Mengapa pelangi terjadi pada saat gerimis atau setelah hujan turun dan matahari tetap bersinar? Peristiwa terjadinya pelangi merupakan gejala dispersi cahaya. Gejala dispersi cahaya adalah gejala peruraian cahaya putih (polikromatik) menjadi cahaya berwarna-warni (monokromatik). Di depan telah disinggung bahwa cahaya putih merupakan cahaya polikromatik, artinya cahaya yang terdiri atas banyak warna dan panjang gelombang. Jika cahaya putih diarahkan ke prisma maka cahaya putih akan terurai menjadi cahaya merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu. Cahaya-cahaya ini memiliki panjang gelombang yang berbeda. Setiap panjang gelombang memiliki indeks bias yang berbeda. Semakin kecil panjang gelombangnya semakin besar indeks biasnya. Indeks bias cahaya tersebut adalah ungu > nila > biru > hijau > kuning > jingga > merah. Perhatikan di samping! Seberkas cahaya polikromatik diarahkan ke prisma. Cahaya tersebut kemudian terurai menjadi cahaya merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu. Tiap-tiap cahaya mempunyai sudut deviasi yang berbeda. Selisih antara sudut deviasi untuk cahaya ungu dan merah disebut sudut dispersi. Besar sudut dispersi dapat dituliskan sebagai berikut:
φ δ u =
−
δ m
=
( nu
−
nm ) β
Keterangan:
φ
=
δ u δ m
sudut dispersi
=
deviasi sinar ungu
=
nu = indeks bias sinar ungu nm = indeks bias sinar merah
deviasi sinar merah
Ayo Coba !!!
1. Seberkas cahaya putih menembus sebuah prisma tipis dengan sudut pembias 10°, jika indeks bias untuk cahaya merah dan ungu masing-masing 1,49 dan 1,52, tentukanlah besar sudut dispersinya! 2. Seberkas cahaya putih menembus prisma dengan sudut pembias 10 0. Jika indeks bias cahaya merah dan ungu masing-masing 1,51 dan 1,53 tentukan besarnya sudut dispersi pada prisma tersebut ? 3. Seberkas cahaya monokromatik dilewatkan pada sebuah prisma dengan sudut pembias 60o. Jika indeks bias untuk warna merah dan ungu masing-masing 1,51 dan 1,53, tentukanlah sudut dispersi pada prisma!
Modul Fisika XII Semester Ganjil
MAN Purwokerto 1
2
”Allah (Pemberi) cahaya (kepada) langit dan bumi. Perumpamaan cahaya Allah, adalah seperti sebuah lubang yang tak tembus, yang di dalamnya ada pelita besar. Pelita itu di dalam kaca (dan) kaca itu seakan-akan bintang (yang bercahaya) seperti mutiara, yang dinyalakan dengan minyak dari pohon yang banyak berkahnya, (yaitu) pohon zaitun yang tumbuh tidak di sebelah timur (sesuatu) dan tidak pula di sebelah barat (nya), yang minyaknya (saja) hampir-hampir menerangi, walaupun tidak disentuh api. Cahaya di atas cahaya (berlapis-lapis), Allah membimbing kepada cahaya-Nya siapa yang Dia kehendaki, dan Allah memperbuat perumpamaan-perumpamaan bagi manusia, dan Allah Maha Mengetahui segala sesuatu. (QS. An Nuur: 35)
B.
Interferensi Cahaya (Interferensi Light Wave) Cahaya merupakan gelombang yaitu gelombang elektromagnetik. Interferensi adalah paduan dua gelombang atau lebih menjadi satu gelombang baru. Interferensi cahaya bisa terjadi jika ada dua atau lebih berkas sinar yang bergabung. Jika cahayanya tidak berupa berkas sinar maka interferensinya sulit diamati. Interferensi terjadi jika terpenuhi dua syarat berikut ini: 1. Kedua gelombang cahaya harus koheren, dalam arti bahwa kedua gelombang cahaya harus memiliki beda fase yang selalu tetap, oleh sebab itu keduanya harus memiliki frekuensi yang sama. 2. Kedua gelombang cahaya harus memiliki amplitude yang hampir sama.
