gelombang cahaya

(1)

Fisika Kelas XII IPA/Halaman 8 http://klasakura.blogspot.com/materi

BAB III

OPTIK FISIS

A.

TEORI CAHAYA

1. Sir Isaac Newton : teori korpuskular yaitu cahaya merupakan partikel

2. Christian Huygens : Teori Undulasi yaitu cahaya pada dasarnya sama dengan bunyi

3. James clerk Maxwell : cahaya adalah gelombang elektromagnetik

4. Albert Einstein : cahaya bersifat sebagai gelombang dan partikel

B.

Sifat

–

sifat Cahaya :

1. pemantulan

4. difraksi

2. pembiasan

5. Dispersi

3. interferensi

6. Polarisasi

C. Dispersi Cahaya

Dispersi adalah peristiwa penguraian cahaya putih

(polikromatik)

menjadi

komponen-komponennya.

Komponen-komponen warna yang terbentuk yaitu merah,

jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu. Dispersi terjadi

akibat adanya perbedaan deviasi untuk setiap panjang

gelombang, yang disebabkan oleh perbedaan kelajuan

masing-masing gelombang pada saat melewati medium pembias.

Sudut Dispersi

Selisih sudut deviasi antara dua sinar adalah sudut

dispersi ()

Jadi :

 = (n

u

–

n

m

) 

nu

= indeks bias warna ungu

nm

= indeks bias warna merah

 = sudut pembias prisma

D. Interferensi Cahaya

Interferensi adalah paduan dua gelombang atau lebih menjadi satu gelombang baru. Interferensi erjadi jika terpenuhi dua syarat berikut :

a. 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)

Fisika Kelas XII IPA/Halaman 9 http://klasakura.blogspot.com/materi 1. Interferensi Celah Ganda

Fenomena interferensi cahaya ditunjukkan oleh percobaan yang dilakukan oleh Thomas Young. Berkas cahaya yang melalui celah S1 dan S2 berasal dari celah sempit S0, tampak pada Gambar di

bawah :

Interferensi dapat terjadi karena adanya beda lintasan berkas cahaya dari S1dan S2.Jika jarak antara kedua celah (d ), jauh lebih kecil daripada jarak celah terhadap layar, l (d << l ), maka beda lintasan pada titik sembarang P adalah

S2P –S1P = d sin 

a. Interferensi maksimum

Apabila dua gelombang bertemu, dan saling menguatkan, maka akan terjadi interferensi maksimum dan terbentuk pola garis terang. Pada celah ganda, interferensi ini akan terjadi apabila kedua gelombang memiliki fase yang sama (sefase). Fase sama pada fungsi sinus didapat jika beda lintasan antara dua gelombang cahaya sama dengan 0, , 2, 3, 4, ….. Secara matematis dapat ditulis :

d sin  = n (n = 0, 1, 2, 3, ....)

Bilangan n disebut orde. Untuk n = 0 disebut orde nol atau terang pusat (terang utama), n = 1 disebut maksimum orde ke 1 atau terang ke 1, n = 2 disbut maksimum orde ke 2 atau terang ke 2 dan seterusnya. Karena l >> d, aka sudut θ sa gat ke il, sehi gga erlaku pendekatan

sin  = tg  =

Sehingga interferensi maksimum terjadi jika :

= n

Dengan : p = jarak garis terang dari pusat terang, d = jarak kedua celah, l = jarak layar ke sumber cahaya, λ = pa ja g gelo a g, n = orde atau nomor terang (n = 0, 1, 2, ... .)

b. Interferensi minimum

Interferensi minimum terjadi jika dua gelombang bertemu dan saling meniadakan, sehingga terbentuk pola garis gelap. Interferensi ini terjadi pada dua gelombang yang tidak sefase. Secara matematis :

d sin  = (n + )  (n = 0, 1, 2, 3, ....)

 

n = 0 diesbut minimum orde ke 1 atau garis gelap ke 1, n = 1 disbut minimum orde ke 2 atau garis gelap ke 2, dan seterusnya.

Mengingat sin  = , maka :

= n

Sehingga interferensi maksimum terjadi jika :

= (n + ) 

dengan p adalah jarak gelap ke-n dari pusat terang.

Pada interferensi celah ganda, jarak dua garis terang yang berurutan sama dengan jarak dua garis gelap yang berurutan, yaitu :

(3)

Fisika Kelas XII IPA/Halaman 10 http://klasakura.blogspot.com/materi 2. Interferensi oleh Lapisan Tipis

- Timbulnya garis-garis berwarna yang tampak pada lapisan tipis minyak tanah yang tumpah di permukaan air

- Warna-warni yang terlihat pada gelembung sabun yang mendapat sinar matahari - Timbulnya warna-warni pada cakram padat (compact disc).

Pola interferensi pada lapisan tipis dipengaruhi oleh dua faktor, yaitu :

- panjang lintasan optik - perubahan fase sinar pantul.

Sinar datang dengan sudut datang i pada lapisan tipis dengan ketebalan d dan indeks bias n, sehingga sinar mengalami pemantulan dan pembiasan dengan sudut bias r. Dengan mempertimbangkan kedua faktor di atas, dapat ditentukan syarat-syarat terjadinya interferensi berikut ini.

