RAY OPTICS P H Y S I C S F O R 1 2 TH G R A D E R S

(1)

RAY OPTICS

P H Y S I C S F O R 1 2 ^{T H} G R A D E R S

(2)

Chapter Overview

• Nature of Light

• Newton vs Huygens

• Sources of Electromagnetic Spectrum

• Electromagnetic Spectrum in life

• Diffraction of Light (Single Slit Experiment)

• Interference Pattern (Young’s Double Slit Experiment)

• Polarization

(3)

Theory of Light

WAVE PARTICLE

Sir Isaac Newton Christian Huygens De Broglie

Light have both particle and wave characteristic Maxwell

Light is known as one form of electromagnetic wave which is transverse and can propagate in

vacuum environment

(4)

Electromagnetic Spectrum

G R U V I Rada Tele Sho Ra

(5)

in our daily life

Gamma Rays

⁽¹⁰²⁰ ^{– 10}²⁵ ^Hz)

• dimanfaatkan dunia kedokteran untuk terapi kanker dan membunuh sel kanker

• mensterilisasi peralatan rumah sakit atau makanan sehingga makanan tahan lebih lama

• membuat varietas tanaman unggul tahan penyakit dengan produktivitas tinggi

• mengurangi populasi hama tanaman (serangga)

• medeteksi keretakan atau cacat pada logam

• sistem perunut aliran suatu fluida (misalnya aliran PDAM), mendeteksi kebocoran

• mengontrol ketebalan dua sisi suatu logam

(6)

in our daily life

X –Rays

⁽¹⁰¹⁶ ^{– 10}²⁰ ^Hz)

• mendiagnosis adanya gejala penyakit dalam tubuh, seperti

kedudukan tulang-tulang dalam tubuh dan penyakit paru-paru dan memotret organ-organ dalam tubuh (tulang), jantung, paru-paru, melihat organ dalam tanpa pembedahan (foto Rontgen)

• menganalisis struktur atom dari kristal

• mengidentifikasi bahan atau alat pendeteksi keamanan

• memeriksa barang-barang di bandara udara atau pelabuhan

(7)

in our daily life

Ultraviolet – Rays

⁽¹⁰¹⁵ ^{– 10}¹⁸ ^Hz)

• untuk proses fotosintesis pada tumbuhan

• membantu pembentukan vitamin D pada tubuh manusia

• dengan peralatan khusus dapat digunakan untuk membunuh kuman penyakit, menyucihamakan ruangan operasi rumah sakit berikut instrumen-instrumen pembedahan

• memeriksa keaslian tanda tangan di bank-bank, keaslian uang kertas, dll

• banyak digunakan dalam pembuatan integrated circuit (IC)

***Dapat membuat kulit kehitaman dan juga kanker kulit bila terpapar terlalu lama

(8)

in our daily life

Visible Light

⁽¹⁰¹⁵ ^Hz)

• Membantu penglihatan mata manusia

• Salah satu aplikasi dari sinar tampak adalah penggunaan sinar laser dalam serat optik pada bidang telekomunikasi

(9)

in our daily life

Infrared

⁽¹⁰¹¹ ^{- 10}¹⁴^Hz)

• terapi fisik, menyembuhkan penyakit cacar dan encok (physical therapy)

• fotografi pemetaan sumber daya alam, mendeteksi tanaman yang tumbuh di bumi dengan detail

• fotografi diagnosa penyakit

• remote control berbagai peralatan elektronik

• mengeringkan cat kendaraan dengan cepat pada industri otomotif

• pada bidang militer,dibuat teleskop inframerah yang digunakan melihat di tempat yang gelap atau berkabut dan satelit untuk memotret permukaan bumi meskipun terhalang oleh kabut atau awan

• sistem alarm maling

(10)

in our daily life

Radar and Shortwave

• pemanas microwave

• komunikasi RADAR (Radio Detection and Ranging)

• mengukur kedalaman laut

• digunakan pada rangkaian televisi

• gelombang RADAR diaplikasikan untuk mendeteksi suatu objek, memandu pendaratan pesawat terbang, membantu pengamatan di kapal laut dan pesawat terbang pada malam hari atau cuaca kabut, serta untuk menentukan arah dan posisi yang tepat.

(11)

in our daily life

Television and Radio

• alat komunikasi, sebagai pembawa informasi dari satu tempat ketempat lain

(12)

Example 1

Dibawah ini merupakan penerapan gelombang elektromagnetik.