Interferensi Celah Ganda (Interferensi by Two Tight Apertures)
Pada tahun 1804 seorang fisikawan bernama Thomas Young (1773-1829) dapat mendemonstrasikan interferensi cahaya. Young melewatkan cahaya koheren (sinarsinarnya sefase dan frekuensi sama) melalui dua celah sempit yang dikenal dengan celah ganda. Perhatikan Gambar (a), dua berkas cahaya koheren dilewatkan pada celah ganda kemudian dapat mengenai layar. Pada layar itulah p tampak pola garisgaris terang seperti pada Gambar(b). Pola garisgaris terang dan gelap inilah bukti bahwa cahaya dapat berinterferensi.
Interferensi cahaya terjadi karena adanya beda fase cahaya dari kedua celah tersebut. Berkas cahaya dari S1 dan S2 yang sampai pada layar terlihat berbeda lintasan sebesar ΔS = d sin θ. Perbedaan panjang lintasan inilah yang dapat menimbulkan fase antara dua berkas cahaya tersebut berbeda. Interferensi akan saling menguatkan jika berkas cahaya sefase dan saling melemahkan jika berlawanan fase. Sefase berarti berbeda sudut fase Δθ = 0, 2π, 4π, ..... Sedangkan berlawanan fase berarti berbeda sudut fase Δθ = π, 3π, 5π, ... . Syarat ini dapat dituliskan dengan beda lintasan seperti persamaan berikut:
Interferensi maksimum (garis terang) : d sin θ = n λ
Interferensi minimum (garis gelap) : d sin θ = (n −
1 2
) λ
Keterangan : d = jarak antar celah (m), θ = sudut yang dibentuk berkas cahaya dengan garis mendatar n = pola interferensi (orde), garis terang n = 0, 1,2,3,....; garis gelap n = 1,2,3,.... λ = panjang gelombang cahaya yang berinterferensi (m)
Modul Fisika XII Semester Ganjil
MAN Purwokerto 1
3
sin
θ
Perhatikan kembali Gambar (a). Untuk sudut θ kecil ( θ ≤ 12o) akan berlaku: ≈ tg θ berarti selisih lintasannya memenuhi hubungan berikut:
d sin θ
pd =
l Ayo Coba !!!
1. Pada percobaan Young digunakan gelombang cahaya dengan panjang gelombang 4.500 Å dan jarak antara celah dengan layar 2 meter. Jika jarak antarcelah 0,5 mm, tentukan jarak pita terang kedua dari pusat terang! 2. 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. Tentukan : 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 ! 3. Dua celah yang berjarak 1 mm, disinari cahaya merah dengan panjang gelombang 6,5 × 10 -7 m. Garis gelap terang dapat diamati pada layar yang berjarak 1 m dari celah. Hitunglah jarak antara gelap ketiga dan terang pusat, serta jarak antara terang kedua dengan garis terang keempat! 4. Cahaya dengan panjang gelombang 4000 Å datang pada celah ganda yang jaraknya 0,4 mm. Pola interferensi yang terjadi ditangkap pada layar yang berada 50 cm dari celah ganda. Tentukan : a. jarak antara garis terang pertama dengan terang ketiga yang berdekatan, b. jarak antara dua garis terang berdekatan c. jarak antara garis gelap pertama dengan gelap kelima yang berdekatan ! 5. If in Young’s experiment the distance of screen is 1,5 meters and distance between two tight apertures is 1 mm, then determine the wavelength of light used if the distence of the first bright band to the center bright is 8 mm!
Interferensi pada Lapisan Tipis Kalian tentu pernah main air sabun yang ditiup sehingga terjadi gelembung. Kemudian saat terkena sinar matahari akan terlihat warna-warni. Cahaya warna-warni inilah bukti adanya peristiwa interferensi cahaya pada lapisan tipis air sabun. Interferensi ini terjadi pada sinar yang dipantulkan langsung dan sinar yang dipantulkan setelah dibiaskan. Syarat terjadinya interferensi memenuhi persamaan berikut:
Interferensi maksimum : 2nd = (m +
1 2
)
λ
Interferensi minimum : 2nd = m . λ Keterangan : n = indeks bias lapisan d = tebal lapisan (m) λ = panjang gelombang cahaya (m) m = 0, 1, 2,3, 4, ......
