gelombang cahaya fisika sma

25
Gelombang Cahaya

Upload: ajeng-rizki-rahmawati

Post on 16-Apr-2017

726 views

Category:

Education


8 download

TRANSCRIPT

Gelombang Cahaya

2015Fayeza Camalia (4201412076) Erien Setiana (4201412187)Gelombang Cahaya

Gelombang CahayaPeta Konsep

SIFAT-SIFAT CAHAYAPada kelas X kita mengetahui bahwa gelombang cahaya merupakan kategori gelombang elektromagnet karena kita ketahui bahwa cahaya tidak membutuhkan medium untuk merambat atau dapat merambat pada ruang hampa. Teori tentang elektromagnet ditemukan oleh Max Well yang menyatakan: gelombang elektromagnet merupakan perubahan medan magnet atau sebaliknya yaitu perubahan medan magnet menjadi medan listrik. Teori Max Well kemudian disempurnakan oleh Frank Hertz yang menyimpulkan bahwa cahaya memiliki sifat-sifat umum dari gelombang, antara lain:1. Dalam suatu medium homogen (contoh: udara), cahaya merambat lurus. Perambatan cahaya disebut juga sebagai sinar. Cahaya yang dipancarkan oleh sebuah sumber cahaya merambat ke segala arah. Bila medium yang dilaluinya homogen, maka cahaya merambat menurut garis lurus. Bukti cahaya merambat lurus tampak pada berkas cahaya matahari yang menembus masuk ke dalam ruangan yang gelap. Demikian pula dengan berkas lampu sorot pada malam hari. Berkas-berkas itu tampak sebagai batang putih yang lurus.1. Dapat merambat pada ruang hampa1. Merupakan gelombang transversal

Gambar 1. Cahaya merambat lurus1. Pada bidang batas antara dua medium (contoh: bidang batas antara udara dan air), cahaya dapat mengalami pemantulan atau pembiasan.1. Jika melewati celah sempit, dapat mengalami lenturan.1. Dapat mengalami interferensi.1. Dapat mengalami polarisasi atau hilang salah satu arah getarnya.

Pernahkan Anda menggunakan kacamata hitam? Bagaiaman dengan kecerahan cahaya sebelum dan sesudah menggunakan kacamata?Setiap benda yang dapat memancarkan cahaya sendiri disebut sumber cahaya, contohnya: matahari, bintang, lampu, lilin, dan lain-lain. Sedangkan, benda-benda yang tidak dapat memancarkan cahaya disebut benda gelap.A. POLARISASI CAHAYACahaya merupakan gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik adalah suatu gelombang yang terdiri atas getaran-getaran vektor medan listrik (E) dan vektor medan magnet (B) yang saling tegak lurus satu sama lain. Baik vektor medan listrik maupun vektor medan magnet, keduanya tegak lurus terhadap arah perambatannya. Karena kuat medan listrik jauh lebih besar daripada kuat medan magnet (ingat E=cB), untuk penyederhanaan gelombang cahaya hanya digambarkan berupa gelombang medan listrik saja.Berdasarkan peristiwa interferensi dan difraksi, dapat disimpulkan bahwa cahaya merupakan gejala gelombang. Peristiwa interferensi dan difraksi tersebut belum dapat menunjukkan bagaimana bentuk gelombang cahaya, apakah gelombang cahaya berbentuk transversal ataukah longitudinal. Fenomena yang mampu menunjukkan bahwa gelombang cahaya merupakan gelombang transversal adalah polarisasi cahayaPolarisasi adalah peristiwa perubahan arah getar gelombang cahaya yang acak menjadi satu arah getar. Peristiwa ini terjadi karena terserapnya sebagian atau seluruh arah getar gelombang tersebut. Berbeda dengan interferensi dan difraksi yang berlaku pada semua jenis gelombang, polarisasi hanya berlaku pada gelombang transversal.

yZOXEB

Gambar 1.1 Gelombang elektromagnetik, vektor medan listrik E tegak lurus vektor medan magnet B, dan keduanya tegak lurus arah rambatan

Gambar 1.2 Polarisasi gelombang (a) seluruhnya (b) tak terpolarisasiCara membuat cahaya terpolarisasiTerjadinya cahaya terpolarisasi dapat disebabkan oleh peristiwa penyerapan selektif, peristiwa pemantulan dan pembiasan, peristiwa bias rangkap, dan peristiwa hamburan.a. Polarisasi Karena Pemantulan dan PembiasanPolarisasi dapat terjadi karena adanya pemantulan dan pembiasan. Ketika cahaya jatuh pada bidang batas antara dua medium dengan membentuk sudut ip terhadap garis normal, sebgaian sinar akan dipantulkan dengan sudut ip dan sebagian lagi akan dibiaskan sebesaar sudut r. Jika sudut sinaar pantul dan sudut sinar bias dijumlahkan membentuk sudut 90 (ip+ r =90) maka sinar pantul terpolarisasi linear karena sudut bias dan sudut pantul saling tegak lurus.