(1) Sebagai remote control

(2) Mengontrol ketebalan kertas

(3) Proses pengeringan dalam pengecatan mobil (4) Memanaskan makanan dalam oven

(5) Sistem keamanan

Yang merupakan penerapan sinar infrared adalah……

A. (1), (2), dan (3) B. (2), (3), dan (4) C. (3), (4), dan (5) D. (1), (3), dan (5) E. (2), (4), dan (5)

(13)

Example 2

Gelombang elektromagnetik yang dapat digunakan untuk membunuh bakteri dan virus adalah ....

A. Sinar X

B. Sinar gamma C. Sinar ultraviolet D. Gelombang radio E. Gelombang mikro

(14)

Example 3

Berikut ini merupakan manfaat sinar X, 𝑘𝑒𝑐𝑢𝑎𝑙𝑖 ....

A. Analisis struktur bahan

B. Memasak makanan dengan cepat

C. Memotret tulang-tulang dalam tubuh

D. Melihat bagian dalam benda tanpa membukanya E. Mendeteksi cacat pada logam

(15)

Example 4

Gelombang elektromagnetik yang tepat untuk menentukan jejak pesawat udara di tempat yang jauh adalah ....

A. Gelombang radio B. Sinar gamma

C. Sinar X

D. Gelombang mikro E. Inframerah

(16)

Example 5

Perhatikan jenis-jenis gelombang di bawah ini:

(1) Sinar X (2) Ultraviolet (3) Sinar gamma (4) Inframerah (5) Radio

Urutan yang benar dari jenis-jenis gelombang di atas dari energi yang paling rendah ke energi yang paling tinggi adalah ....

A. (1)-(2)-(3)-(4)-(5) B. (2)-(4)-(5)-(1)-(3) C. (5)-(3)-(1)-(4)-(2) D. (4)-(5)-(1)-(3)-(2) E. (5)-(4)-(2)-(1)-(3)

(17)

Diffraction of Light

(Single Slit Experiment)

(18)

Diffraction of Light

Single Slit Experiment

An appearance of many colors on the surface of a compact disc (CD) is one example of diffraction phenomenon, where each track on the CD is act as diffraction grating.

The bending of a light around the edges of an opening or an

obstacle.

Diffraction

(19)

d

Dark area on the screen

Bright area on the screen

(20)

d

Dark area on the screen Bright area on the screen

sin 𝜃 = 𝜆 𝑑 sin 𝜃 = 𝜆

𝑑 𝑚

*where m = 0, 1, 2, 3, …

sin 𝜃 =

1 2 𝜆 𝑑

sin 𝜃 = 𝜆

𝑑 ^{𝑚 −}¹₂

*where n = 1, 2, 3, …

(21)

sin 𝜃 = 𝜆

𝑑 𝑚

In most cases, the angle 𝜃 is quite small, therefore…

sin 𝜃 =

𝑝 𝑙

First bright order, m = 1 Second bright order, m = 2 Third bright order, m =3

First dark order, m =0.5

Second dark order, m = 1.5 Third dark order, m =2.5

(22)

Example 1

A monochromatic light passes though a narrow single slit, it generates a fifth bright order with an elevation angle of 30^o. If the wavelength of the light is 6000 Å, what is the thickness of the slit?

𝑎𝑛𝑎𝑙𝑦𝑧𝑖𝑛𝑔:

𝜃 = 30

𝜆 = 6000 Å

𝜆 = 6 × 10⁻⁷ 𝑚

𝑑 = ⋯ ? 𝑎𝑠𝑘𝑒𝑑:

𝑚 = 5

sin 𝜃 = 𝜆

𝑑 𝑚

𝑑 sin 30 = 5 (6 × 10⁻⁷ 𝑚) 𝑑 = 30 × 10⁻⁷ 𝑚

0.5

𝑑 = 60 × 10⁻⁷ 𝑚

= 6 × 10⁻⁶ 𝑚

𝑑 = 6 𝜇𝑚

(23)

Diffraction Grating

Number of Grating (N)

𝑑 = 1 𝑁 sin 𝜃 = 𝜆

𝑑 𝑚

First-order maxima, m = 1 Second-order maxima, m = 2 Third-order maxima, m =3

(24)

Example 2

A monochromatic light striking perpendicularly to the diffraction grating which has 4000 slits per cm. If the second order of the bright spectrum is forming 30^o angle to the normal line, calculate the light’s wavelength in angstrom unit.

𝜃 = 30 𝑚 = 2

𝜆 = ⋯ ? 𝑎𝑠𝑘𝑒𝑑:

𝑁 = 4000 /𝑐𝑚

𝑑 =

1 𝑁

=

1 4000

sin 𝜃 = 𝜆

𝑑 𝑚

sin 30 = 2 𝜆

1 4000

𝜆 = ¹

4000 × 2 × 2 𝑐𝑚

𝜆 =

𝑐𝑚

1 16000

𝑐𝑚 = ^{1 × 10}

−8

16000 Å

(25)

Example 3

Seberkas cahaya jatuh tegak lurus pada kisi yang terdiri dari 5.000 goresan tiap cm. Sudut deviasi orde keempat adalah 30°. Panjang gelombang cahaya yang digunakan adalah ....

