BAB II KAJIAN TEORI DAN KERANGKA PIKIR
A. Kajian Teoritis
5. Konsep Cahaya
Konsep fisika yang diambil dalam penelitian adalah salah satu konsep yang terdapat di kelas VIII SMP semester genap, yaitu konsep cahaya. Materi pokok ini mengcu pada standar kompetensi dan kompetensi dasar yang tercantum dalam Kurikulum Tingkat Satuan Pendidikan (KTSP) tahun 2006. Konsep cahaya secara garis besar dapat dilihat pada peta konsep di bawah ini:
Gambar 2.1 Peta Konsep Cahaya
Hakikat cahaya adalah energi yang diperlukan dalam kehidupan sehari-hari. Tanpa cahaya aktivitas kita akan terbatasi. Cahaya juga merupakan salah satu bentuk gelombang. Cahaya dapat merambat di ruang hampa udara, karena termasuk jenis gelombang elektromagnetik. Jika cahaya mengenai suatu benda, seperti halnya gelombang mekanik, cahaya tersebut dapat dipantulkan dan dibiaskan.
a. Sifat cahaya merambat lurus
Cahaya dapat merambat lurus ke semua arah. Buktinya, saat berjalan di kegelapan kita memerlukan senter. Cahaya dari lampu senter arah rambatannya menurut garis lurus. Atau ketika kita melihat cahaya matahari yang menerobos masuk melalui genting. Kedua hal tersebut membuktikan bahwa cahaya merambat lurus. Perhatikan gambar berikut.
Gambar 2.2 Bayang-bayang gelap (umbra) dan bayang-bayang semu (penumbra) terbentuk oleh sumber cahaya yang lebih besar dari bendanya
Dari gambar di atas, cahaya yang sedang merambat mengenai benda yang tidak tembus cahaya (apaque), cahaya tersebut akan terhalang. Hal ini terbukti, ruangan di belakang benda tersebut gelap sehingga terjadi bayang-bayang benda. Biasanya, bayang-bayang yang terbentuk ada dua macam, yaitu bayang-banyang inti (umbra), dan bayang-bayang kabur (penumbra).
b. Pemantulan cahaya
Pemantulan cahaya pada permukaan rata diamati pertama kali oleh seorang ilmuwan Belanda yang bernama Willebrord Snellius. Maka dikenal dengan hukum Snellius. Pemantulan cahaya sesuai dengan hukum pemantulan yang dikemukakan oleh Snellius yaitu:
(1) Sinar datang, sinar pantul dan garis normal terletak pada satu bidang datar.
(2) Sudut datang sama dengan sudut pantul. 1) Cermin datar
Cermin datar adalah cermin yang bentuk permukaannya datar. Bayangan yang terbentuk karena berkas cahaya mengenai suatu benda yang rata akan dipantulkan secara teratur. Perhatikan gambar di bawah ini
Gambar 2.3 Pembentukan bayangan pada cermin datar
Dari gambar di atas dapat disimpulkan bahwa sifat bayangan yang terbentuk pada cermin datar adalah; maya, tegak, sama besar, sama jarak, dan sifatnya terbalik antara kiri-kanan. Bila benda diletakan di antara dua cermin datar yang membentuk sudut α, maka bayangan yang terbentuk dapat kita hitung dengan persamaan:
= 360− 1
Keterangan:
n : banyaknya bayangan
α : sudut yang terbentuk 1 : konstanta
2) Cermin cekung
Cermin cekung (cermin konkaf/cermin positif) adalah cermin yang permukaannya lengkung seperti permukaan bola. Cermin cekung memiliki sifat mengumpulkan cahaya (konvergen). Adapun tiga sinar istimewa pada cermin cekung adalah sebagai berikut:
a) Sinar datang sejajar sumbu utama akan dipantulkan melalui titik fokus. b)Sinar datang melalui titik fokus akan dipantulkan sejajar sumbu utama. c) Sinar datang melalui titik pusat kelengkungan cermin akan dipantulkan
melalui titik kelengkungan itu juga.
Gambar 2.4 Tiga Sinar Istimewa Cermin Cekung
Untuk mengagmbar bayangan benda pada cermin cekung dapat menggunakan dua dari tiga sinar istimewa di atas. Sifat bayangan yang terbentuk tergantung pada posisi benda terhadap cermin. Untuk memudahkan mengingat posisi atau letak dan sifat-sifat bayangan suatu benda yang diletakkan pada cermin cekung, yaitu dengan menggunakan metode penomoran ruangan (delil esback), seperti pada gambar di bawah ini.
