fisika CAHAYA DAN OPTIK

SUPER "Solusi Quipper"

fi sika

CAHAYA DAN OPTIK

A. Sifat-Sifat Cahaya

Cahaya merupakan suatu gelombang elektromagnetik sehingga cahaya dapat merambat di dalam ruang hampa udara. Kecepatan cahaya merambat dalam ruang hampa udara adalah 3 × 108 _{m/s. Cahaya memiliki beberapa sifat, yaitu sebagai berikut.}

1. Merambat lurus. 4. Dapat dilenturkan (difraksi). 2. Dapat dipantulkan. 5. Dapat digabungkan.

3. Dapat dibelokkan. 6. Dapat merambat dalam ruang hampa.

Untuk mengingat sifat-sifat cahaya, gunakan cara SUPER "Solusi Quipper" berikut.

LUPA BELI GARAM APA

Maksudnya: LUrus, PAntul, BElok, Lentur/dIfraksI, GAbung, RAMbat pada ruang hAmPA. Selain sifat-sifat tersebut, cahaya juga dapat dilihat oleh mata, dipancarkan dalam bentuk radiasi, dan memiliki energi.

B. Bayang-Bayang

Bayang-bayang atau biasa disebut dengan bayangan adalah daerah gelap yang terbentuk

karena cahaya tidak dapat menembus suatu benda. Bayangan dibedakan menjadi dua, yakni bayangan nyata dan bayangan maya. Bayangan nyata adalah bayangan yang dapat ditangkap layar, sedangkan bayangan maya (semu) adalah bayangan yang dapat dilihat mata, tetapi tidak dapat ditangkap pada layar.

2

Berdasarkan bayangan yang terbentuk di belakang benda, bayang-bayang dibagi menjadi dua, yaitu umbra dan penumbra. Umbra adalah daerah gelap di belakang benda yang tidak menerima cahaya sama sekali, sedangkan penumbra adalah daerah remang-remang di belakang benda yang masih menerima sedikit cahaya.

Apabila ukuran sumber cahaya lebih besar daripada benda yang dikenai cahaya, maka akan terbentuk umbra dan penumbra. Akan tetapi, apabila ukuran sumber cahaya lebih kecil daripada benda yang dikenai cahaya, maka yang terbentuk hanya umbra. Umbra dan penumbra dapat dilihat pada peristiwa berikut.

Umbra dan penumbra.

C. Pemantulan Cahaya

Setiap benda di sekeliling kita bersifat memantulkan cahaya. Itulah sebabnya kita bisa melihat benda tersebut. Peristiwa pemantulan cahaya ini dapat dijelaskan dengan hukum Snellius berikut.

1. Sinar datang, garis normal, serta sinar pantul terletak pada satu bidang dan berpotongan di satu titik.

2. Besar sudut datang (i) sama dengan sudut pantul (r).

datang pantul

normal

i r

3

Pemantulan cahaya dibedakan menjadi dua, yaitu pemantulan baur dan pemantulan teratur.

1. Pemantulan baur atau difus terjadi jika berkas sinar yang sejajar jatuh pada bidang yang tidak rata sehingga sinar dipantulkan ke segala arah.

2. Pemantulan teratur terjadi jika berkas sinar yang sejajar jatuh pada bidang yang rata sehingga sinar dipantulkan pada arah yang sejajar.

Pemantulan baur (difus) _{Pemantulan teratur} Pemantulan baur dan teratur.

D. Pembiasan Cahaya (Refraksi)

Pembiasan cahaya adalah pembelokan berkas cahaya yang merambat dari satu medium

ke medium lainnya yang berbeda kerapatan optiknya. Peristiwa pembiasan cahaya ini dapat dijelaskan dengan hukum Snellius berikut.