1. Syarat terjadinya interferensi maksimum (terang)

2n.d.cos r = (m +– λ ( m = 0, 1, 2, 3, … 2. Syarat terjadinya interferensi minimum (gelap)

2n.d.cos r = mλ m = 1, 2, 3, 4, ....) Dengan : n = indeks bias lapisan tipis

d = ketebalan lapisan tipis r = sudut bias

m = tingkat terang/gelap

3. Cincin Newton

Pola interferensi cincin Newton ini terjadi jika cahaya dengan panjang gelombang λ , datang dari atas dengan arah tegak lurus. Jika R adalah jari-jari kelengkungan lensa dan r adalah jari-jari kelengkungan gelap dan terang hasil interferensi, maka akan terjadi hal-hal berikut ini.

1. Interferensi maksimum (lingkaran terang), jika:

= (n - )  R (n = 1, 2, 3, ...)

dengan rt adalah jari-jari lingkaran terang ke-n.

2. Interferensi minimum (lingkaran gelap), jika:

= n R (n = 0, 1, 2, ...}

dengan rg adalah jari-jari lingkaran gelap ke-n.

E. Difraksi Cahaya

Difraksi cahaya adalah peristiwa penyebaran atau pembelokan gelombang oleh celah sempit sebagai penghalang.

a. Difraksi Celah Tunggal

Gambar di samping menunjukkan gelombang cahaya dengan panjang gelombang λ didifraksikan oleh celah sempit dengan lebar d. Pola gelap dan terang terbentuk

ketika gelombang cahaya mengalami interferensi.

Sementara itu, pola terang (difraksi maksimum) terjadi bila:

d sin θ = (n - )  ( n = , , , …

Atau :

[image:3.595.77.542.50.613.2]

(4)

Fisika Kelas XII IPA/Halaman 11 http://klasakura.blogspot.com/materi Pola gelap (difraksi minimum) terjadi jika:

d si θ = n. λ n = 1, 2, 3 ...) Atau :

= n  Dengan :

d = jarak antara dua celah

p = jarak terang pusat ke terang/gelap berikutnya l = jarak antara celah dengan layar

 = panjang gelomang n = orde

b. Difraksi Celah Majemuk (Kisi difraksi

Kisi difraksi : 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). Bila banyaknya garis (celah) per satuan panjang, misalnya cm adalah N, maka tetapan kisi d

adalah : d =

Bila cahaya dilewatkan pada kisi dan diarahkan ke layar, maka pada layar akan terjadi hal-hal berikut ini.

1. Garis terang (maksimum), bila:

d.si θ = n. λ n = 0, 1, 2, .... dengan n = 0 menyatakan maksiumum orde ke nol atau terang pusat, n = 1 menyatakan maksimum orde ke 1 atau terang kesatu, n = 2 menyatakan maksimum orde kedua atau terang kedua

2. Garis gelap (minimum), bila:

d.sin θ = (n- )  = , , , ….

Contoh soal :

1. Diketahui jarak dua celah ke layar 1,5 m dan panjang gelombang yang digunakan 4 x 10-7m. Jarak antara terang pusat dan terang ketiga 0,6 cm. Tentukan jarak antara kedua celah

Jawab :

2. Cahaya monokromatik dari sumber yang jauh datang pada sebuah celah tunggal yang lebarnya 3,00 nm. Jarak terang pusat dari pola difraksi ke gelap pertama sama dengan 1,80 mm. Tentukan panjang gelombang caya yang digunakan

Jawab :

3. Perhatikan diagram difraksi celah ganda (kisi) dengan data berikut ini. Jika panjang gelombang berkas cahaya 6000 A dan jarak antar kisi 0,6 mm, maka tentukan jarak antara terang pusat dengan gelap pertama pada layar

(5)

Fisika Kelas XII IPA/Halaman 12 http://klasakura.blogspot.com/materi 4. Seberkas cahaya jatuh tegak lurus pada kisi yang terdiri dari 5 000 goresan tiap cm. Sudut deviasi orde

kedua adalah 300. Tentukan panjang gelombang cahaya yang digunakan Jawab :

5. Seberkas sinar monokromatis dengan panjang gelombang 5 000 A datang tegak lurus pada kisi. Jika

spektrum orde kedua membentuk sudut deviasi 300, tentukan jumlah garis per cm kisi

Jawab :

6. Sebuah kisi memiliki 12 500 garis per cm. Sberkas sinar monokromatis datang tegak lurus pada kisi. Bila spectrum orde pertama membuat sudut 300 dengan garis normal pada kisi, maka tentukan panjang gelombang sinar tersebut (1 A = 10-10 m)

Jawab :

7. Celah tunggal yang lebarnya 0,1 mm disinari berkas cahaya dengan panjang gelombang 4.000 A. Apabila pola difraksi ditangkap pada layar yang jaraknya 20 cm dari celah, tentukan jarak antara garis gelap ketiga dan garis pusat terang!

Jawab :

8. 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!