𝜃 = 30 𝑚 = 4

𝜆 = ⋯ ? 𝑎𝑠𝑘𝑒𝑑:

𝑁 = 5000 /𝑐𝑚

(26)

Example 3

A monochromatic ray with wavelength of 5000 Å ( 1 Å = 10^-10 m) pass

through a single slit and produces first bright order as shown in the figure.

What is the width of the slit?

(27)

Example 4

Kisi dengan jumlah goresan 1.000 setiap cm dikenai sinar mokromatis

dengan arah tegak lurus. Panjang gelombang sinar yang dipakai sebesar 500 nm. Sudut deviasi pada orde 10 sebesar ....

A. 0°

B. 15°

C. 30°

D. 45°

E. 60°

(28)

Example 5

Seberkas cahaya monokromatik dengan panjang gelombang 500 nm tegak lurus pada kisi difraksi. Jika kisi memiliki 400 garis tiap cm dan sudut deviasi sinar 30°, maka banyaknya garis terang yang terjadi pada layar adalah ....

A. 24 B. 25 C. 26 D. 50 E. 51

(29)

Interference Pattern

(Young’s Double Slit Experiment)

(30)

Interference Pattern

Double Slit Experiment

sin 𝜃 = 𝜆

𝑑 𝑚

First-order bright, m = 1 Second-order bright, m = 2 seventh-order bright, m =7

First-order dark, m = 0.5 Second-order dark, m = 1.5 ninth-order dark, m = 8.5

(31)

a) When both waves of light travel the same distance, they arrive at the screen in phase and interfere constructively

b) The waves still interfere constructively.

b) The waves still interfere destructively.

(32)

sin 𝜃 =

𝑝 𝑙

sin 𝜃 = 𝜆

𝑑 𝑚 𝑑

𝑝

𝑙 = 𝑚 𝜆

(33)

Young’s Experiment

Example 1

Gambar berikut merupakan sketsa lintasan sinar oleh difraksi pada celah ganda:

Jika A adalah titik terang orde ke-3 dan panjang gelombang cahaya yang digunakan adalah 500 nm, maka jarak A dari terang pusat adalah ....

𝑙 = 2 𝑚 𝑚 = 3

𝜆 = 5 × 10⁻⁷ 𝑚

𝑝 = ⋯ ? 𝑎𝑠𝑘𝑒𝑑:

𝑑 = 6 × 10⁻⁵ 𝑚

𝑑 𝑝 𝑙

= 𝑚𝜆

(6 × 10⁻⁵ 𝑚) 𝑝

(2 𝑚) = (3) (5 × 10⁻⁷ 𝑚)

𝑝 = ^{5 × 10}⁻² ^𝑚

(34)

Midterm Pointers

(35)

Pointers

Midterm 2017/2018

1. To judge a trend of a quantity in simple harmonic motion related with another quantity

2. To calculate period of spring-mass pendulum 3. To explain a reason of damped oscillation 4. To identify correct statement about waves

5. To observe node and antinode in standing wave 6. To name correct properties of wave from picture

7. To calculate wavelength from traveling wave equation 8. To observe wavelength in open-end pipe

9. To determine a spectrum that satisfy a statement concerning dispersion of light

10. To calculate period of simple harmonic motion from position equation

(36)

Pointers

Midterm 2017/2018

11. To calculate the spring constant 12. To predict the stretch of spring

13. To discern electromagnetic wave and mechanical wave

14. To identify two types of mechanical waves according to the motion of particle and wave

15. To calculate period if frequency is given

16. To calculate wavelength of electromagnetic wave 17. To calculate wavelength of waves

18. To predict the frequency of n harmonic in string 19. To calculate sound intensity level

20. To calculate sound intensity of sound

(37)

Pointers

Midterm 2017/2018

21. To explain Doppler effect

22. To observe harmonic pattern in closed end pipe 23. To calculate fundamental frequency in open pipe

24. To observe change in a quantity in interference of light related with other quantity

25. To observe change in a quantity in interference of light related with other quantity

26. To calculate wavelength in interference by diffraction grating 27. To calculate speed of plane by Doppler effect

28. To calculate separation between slits in young’s double slits experiment 29. To calculate sound intensity when the distance is changed

30. To calculate single constant spring from parallel springs