1. Sinar datang, garis normal, serta sinar bias terletak pada satu bidang dan berpotongan di satu titik.

2. Sinar datang dari medium kurang rapat ke medium lebih rapat akan dibiaskan mendekati garis normal. Sebaliknya, sinar datang dari medium lebih rapat ke medium kurang rapat akan dibiaskan menjauhi garis normal.

normal

udara air

4

Indeks bias medium adalah nilai perbandingan antara cepat rambat di udara dan

cepat rambat di dalam medium.

n c

v =

Keterangan:

n = indeks bias medium;

c = cepat rambat cahaya di ruang hampa (3 × 108 _{m/s); dan}

v = cepat rambat cahaya dalam medium (m/s).

E. Cermin

1. Cermin Datar

a. Sifat Bayangan

Sifat bayangan pada cermin datar adalah sebagai berikut. 1.) Sama tegak.

2.) Bersifat maya (semu).

3.) Jarak bayangan ke cermin sama dengan jarak benda ke cermin (s’ = s). 4.) Tinggi bayangan sama dengan tinggi benda (h’ = h).

5.) Besar bayangan sama dengan besar benda (M’ = M).

6.) Posisi bayangan (orientasi kanan kiri) berlawanan dengan bendanya.

b. Macam-Macam Bayangan

Macam-macam bayangan pada cermin datar adalah sebagai berikut.

1.) Bayangan nyata adalah bayangan yang terjadi karena perpotongan sinar-sinar pantul.

2.) Bayangan maya (semu) adalah bayangan yang terjadi karena perpotongan perpanjangan sinar pantul.

Jika dua buah cermin datar saling membentuk sudut α, banyaknya bayangan yang terbentuk dapat ditentukan dengan rumus berikut.

n=360° −1

α

Keterangan:

n = banyaknya bayangan; dan

α = sudut antara 2 cermin datar.

5

2. Cermin Cembung

Cermin cembung (cermin negatif) adalah cermin yang permukaannya melengkung ke

luar. Sinar-sinar istimewa pada cermin cembung dapat dijelaskan sebagai berikut. a. Sinar datang sejajar sumbu utama, seolah-olah dipantulkan dari titik fokus. b. Sinar datang menuju titik fokus, dipantulkan sejajar sumbu utama.

c. Sinar datang menuju jari-jari M atau pusat kelengkungan, dipantulkan kembali melalui pusat kelengkungan tersebut.

a B A f R₄ R₁ f R₂ M R₃ b A' B' c

Sinar istimewa cermin cembung.

Sifat bayangan pada cermin cembung selalu maya, tegak, dan diperkecil. Salah satu contoh penggunaan cermin cembung adalah untuk kaca spion kendaraan bermotor.

3. Cermin Cekung

Cermin cekung (cermin positif) adalah cermin yang permukaannya melengkung

ke dalam. Cermin cekung ini bersifat mengumpulkan cahaya (konvergen). Sinar-sinar istimewa pada cermin cekung dapat dijelaskan sebagai berikut.

a. Sinar datang sejajar dengan sumbu utama akan dipantulkan melalui titik fokus (F). b. Sinar datang melalui titik fokus (F) akan dipantulkan sejajar sumbu utama.

c. Sinar datang yang melalui pusat kelengkungan (M) akan dipantulkan kembali melalui pusat kelengkungan tersebut.

Sumbu Utama

Benda Pusat Fokus

a b c

6

Salah satu contoh penggunaan cermin cekung adalah pada lampu senter. Sementara itu, sifat bayangan yang dibentuk oleh cermin cekung dapat dijelaskan sebagai berikut.

Letak Benda dan

Bayangan Ruang Sifat Bayangan

Benda ruang III,

bayangan ruang II R III_B

A M F O

B' A'

R II R I R IV Nyata, terbalik, diperkecil

Benda ruang II, bayangan ruang III

R III R II R I R IV B A' B' A O M _F

Nyata, terbalik, diperbesar

Benda ruang I,

bayangan ruang IV R III R II R I R IV

B

A O A' B' F

M

Maya, tegak, diperbesar

Tabel 9.1. Tabel Letak Benda dan Bayangan pada Cermin Cekung

Lantas, bagaimanakah jika benda diletakkan tepat pada titik fokus dan pusat kelengkungan cermin? Untuk mengetahuinya, perhatikan penjelasan berikut.

a. Benda diletakkan di titik F

M F

Benda di titik F cermin cekung.