Ayo Coba !!!
1. Lapisan minyak berada di atas air dapat memantulkan warna merah. Hal ini dapat membuktikan bahwa warna biru mengalami interferensi dan hilang dari spektrum. Jika indeks bias minyak 1,5 dan panjang gelombang sinar biru sebesar 4500 Å, maka tentukan tebal minimum minyak tersebut! 2. Sebuah sinar monokromatik dengan panjang gelombang 5800 Å didatangkan vertikal pada lapisan minyak yang indeks biasnya = 1,2. Agar terjadi pelemahan sinar maka tentukan tebal minimum lapisan minyak tersebut !
“Atau seperti gelap gulita di lautan yang dalam, yang diliputi oleh ombak, yang di atasnya ombak (pula), di atasnya (lagi) awan; gelap gulita yang tindih-bertindih, apabila dia mengeluarkan tangannya, tiadalah dia dapat melihatnya, (dan) barang siapa yang tiada diberi cahaya (petunjuk) oleh Allah tiadalah dia mempunyai cahaya sedikit pun”(QS. An Nuur: 40)
Modul Fisika XII Semester Ganjil
MAN Purwokerto 1
4
C.
Difraksi c ahaya (Light Diffraction) 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. Difraksi Celah Tunggal Gambar di samping memperlihatkan gelombang cahaya yang datang pada sebuah celah yang sangat sempit. Pola interferensi pada difraksi celah tunggal ini terlihat adanya garis-garis gelap. Sedangkan pola terangnya lebar. Terang pusat akan melebar setengah bagian lebih lebar pada kedua sisi. Dari kejadian ini dapat dituliskan syarat-syarat interferensi sebagai berikut:
Difraksi
maksimum : d sin θ = (m +
1 2
) λ
Difraksi minimum : d sin θ = m λ Keterangan : d = lebar celah (m) θ = sudut berkas sinar dengan arah tegak lurus (derajat) λ = panjang gelombang cahaya (m) m = 1, 2, 3, 4, ....
Ayo Coba !!!
1. Celah tunggal yang lebarnya 0,1 mm disinari berkas cahaya dengan panjang gelombang 4.000 Å. Apabila pola difraksi ditangkap pada layar yang jaraknya 20 cm dari celah, tentukan jarak antara garis gelap ketiga dan garis pusat terang! 2. Sebuah celah memiliki lebar 0,2 mm disinari cahaya berkas sejajar dengan panjang gelombang 5000 Å. Jika sebuah layar ditempatkan 100 cm dibelakang celah, maka tentukan jarak garis gelap ke 1 dari terang pusat? 3. Cahaya monokromatik dari sebuah sumber mengenai sebuah celah tunggal yang mempunyai diameter celah 0,06 cm. Jarak garis gelap kedua terhadap pusat terang adalah 0,12 cm. Jika jarak celah terhadap layar 2,4 m, berapakah panjang gelombang cahaya tersebut? Difraksi Celah Ganda (Kisi Difraksi) Kisi difraksi merupakan piranti untuk menghasilkan spektrum dengan menggunakan difraksi dan interferensi, yang tersusun oleh celah sejajar dalam jumlah sangat banyak dan memiliki jarak yang sama (biasanya dalam orde 1.000 per mm). Dengan menggunakan banyak celah, garis-garis terang dan gelap yang dihasilkan pada layar menjadi lebih tajam. Bila banyaknya garis (celah) per satuan panjang, misalnya cm adalah N , maka tetapan kisi d adalah:
d=
1 N
Bila cahaya dilewatkan pada kisi dan diarahkan ke layar, maka pada layar akan terjadi hal-hal berikut ini: Garis terang (maksimum), bila: d.sin θ = n. λ ; n = 0, 1, 2, ........ Garis gelap (minimum), bila: d.sin θ = (n+
Modul Fisika XII Semester Ganjil
1 2
) λ; n = 1, 2, 3, ........
MAN Purwokerto 1
5
Ayo Coba !!!