Gambar 2.5 Bagian-bagian ruangan pada cermin cekung
Jadi, untuk menentukan posisi bayangan suatu benda bisa menggunakan persamaan sebagai berikut:
Keterangan:
(1) Jika benda berada di ruang II dan III (lebih besar dari jarak fokus), bayangan yang terbentuk bersifat nyata, diperkecil dan terbalik.
(2) Jika benda berada di ruang I (jaraknya lebih kecil dari jarak fokus), bayangan yang terbentuk bersifat maya, diperbesar dan sama tegak. (3) Bila benda berada di tempat jauh tak terhingga, bayangannya terletak
pada titik fokus dan mempunyai sifat nyata, diperkecil,dan terbalik. (4) Bayangan nyata terletak di depan cermin dan bayangan maya terletak
di belakang cermin. Bayangan nyata adalah bayangan yang terbentuk
oleh perpotongan sinar pantul. Sedangkan bayangan maya adalah bayangan yang terbentuk oleh perpanjangan sinar-sinar pantul (garis putus-putus).
Persamaan yang berlaku untuk cermin cekung adalah sebagai berikut:
= +
karena
f =
maka bisa juga menggunakan persamaan:
2 = 1 + 1 Keterangan: f : titik fokus (m) So : jarak benda (m) Si : jarak bayangan (m) R : jari-jari kelengkungan (m)
Sedangakan untuk mengetahui perbesaran bayangan didefinisikan sebagai perbandingan ukuran bayangan dengan ukuran bendanya. Secara matematis dapat ditulis menjadi: = = ℎ ℎ Keterangan: M : perbesaran bayangan (m) SO : jarak benda (m) Si : jarak bayangan (m) hO : tinggi benda (m) hi : tinggi bayangan (m)
Cermin cekung banyak dimanfaatan dalam kehidupan sehari-hari, diantaranya sebagai berikut:
(1) Kaca rias, Cermin cekung dengan fokus yang besar dapat dijadikan kaca rias, karena menghasilkan bayangan yang diperbesar.
(2) Parabola, cermin cekung banyak digunakan sebagai parabola karena sifatnya yang mengumpulkan gelombang.
(3) Teropong, cermin cekung digunakan pada teropong pantul pengganti lensa okuler.
(4) Sebagai pengumpul sinar matahari pada Pembangkit Listrik Tenaga Surya.
3) Cermin cembung
Cermin cembung (cermin konveks/cermin negatif) adalah cermin yang permukaannya melengkung keluar. Cermin cembung selalu menyebarkan cahaya (divergen). Sehingga sinar-sinar yang dipantulkan pada cermin cembung seolah-olah berasal dari titik fokus menyebar keluar. Oleh karena itu pada perhitungan titik fokus (titik api) pada cermin cembung bernilai negatif karena bersifat maya (semu).
Adapun tiga sinar istimewa yang dimiliki cermin cembung adalah sebagai berikut: a) Sinar yang datang sejajar sumbu utama akan dipantulkan seolah-olah dari
titik fokus.
b)Sinar yang datang menuju fokus akan dipantulkan sejajar sumbu utama. c) Sinar yang datang menuju pusat kelengkungan akan dipantulkan kembali. Bila digambarkan seperti gambar di bawah ini.
Gambar 2.6 Tiga Sinar Istimewa Cermin Cembung
Sama halnya dengan pembentukan bayangan pada cermin cekung, pembentukan bayangan pada cermin cembung juga dengan menggunakan dua sinar istimewa cermin cembung. Tetapi bayangan yang terbentuk selalu dibelakang cermin dengan sifat maya, sama tegak, dan diperkecil. Untuk mengetahui jarak benda, jarak bayangan dan perbesarannya dapat menggunakan persamaan:
1
Persamaan untuk perbesaran bayangan: = = ℎ ℎ Keterangan: f : titik fokus (m) SO : jarak benda (m) Si : jarak bayangan (m) M : perbesaran bayangan (m) hO : tinggi benda (m) hi : tinggi bayangan (m)
nilai f dan Si selalu negatif.
Dengan sifat bayangan yang terbentuk selalu dibelakang cermin, maya, sama tegak, dan diperkecil maka cermin cembung banyak digunakan untuk:
(1) Kaca spion pada kendaraan. (2) Kaca pengintai pada supermarket. (3) Kaca spion pada tikungan jalan.
c. Pembiasan cahaya
Pembiasan cahaya adalah peristiwa penyimpangan atau pembelokan cahaya karena melalui dua medium yang berbeda kerapatan optiknya. Sinar bias akan mendekati garis normal ketika sinar datang dari medium kurang rapat (udara) ke medium lebih rapat (kaca). Dan jika cahaya merambat dari medium lebih rapat (kaca) ke medium kurang rapat (udara), maka sinar bias akan menjauhi garis normal. Perhatikan gambar berikut.