7

b. Benda diletakkan di titik M

F

Benda di titik M cermin cekung.

Jika benda diletakkan di titik M, bayangan yang dihasilkan juga terletak di titik M dan bersifat nyata, terbalik, dan sama besar.

4. Rumus-Rumus pada Cermin Lengkung (Cembung dan Cekung)

Berikut ini adalah rumus-rumus yang berlaku pada cermin lengkung. 1 1 1 2 s s+ = =’ f R M s s h h = ’ = ’ R = 2f Keterangan:

s = jarak benda dari cermin (cm); s’ = jarak bayangan dari cermin (cm); f = jarak fokus dari cermin (cm);

f bernilai negatif (–) untuk cermin cembung dan positif (+) untuk cermin cekung; R = jari-jari (cm);

M = perbesaran bayangan (kali); h = tinggi benda (cm); dan h’ = tinggi bayangan (cm). Pada cermin lengkung, berlaku:

a. R_benda + R_bayangan = 5 (lihat ruang masing-masing cermin: R₁, R₂, R₃, R₄, dan R₅) b. R_bayangan = 1 atau 4 → Bayangan maya dan tegak

8

c. R_bayangan > R_benda = diperbesar d. R_bayangan < R_benda = diperkecil

F. Lensa

Lensa adalah benda tembus cahaya yang dibatasi oleh dua bidang lengkung. Lensa

dibedakan menjadi lensa cekung dan lensa cembung.

1. Lensa Cekung

Lensa cekung (konkaf, lensa negatif (–)) terdiri atas 3 bentuk, yaitu lensa bikonkaf (cekung rangkap), lensa plankonkaf (cekung datar), dan lensa konveks-konkaf (cekung cembung). Sifat lensa cekung adalah dapat menyebarkan cahaya (divergen).

a b c

(a) bikonkaf; (b) plankonkaf; (c) konveks-konkaf.

Adapun sifat-sifat sinar istimewa pada lensa cekung dapat digambarkan sebagai berikut.

F₁

F₂

depan belakang

O

Sifat-sifat sinar istimewa pada lensa cekung. Sifat bayangan: maya, tegak, diperkecil.

9

2. Lensa Cembung

Lensa cembung (konveks, lensa positif (+)) terdiri atas lensa cembung-cembung (bikonveks), lensa cembung datar (plankonveks), dan lensa cekung cembung (konkaf-konveks).

b

a c

(a) bikonveks (b) plankonveks(c) konkaf- konveks

Adapun sifat-sifat sinar istimewa pada lensa cembung dapat digambarkan sebagai berikut.

F₁

F₂ O

depan + belakang

Sifat-sifat sinar istimewa pada lensa cembung.

Sifat bayangan: nyata dan terbalik jika di belakang lensa serta maya dan diperbesar jika di depan lensa.

3. Rumus pada Lensa Cekung dan Cembung

1 1 1 f = +s s_’ M s s h h = ’ = ’ Keterangan:

s = jarak benda dari lensa (cm); s’ = jarak bayangan dari lensa (cm); f = jarak fokus dari lensa (cm); M = perbesaran bayangan (kali);

10

h = tinggi benda (cm); dan h’ = tinggi bayangan (cm).

Catatan:

• f bernilai positif untuk lensa cembung dan f bernilai negatif untuk lensa cekung; • Jarak benda s bernilai positif jika terletak di depan lensa; dan

• Jarak bayangan s’ bernilai positif jika berada di belakang lensa.

G. Alat Optik

Alat optik adalah alat yang prinsip kerjanya menggunakan cahaya. Alat optik biasanya

berupa benda bening yang digunakan untuk menghasilkan bayangan melalui pemantulan atau pembiasan. Ada beberapa macam alat optik, di antaranya adalah mata, kamera, lup, mikroskop, teleskop, dan sebagainya.