ipip900r

Gambar 1.3 Polarisasi Linear terjadi jika jumlah sudut pantul dan sudut bias 90Pada Gambar 1.3 tampak seberkas cahaya datang dari medium dengan indeks bias n1 menuju medium dengan indeks bias n2. Berkas cahaya tersebut sebagian dibiaskan dan sebagian dipantulkan. Sesuai dengan hukum pemantulan, sudut pantul sama dengan sudut datang, yaitu ip. Karena sinar pantul tegak lurus sinar bias, maka berlaku ip + r = 900 atau r = 900 - ip Dengan menggunakan hukum pembiasan Snellius, maka didapatkann1.sin ip = n2.sin r n1.sin ip = n2.sin (900 - ip ) = n2.cos ip.

hukum Brewster.Sudut polarisasi (ip) disebut juga sudut Brewster.Terjadinya sinar pantul yang terpolarisasi linier pada sudut Brewster dapat dijelaskan sebagai berikut : Berkas cahaya datang menyebabkan elektron-elektron pada atomatom suatu medium menjadi bergetar. Berkas cahaya pantul disebabkan karena adanya re-radiasi gelombang elektromagnetik oleh getaran elektron elektron tersebut. Jika sinar pantul yang terjadi tegak lurus terhadap sinar bias, hanya getaran elektron yang sejajar terhadap bidang batas saja yang menyumbang adanya sinar pantul. Maka dari itu, sinar pantul tidak mempunyai komponen vektor medan listrik yang sejajar bidang gambar. b. Polarisasi Karena Serapan SelektifCahaya terpolarisasi dapat juga diperoleh dari sinar tak terpolarisasi dengan menggunakan bahan tertentu seperti nikel atau pelat titpis yang dikenal sebagai polaroid. Polarisasi jenis ini dapat terjadi dengan bantuan kristal polaroid. Bahan polaroid bersifat meneruskan cahaya dengan arah getar tertentu dan menyerap cahaya dengan arah getar yang lain. Bahan polaroid sering digunakan untuk kaca mata pelindung sinar matahari (sun-glasses) dan pada filter polarisasi lensa kamera. Bahan polaroid mempunyai sumbu polarisasi. Sumbu polarisasi dari suatu bahan polaroid disebut sebagai sumbu polarisator. Untuk selanjutnya, kita gunakan istilah sumbu polarisator untuk menyatakan sumbu polarisasi. Suatu polaroid ideal akan meneruskan semua komponen vektor medan listrik yang sejajar terhadap sumbu mudah dan menyerap semua komponen vektor medan listrik yang tegak lurus terhadap sumbu mudah. Sifat seperti ini disebut sifat dikroik.

Cahaya tak TerpolarisasiCahaya TerpolarisasiPolaroidSumbu polarisator

Gambar 1.4 Absorbsi (penyerapam) selektif

Cahaya yang diteruskan adalah cahaya yang arah getarnya sejajar dengan sumbu polarisasi polaroid. Polaroid memiliki sederetan celah paralel (sumbu polarisator) sehingga arahnya arah getar cahaya yang sejajar celah yang akan lolos dari polariod itu.Jika arah getar membentuk sudut terhadap sumbu polarisator, amplitudo berkurang dengan faktor cos . Karena intensitas cahaya sebanding dengan kuadrat amplitudonya, intensitas cahaya yang telah melewati polaroid berarti :

Dengan, I= intensitas cahaya setelah melewati polaroidI0= Intensitas cahaya awal= sudut antara sumbu polarisator dan arah getar gelombang cahaya awal (sebelum terpolarisasi)Dua buah polaroid dapat digunakan untuk mengurangi intensitas cahaya yang diteruskan. Polaroid pertama digunakan sebagai polarisator dan polaroid kedua digunakan sebagai analisator.

Gambar 1.5 Susunan Polarisator dan analisatorKarena arah getar cahaya dapat dipandang terdiri dari 2 komponenn yang saling tegak lurus, ketika ia dilewatkan pada polarisator, arah getar yang sejajar diteruskan dan arah getar yang tegak lurus diserap. Dengan demikian intensitas cahaya yang diteruskan adalah I0 . Jika sudut analisator membentuk sudut terhadap sudut polarisator, maka intensitas yang diteruskan analisator adalah

c. Diskusi :Mengapa Langit berwarna biru? Apakah karena pantulan dari laut?Polarisasi Karena Hamburan

Pada hari yang cerah, anda dapat melihat langit biru yang begitu indah. Bila memandang peristiwa tersebut dengan sebuah polaroid, maka dapat ditunjukkan bahwa cahaya yang datang dari langit ini terpolarisasi dengan kuat. Dengan memutar polaroid ini pada sumbu yang terletak horisontal, maka suatu saat didapatkan suatu keadaan gelap yang menunjukkan bahwa cahaya datang dari langit ini terpolarisasi dengan kuat. Jika diukur sudut antara garis yang menghubungkan pengamat dengan matahari, dan garis yang menghubungkan pengamat dengan bagian langit yang tampak gelap, akan didapatkan bahwa sudut ini kira-kira sebesar 90o.