Jawab :

9. 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, tentukan panjang elombang cahaya tersebut

Jawab :

10. Sebuah kisi mempunyai konstanta kisi 4 x 105 m-1. Terang orde kedua didifraksikan pada sudut 370 (tan 370 = ¾ ) terhadap normal. Tentukan panjang gelombang cahaya yang digunakan

(6)

F. Polarisasi Cahaya

- Polarisasi adalah peristiwa terserapnya sebagian arah getar gelombang cahaya sehingga hanya tinggal memiliki satu arah getar saja.

- Gejala polarisasi hanya dimiliki oleh gelombang tranversal

- Cahaya dapat mengalami gejala polarisasi, sehingga cahaya merupakan gelombang tranversal - Pada umumnya cahaya memiliki beberapa arah getar

Polarisasi dapat terjadi karena pemantulan pada cermin datar, absorpsi selektif dari bahan polaroid, dan bias kembar oleh kristal_.

1. Polarisasi Karena Pembiasan dan Pemantulan

Cahaya datang dan mengenai batas medium akan mengalami pemantulan dan pembiasan seperti gambar berikut :

Sudut datang yang menyebab-kan sinar pantulnya terpolari-sasi disebut sudut Brewster atau sudut polarisasi (iP).

Jadi :

tan

i

P

=

Persamaan di atas dikenal sebagai hukum Brewster

2. Polarisasi kaena Pembiasan Ganda

(7)

3. Polarisasi karena Absorpsi Selektif

Polarisasi akibat penyerapan terjadi jika cahaya melalui zat yang dapat memutar bidang

polarisasi gelombang cahaya. Zat

semacam ini disebut zat optik aktif.

Contoh zat ini adalah larutan gula.

Gambar di samping menunjukkan

fenomena

polarisasi

akibat

penyerapan. Anggaplah seberkas

cahaya tak terpolarisasi menembus

filter

polaroid A

. Setelah melalui

A

hanya cahaya yang memiliki arah getar tertentu saja

yang dapat menembus. Cahaya yang hanya memiliki arah getar tertentu ini disebut cahaya

terpolarisasi. Ketika kedudukan bidang polarisasi

A

sejajar dengan

B

, cahaya diteruskan

oleh

polaroid B

. polaroid A disebut Polarisator dan polaroid B disebut Analisator. Menurut

Etiene Louis Malus, intensitas yang oleh palarisator adalah

I1 =

Io.

Jika sudut

palarisator dan analisator adalah

 maka intensitas cahaya setelah melewati analisator

adalah

I

2

=

I

1

cos

2

θ

, sehingga

:

I

2

= =

Io

cos

2

θ

Persamaan di atas disebut juga hokum Malus, dengan I

2

adalah intensitas cahaya yang

melewati analisator

Contoh :

Jika sudut antara kedua sumbu polarisasi pada kedua polaroid adalah 60

o

, tentukan

intensitas cahaya yang diteruskan oleh polaroid pertama dengan intensitas

I0

dan polaroid

kedua!

(8)

Latihan Mandiri

1. Sebuah kisi yang mempunyai 2.000 garis/mm menerima sinar monokromatik. Sudut deviasi

garis terang pertama sebesar 30

o

. Tentukan panjang gelombang sinar monokromatik tersebut

(1 nm : 10

-9

m) (UN 2014/2015)

Jawab :

2. Seberkas cahaya hijau dijatuhkan pada dua celah sempit, sehingga terjadi interferensi, maka :

(1) terjadi pita terang jika interferensinya minimum

(2) lebar pita terang bertambah jika lebar celah diperkecil

(3) pada terang pusat intensitasnya maksimum

(4) pada terang berikutnya dari terang pusat intensitasnya menguat

Pernyatan yang benar adalah ....

A. (1) dan (2)

B. (1) dan (3)

C. (1) dan (4)

D. (2) dan (3)

E. (2) dan (4) (UN 2014/2015)

Jawab :

3. Dua celah sempit yang terpisah pada jarak 2 mm disinari secara tegak lurus. Pada layar yang

jaraknya 1 meter dari celah, terbentuk garis terang ke-4 yang terletak 1 mm dari garis terang

pusat. Tentukan panjang gelombang sinar yang dipakai (UN 2015/2016)

Jawab :

4. Perhatikan pernyataan berikut ini :

(1) dapat mengalami polarisasi

(4) tidak dapat mengalami interferensi

(2) dapat mengalami refleksi

(5) tidak dapat merambat melalui ruang hampa

(3) dapat mengalami refraksi

Pernyataan yang benar tentang gelombang cahaya adalah

…

.

A. (2), (3), dan (4)

C. (1) dan (5)

E. (1), (3), dan (5)

B. (2) dan (3)

D. (1), (2), dan (3)

(UN 2015/2016)

5. Cahaya dengan panjang gelombang 5000 Angstroom dilewatkan pada sebuah celah ganda.

Kedua celah berjarak 0,2 mm satu sama lain. Pola interferensi berupa garis terang dang gelap

secara bergantian ditengkap di layar yang berada 100 cm dari celah ganda. Tentukan jarak dua

garis terang yang berurutan (UN 2015/2016)