1. Mata

Mata normal dapat melihat benda secara dekat dan jauh. Hal ini terjadi karena mata mempunyai daya akomodasi (emetropi).

a. Bagian-bagian mata dan fungsinya

lensa mata

memfokuskan dan meneruskan cahaya agar jatuh di retina

kornea

melindungi lensa mata dan memfokuskan cahaya

pupil

mengatur banyaknya cahaya yang masuk ke mata

iris

mengatur ukuran pupil

saraf mata

menghubungkan saraf dalam retina dengan otak

retina

bagian yang peka terhadap cahaya

otot mata

mengatur gerakan kedua bola mata

Bagian-bagian mata dan fungsinya.

b. Daya akomodasi adalah kemampuan mata untuk mencembungkan atau

memipihkan lensa mata sesuai dengan jarak benda.

c. Titik dekat mata (punctum proximum = PP) adalah jarak terdekat yang masih dapat

dilihat oleh mata dengan berakomodasi maksimum.

d. Titik jauh mata (punctum remotum = PR) adalah jarak terjauh yang masih dapat

11

SUPER "Solusi Quipper"

SUPER "Solusi Quipper"

Punctum Remotum (PR)

Ingat saja “Remote TV” untuk jarak jauh/ titik jauh mata

e. Emetropi adalah mata normal yang masih dapat melihat benda dengan jelas pada

jarak antara 25 cm sampai tak terhingga (~). Untuk mata normal, PP = 25 cm dan PR = tak terhingga.

f. Cacat mata/kelainan pada mata

1.) Miopi (rabun jauh) adalah cacat mata yang menyebabkan penderita tidak dapat melihat benda secara jauh. Hal ini terjadi karena bayangan benda jatuh di depan retina. Penderita miopi dapat ditolong dengan kacamata negatif (cekung).

2.) Hipermetropi (rabun dekat) adalah cacat mata yang menyebabkan penderita tidak dapat melihat benda secara dekat. Hal ini terjadi karena bayangan benda jatuh di belakang retina. Penderita hipermetropi dapat ditolong dengan kacamata positif (cembung).

3.) Presbiopi (mata tua) adalah cacat mata yang disebabkan oleh menurunnya daya akomodasi mata karena usia lanjut. Penderita presbiopi dapat ditolong dengan kacamata berlensa rangkap (bifokal).

Untuk menghafal kelainan pada mata dan lensa penolongnya, gunakan cara SUPER "Solusi Quipper" berikut.

HIPER PENDEK-BUNG, MIOPI PANJANG-JANGKUNG

Maksudnya:

• Hipermetropi, bola mata pendek sehingga bayangan melewati retina, lensa penolong: cembung.

• Miopi, bola mata panjang sehingga bayangan tidak sampai ke retina (di depan retina), lensa penolong: cekung.

12

Hipermetropi Lensa cembung

Lensa cekung Miopi

Cacat pada mata dan lensa penolongnya. g. Rumus-rumus yang digunakan

Untuk mata miopi:

P PR = −100

Untuk mata hipermetropi: P f s PP P f n = = − =

( )

1 100 1 100 cm Keterangan:

P = kekuatan lensa (dioptri); PR = titik jauh mata (cm); PP = titik dekat mata (cm); dan s_n = jarak baca normal (cm).

2. Lup (Kaca Pembesar)

Lup terbuat dari sebuah lensa cembung yang memiliki jarak fokus tertentu. Sifat bayangan yang dibentuk oleh lup adalah maya, tegak, dan diperbesar. Pengamatan dengan lup dapat dilakukan dengan 2 cara, yaitu sebagai berikut.

13

a. Mata berakomodasi maksimum

Perbesaran: M s

f

n

= +1

b. Mata tidak berakomodasi

Perbesaran: M s f n = Keterangan: M = perbesaran (kali); f = jarak fokus (cm); dan S_n = jarak normal (cm).