Gambar 1.6 Polarisasi Karena HamburanBerikut penjelasan tentang sebab birunya langit :Cahaya datang pada molekul-molekul udara, maka elektron-elektron dalam molekul dapat menyerap dan memancarkan kembali sebagian cahaya. Penyerapan dan pemancaran kembali cahaya oleh molekul-molekul inilah yang disebut hamburan.Jika cahaya dilewatkan pada suatu medium, partikel-partikel medium akan menyerap dan memancarkan kembali sebagian cahaya itu. Penyerapan dan pemancaran kembali cahaya oleh partikel-partikel medium ini dikenal sebagai fenomena hamburan. Pada peristiwa hamburan, cahaya yang panjang gelombangnya lebih pendek cenderung mengalami hamburan dengan intensitas yang besar. Hamburan ini dapat diamati pada warna biru yang ada di langit kita. Sebelum sampai ke bumi, cahaya matahari telah melalui partikel-partikel udara di atmosfer sehingga mengalami hamburan oleh partikel-partikel di atmosfer itu. Oleh karena cahaya biru memiliki panjang gelombang lebih pendek daripada cahaya merah, maka cahaya itulah yang lebih banyak dihamburkan dan warna itulah yang sampai ke mata kita.Jika cahaya tak terpolarisasi melewati partikel-partikel gas, cahaya yang terhambur tegak lurus dengan arah semula tergak lurus seluruhnya atau sebagian menunjukkan peristiwa polarisasi karena hamburan.

d. Polarisasi Karena Pembiasan GandaJika berkas cahaya dilewatkan pada kaca, kelajuan cahaya yang keluar akan sama ke segala arah. Hal ini karena kaca bersifat homogen, indeks biasnya hanya memiliki satu nilai. Namun, pada bahan-bahan kristal tertentu misalnya kalsit dan kuarsa, kelajuan cahaya di dalamnya tidak seragam karena bahan-bahan itu memiliki dua nilai indeks bias (birefringence).Cahaya yang melalui bahan dengan indeks bias ganda akan mengalami pembiasan dalam dua arah yang berbeda. Sebagian berkas akan memenuhi hukum Snellius (disebut berkas sinar biasa), sedangkan sebagian yang lain tidak memenuhi hukum Snellius (disebut berkas sinar istimewa).

Gambar 2.32. polarisasi karena pembiasan ganda

B. INTERFERENSI CAHAYAInterferensi cahaya adalah perpaduan antara dua gelombang cahaya. Agar interferensi cahaya dapat teramati dengan jelas, maka kedua gelombang cahaya itu harus bersifat koheren. Dua gelombang cahaya dikatakan koheren apabila kedua gelombang cahaya tersebut mempunyai amplitudo, frekuensi yang sama dan memiliki fase tetap. Ada dua hasil interferensi cahaya yang dapat teramati dengan jelas jika kedua gelombang tersebut berinterferensi. Apabila kedua gelombang cahaya berinteferensi saling memperkuat (bersifat konstruktif), maka akan menghasilkan garis terang yang teramati pada layar. Apabila kedua gelombang cahaya berinterferensi saling memperlemah (bersifat destruktif), maka akan menghasilkan garis gelap yang teramati pada layar. Marilah sekarang kita mempelajari peristiwa interferensi cahaya yang telah dilakukan percobaan/eksperimen oleh para ilmuwan terdahulu, seperti halnya Thomas Young dan Fresnell.a. INTERFERENSI PADA CELAH GANDAPercobaan yang dilakukan oleh Thomas Young dan Fresnel pada dasarnya adalah sama, yang membedakan adalah dalam hal mendapatkan dua gelombang cahaya yang koheren. Thomas Young mendapatkan dua gelombang cahaya yang koheren dengan menjatuhkan cahaya dari sumber cahaya pada dua buah celah sempit yang saling berdekatan, sehingga sinar cahaya yang keluar dari celah tersebut merupakan cahaya yang koheren. Sebaliknya Fresnel mendapatkan dua gelombang cahaya yang koheren dengan memantulkan cahaya dari suatu sumber ke arah dua buah cermin datar yang disusun hampir membentuk sudut 180o, sehingga akan diperoleh dua bayangan sumber cahaya. Sinar yang dipantulkan oleh cermin I dan II dapat dianggap sebagai dua gelombang cahaya yang koheren. Cara mendapatkan gelombang cahaya yang koheren dengan pembelahan muka gelombang, dengan memperhatikan prinsip Huygen yang menyatakan Titik-titik yang terletak pada muka gelombang (front gelombang) merupakan sumber titik baru, yang akan merambatkan gelombang ke segala arah dengan muka gelombang sekunder yang berbentuk lingkaran. Muka gelombang baru adalah garis singgung muka-muka gelombang sekunder tersebut.