1. Sebuah kisi difraksi mempunyai 5000 garis/cm. Jika garis terang orde ke-3 membentuk sudut 300 terhadap titik pusat, hitunglah panjang gelombang cahaya yang digunakan? 2. Celah tunggal yang lebarnya 0,1 mm disinari berkas cahaya dengan panjang gelombang 4.000 Å. Apabila pola difraksi ditangkap pada layar yang jaraknya 20 cm dari celah, tentukan jarak antara garis gelap ketiga dan garis pusat terang! 3. A grid has 6000 scratches in every 1 cm. The diffraction angle when the center band occurring is 30 0. What is the wavelength of this light? 4. Seberkas cahaya jatuh tegak lurus pada kisi yang terdiri dari 2000 garis tiap cm. Orde terang kedua membentuk sudut 30O terhadap horisontal. Berapakah : a. panjang gelombang cahaya yang digunakan, b. jarak antar pola terang berdekatan jika layar dipasang pada jarak 40 cm di belakang kisi ? 5. Cahaya dengan panjang gelombang 6000 Å dijatuhkan tegak lurus pada kisi. Jika interferensi maksimum (terang) orde kedua dengan sudut 15° (sin 15o = 0,25), maka tentukan : a. jarak antar pola terang berdekatan, b. jumlah garis per cm pada kisi!
D.
POLARISASI CAHAYA (Polarization of Light)
Pada pembahasan sebelumnya telah disebutkan bahwa cahaya termasuk gelombang tranversal. Hal ini dibuktikan oleh peristiwa polarisasi cahaya. Polarisasi cahaya adalah pembatasan atau pengutuban dua arah getar menjadi satu arah getar. Polarisasi cahaya dapat terjadi karena beberapa hal berikut:
1. pemantulan (Reflection) 2. pembiasan (Reflaction 3. absorpsi selektif ( Selective Absorption) 4. hamburan (Scattering)
Ayo Coba !!!
1. 2. 3. 4. 5.
Jelaskan tentang polarisasi karena pemantulan! Jelaskan tentang polarisasi karena pembiasan! Jelaskan tentang polarisasi karena absorpsi selektif! Jelaskan tentang polarisasi karena hamburan! Calculate the polarize angle of a glass plate (n = 1,5) which will be used as a polarizer of light in the air?
Ada empat perkara, barangsiapa memilikinya Allah akan membangun untuknya rumah di s urga, dan dia dalam naungan cahaya Allah yang Maha Agung. Apabila pegangan teguhnya "Laailaha illallah". Jika memperoleh kebaikan dia mengucapkan "Alhamdulillah", jika berbuat salah (dosa) dia mengucapkan "Astaghfirullah" dan jika ditimpa musibah dia berkata "Inna lillahi wainna ilaihi roji'uun." (HR. Ad-Dailami)
Modul Fisika XII Semester Ganjil
MAN Purwokerto 1
6
MARI KERJAKANLAH AGAR KAMU LEBIH PAHAM A.
Pilihlah jawaban yang paling tepat!
1. Sebuah prisma dengan sudut pembias kecil 90. indeks biasnya 2 berada pada medium yang indeks biasnya 1,2. sinar datang dari prisma tersebut dan sinar mengalami deviasi minimum dengan sudut…. a. 20 b. 40 c. 60 d.80 e. 100 2. Bila cahaya matahari mengenai suatu lapisan tipis minyak yang ada di atas permukaan air, maka warnawarna yang terlihat timbul karena .... a. difraksi b. refraksi c. interferensi d. polarisasi e. reflaksi 3. Dalam percobaan celah ganda, jarak kedua celah 0,5 mm. Jarak layar ke celah 1 m dan dipakai cahaya dengan panjang gelombang 540 nm. Jarak gelap ketiga terhadap terang keempat adalah ... . a. 0,27 mm b. 0,54 mm c. 0,80 mm d. 1,08 mm e. 1,62 mm 4. Seberkas cahaya jatuh tegak lurus mengenai dua celah yang berjarak 0,4 mm. Garis terang ketiga pada layar berjarak 0,5 mm dari terang