3. Mikroskop

Mikroskop digunakan untuk mengamati benda-benda yang berukuran sangat kecil. Mikroskop terdiri atas 2 lensa positif (lensa cembung).

a. Lensa objektif adalah lensa yang berada dekat dengan objek.

b. Lensa okuler adalah lensa yang berada dekat dengan mata.

Lensa objektif Lensa okuler

Jalan cahaya ketika melewati mikroskop.

Perbesaran mikroskop adalah hasil kali perbesaran lensa objektif dan perbesaran

lensa okuler, sehingga diperoleh:

14

Oleh karena lensa okuler mikroskop berfungsi seperti lup, maka perbesaran mikroskop juga dapat dirumuskan sebagai berikut.

a. Perbesaran mikroskop pada saat mata berakomodasi maksimum

M M M s s s f mik ob ok ob ob n ok = × =     × +      ’ ₁

Agar mata berakomodasi maksimum, jarak lensa objektif dan lensa okuler dapat ditentukan dengan rumus berikut.

d s s s s f s f ob ok ob n ok n ok = + = + × +       ’ ’

b. Perbesaran mikroskop pada saat mata tidak berakomodasi

M M M s s s f mik ob ok ob ob n ok = × =     ×      ’

Agar mata tidak berakomodasi, jarak lensa objektif dan lensa okuler dapat ditentukan dengan rumus berikut.

d s= ’_ob+f_ok

Keterangan:

M_mik = perbesaran mikroskop (kali);

M_ob = perbesaran oleh lensa objektif (kali); M_ok = perbesaran oleh lensa okuler (kali); s_n = titik dekat mata (cm);

f_ok = jarak fokus lensa okuler (cm);

s’_ob = jarak bayangan oleh lensa objektif (cm); s_ob = jarak benda di depan lensa objektif (cm); dan d = jarak lensa objektif dan lensa okuler (cm).

Sifat bayangan yang terbentuk dari lensa objektif adalah nyata, terbalik, dan diperbesar. Sementara bayangan dari lensa okuler adalah maya, tegak, dan diperbesar.

15

4. Kamera

Kamera merupakan alat optik yang sering digunakan untuk mengabadikan berbagai

peristiwa dalam kehidupan. Pada dasarnya, kamera memiliki prinsip kerja yang sama dengan mata. Kamera terdiri atas beberapa bagian seperti gambar berikut.

2 1 3 Bagian-bagian kamera.

1. Lensa positif adalah bagian dari kamera yang berfungsi untuk menempatkan

bayangan agar jatuh di pelat fi lm.

2. Diafragma adalah bagian yang berfungsi untuk mengatur banyak sedikitnya cahaya

yang diterima oleh fi lm.

3. Layar shutter adalah bagian yang berfungsi untuk menutup jalannya cahaya menuju

ke fi lm.

Bayangan yang terbentuk pada kamera bersifat nyata, terbalik, dan diperkecil. Bayangan tersebut akan terekam dalam pelat fi lm.

5. Teleskop (Teropong)

Teleskop adalah alat optik yang digunakan untuk melihat benda-benda yang letaknya

sangat jauh agar kelihatan lebih dekat dan jelas. Teropong dibedakan menjadi beberapa jenis, yaitu sebagai berikut.

a. Teropong bintang, digunakan untuk mengamati benda-benda langit.

b. Teropong bumi, digunakan untuk mengamati benda-benda di permukaan bumi yang letaknya jauh.

6. Periskop

Periskop adalah alat optik yang digunakan oleh kapal selam untuk melihat benda-benda

yang berada di permukaan laut. Periskop terdiri atas 2 lensa cembung dan 2 prisma siku-siku sama kaki. Jalannya sinar pada periskop dapat dijelaskan sebagai berikut.

16

a. Sinar sejajar dari benda yang jauh menuju ke lensa objektif.

b. Prisma P₁ memantulkan sinar dari lensa objektif menuju ke prisma P₂.

c. Oleh prisma P₂, sinar tersebut dipantulkan lagi dan bersilangan di depan lensa okuler, tepat di titik fokus lensa okuler.

L₁ L₂ P₁ P₂ Mata Periskop.