Gambar 2.7 Pembiasan pada kaca plan paralel
Pembelokan ini terjadi karena cepat rambat cahaya dalam medium satu dengan yang lain berbeda-beda. Perbandingan cepat rambat cahaya di ruang hampa
dan cepat rambat cahaya dalam medium disebut indeks bias. Secara sistematis dirumuskan:
=
Keterangan:n
: indeks biasc
: cepat rambat cahaya di ruang hampa (3 · 108 m/s)c
n : cepat rambat cahaya dalam medium (m/s) indeks bias tidak pernah lebih kecil dari 1 (artinya, n ³1).
Pada pembiasan juga berlaku hukum Snellius, yang berbunyi sebagai berikut: (1) Sinar datang, garis normal, dan sinar bias terletak dalam satu bidang
datar.
(2) Perbandingan antara proyeksi sinar datang dan proyeksi sinar bias pada bidang batas merupakan bilangan tetap.
1) Pembiasan lensa cekung
Lensa cekung adalah lensa yang bagian tengahnya berbentuk cekung lebih tipis dari bagian tepinya. Jika sinar sejajar dikenakan pada lensa cekung, sinar-sinar biasnya akan menyebar seolah-olah berasal dari satu titik yang disebut titik fokus. Titik fokus lensa cekung bersifat maya atau semu dan bernilai negatif. Ada tiga sinar-sinar istimewa lensa cekung, yaitu:
a) Sinar datang sejajar sumbu utama dibiaskan seolah-olah berasal dari titik fokus.
b)Sinar datang menuju titik fokus akan dibiaskan sejajar sumbu utama. c) Sinar datang melalui pusat optik akan diteruskan tanpa dibiaskan. Bila disajikan dalam bentuk gambar adalah sebagai berikut:
Lensa cekung juga memiliki beberapa jenis lensa, yaitu: lensa konveks konkaf; lensa yang salah satu permukaannya berbentuk bidang cekung dan permukaan lainnya berbentuk bidang cembung. Lensa plan konkaf; lensa cekung yang salah satu permukaannya berbentuk bidang datar. Dan lensa bikonkaf; lensa cekung yang kedua permukaannya berupa bidang cekung.
2) Pembiasan lensa cembung
Lensa cembung atau lensa konveks merupakan lensa yang bersifat mengumpulkan cahaya (konvergen). Berbeda dengan lensa cekung, jari-jari kelengkungan lensa cembung bernilai positif. Lensa cembung ada tiga macam, yaitu: lensa bikonveks (cembung ganda), lensa plankonveks (cembung datar), lensa konkaf konveks (meniskus cembung/cembung cekung). Lensa cembung juga memiliki sinar-sinar istimewa, yaitu sebagai berikut.
a) Sinar datang sejajar sumbu utama dibiaskan melalui titik fokus. b)Sinar datang melalui titik fokus dibiaskan sejajar sumbu utama.
c) Sinar datang melalui titik pusat optik tidak dibiaskan melainkan diteruskan.
Gambar 2.9 Tiga Sinar Istimewa Lensa Cembung
Untuk menggambarkan bayangan pada lensa cembung dan lensa cekung menggunakan dua sinar istimewanya masing-masing. Bayangan benda diperoleh dari perpotongan atau perpanjangan dua sinar bias tersebut. Persamaannya adalah sebagai berikut: 1 + 1 = 1 = = ℎ ℎ Keterangan:
So : jarak benda (m) M : perbesaran bayangan Si : jarak bayangan (m) ho : tinggi benda (m)
f : jarak fokus (m) hi : tinggi bayangan (m) Dengan ketentuan sebagai berikut:
Tabel 2.5 Ketentuan pada Lensa Lensa Cekung Lensa Cembung f = negatif (f < 0) f = posiif (f > 0) Si = negatif (Si < 0) So = positif (So > 0)
Lensa memiliki kekuatan untuk memfokuskan sinar-sinar yang melewatinya. Semakin kecil jarak fokus, semakin besar kekuatan lensa tersebut. Adapun persamaanya adalah:
= 1
Keterangan:
P : kekuatan lensa (dioptri) f : jarak fokus (m)
Kegunaan lensa sering dipakai dalam kehidupan sehari-hari, diantaranya: kaca mata, kamera, mikroskop, lup, teleskop, dan OHP.