pusat. Jika jarak layar dengan celah adalah 40 cm, maka panjang gelombang cahaya tersebut adalah … . a. 400 mm b. 200 mm c. 170 mm d. 120 mm e. 100 mm 5. Seberkas cahaya monokromatik dengan panjang gelombang 5.000 Å dilewatkan pada kisi difraksi sehingga garis terang kedua terjadi dengan sudut deviasi 30 0 terhadap garis normal. Kisi tersebut memiliki jumlah garis per milimeter sebesar … . a. 250 b. 500 c. 1.000 d. 2.000 e. 4.000 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 meter dari celah. Panjang gelombang sinar yang dipakai adalah ... . a.2,5 x 10 –4 mm b. 1,5 x 10 –3 mm c. 2,5 x 10 –3 mm d. 5,0 x 10 –4 mm e.5,0 x 10 –3 mm 7. Pita gelap ketiga terletak pada jarak 2 mm dari pusat terang pada percobaan interferensi dengan menggunakan cahaya 540 nm (1 nm = 10-9 m ). Jika jarak antara celah dan layar 1 meter maka lebar celah yang digunakan adalah . . . . a. 0,3 mm b. 0,4 mm c. 0,5 mm d. 0,6 mm e. 0,7 mm 8. Sebuah kisi yang mempunyai 2 x 10 garis/cm menerima seberkas sinar monokromatis. Sudut deviasi garis terang pertama yang dipakai 30°. Panjang gelombang sinar monokromatis yang digunakan …. a. 1000 nm b. 750 nm c. 500 nm d. 250 √3 nm e. 250 nm 9. Seorang siswa melakukan percobaan difraksi cahaya dengan menggunakan kisi difraksi 300 garis/mm. Ia mendapatkan pita terang pertama untuk suatu cahaya monokromatik berjarak 1,8 cm dari pusat terang. Panjang gelombang cahaya yang ia gunakan adalah . . . . a. 4.000 Å b. 4.500 Å c. 5.000 Å d. 5.500 Å e. 6.000 Å 10. Suatu medium optik memiliki indeks bias 3 maka sudut datang sinar datang agar terjadi polarisasi cahaya akibat pemantulan adalah . . . . a. 30° b. 45° c. 60° d. 75° e. 90° B.
Jawablah dengan tepat!
1. Suatu cahaya dari udara menuju air (n a = 4/3). Supaya cahaya mengalami polarisasi linier, maka tentukan : a. sudut datangnya, b. sudut biasnya ! 2. Tentukanlah besar sudut datang polarisasi pada kaca dengan indeks bias 1,5! 3. Sebutkan dan jelaskan penerapan cahaya dalam bidang teknologi ! 4. Seberkas cahaya memiliki intensitas 36 wat/m2 dilewatkan pada dua polarisator. Jika kedua polarisator dipasang sehingga sumbu transmisinya membentuk sudut 60 O maka tentukanlah intensitas cahaya yang keluar dari kedua polarisator tersebut!
Modul Fisika XII Semester Ganjil
MAN Purwokerto 1
7
DAFTAR PUSTAKA Ari Damari, Sri H. 2009. Fisika Untuk SMA/MA Kelas XII . Jakarta: Pusat Perbukuan Depdiknas Asmiarto, Didik. 2006. Panduan Belajar Kelas 12 SMA IPA . Yogyakarta : Primagama Budiyanto, Joko. 2009. Fisika Untuk SMA/MA Kelas XII . Jakarta: Pusat Perbukuan Depdiknas Istiyono Edi. 2004. Sains Fisika Untuk Kelas XII . Klaten : Intan Pariwara. Kanginan M. 2007. Fisika Untuk SMA Kelas XII . Jakarta : Erlangga. Lasmi, Ketut.2004. Bimbingan Pemantapan Fisika. Bandung : Yrama Widya. Supiyanto. 2007. Fisika Untuk SMA Kelas XII . Jakarta : Phibeta. Siswanto, Sukaryadi. 2009. Kompetensi Fisika Untuk SMA/MA Kelas XII . Jakarta: Pusat Perbukuan Depdiknas Sunardi, Etsa. 2007. Fisika Bilingual Kelas XII . Bandung : Yrama Widya. Umar E. Fisika dan Kecakapan Hidup Kelas XII . Jakarta : Ganeca-Exact. http://fisikaman.co.nr Disusun oleh: Iksan Taufik Hidayanto, S.Pd NIP. 19790702 200501 1 002
Modul Fisika XII Semester Ganjil
MAN Purwokerto 1