sumber cahaya monokromatik

Skema percobaan YoungUntuk menunjukkan hasil interferensi cahaya, di depan celah tersebut diletakkan layar pada jarak L maka akan terlihat pada layar berupa garis gelap dan terang. Garis terang merupakan hasil interferensi yang saling memperkuat dan garis gelap adalah hasil interferensi yang saling memperlemah. Hasil interferensi bergantung pada selisih jarak tempuh atau lintasan cahaya dari celah ke layar. Skema seperti gambar di bawah ini.

Misalkan jarak antara dua celah d, jarak layar ke celah L, di titik O pada layar akan terjadi garis terang yang disebut garis terang pusat, karena jarak S1O dan S2O adalah sama sehingga gelombang cahaya sampai di O akan terjadi interferensi maksimum. Di titik P yang berjarak p dari terang pusat akan terjadi interferensi maksimum atau minimum tergantung pada selisih lintasan S2P S1P. Lihat gambar di atas.Di P terjadi interferensi maksimum atau minimum jika selisih lintasannya S2P S1P = d sinUntuk interferensi pola terang (terjadi ketika kelipatan bulat dari ) :d sin = n atau d sin = 2n(/2) dengan n= 0, 1, 2, 3, 4, (n=0 terang pusat)Untuk interferensi pola gelap :d sin = (2n-1)(/2) dengan n=1, 2, 3, 4,..Perhatikan segitiga S1QS2 dan segitiga POR , untuk nilai sangat kecil maka berlaku sin = tan = p/L. Sehingga selisih lintasannya dapat ditulis sebagai d=p/Ldengan :d = jarak antara dua celah (m)p = jarak garis terang ke terang pusat (m)L = jarak celah ke layar = panjang gelombang cahayan = orde interferensi

b. INTERFERENSI SELAPUT TIPISDalam kehidupan sehari-hari sering kita melihat adanya warna-warna pelangi yang terjadi pada gelembung air sabun atau adanya lapisan minyak di permukaan air jika terkena cahaya matahari. Hal ini menunjukkan adanya interferensi cahaya matahari pada selaput tipis air sabun atau selaput tipis minyak di atas permukaan air. Interferensi cahaya terjadi dari cahaya yang dipantulkan oleh lapisan permukaan atas dan bawah dari selaput tipis tersebut. Untuk lebih jelasnya perhatikan Gambar di bawah ini.

Gambar tersebut melukiskan seberkas sinar monokromatik jatuh pada selaput tipis setebal d, pada lapisan atas selaput cahaya dipantulkan (menempuh lintasan AE) dan sebagian dibiaskan yang kemudian dipantulkan lagi oleh lapisan bawah menempuh lintasan ABC. Antara sinar yang menempuh lintasan AE dan ABC akan saling berinterferensi di titik P tergantung pada selisih jarak lintasan optic (x).

Pada titik A sinar datang dari medium kurang rapat ke medium yang lebih rapat sehingga terjadi pemantulan ujung terikat. Jadi pada titik A terjadi loncatan fase 180 o atau . Dengan demikian pola terang akan terjadi jika :2 nseld cos r + = 2 k x atau2 nsel d cos r = (2 k 1) dan pola gelap akan terjadi jika :2 nsel d cos r = (2 k) Dengan k adalah bilangan bulat = 1, 2, 3,.....................................

C. DIFRAKSI CAHAYATelah diketahui bahwa sebuah celah dapat berperilaku sebagai sumber cahaya baru. Bahkan sumber cahaya yang berbentuk gelombang datar (planewave) ketika melalui sebuah celah akan keluar dengan bentuk gelombang silindris. Dengan kata lain cahaya tidak selalu merambat sepanjang garis lurus. Contoh lain adalah gelombang radio AM yang dapat diterima di daerah di balik gunung. Gelombang radio AM mampu mengelilingi gunung tanpa mengalami banyak kesulitan. Sebaliknya, sulit untuk dapat menangkap gelombang TV. Dari kasus ini, secara intuitif dapat disimpulkan bahwa panjang gelombang pendek (shortwave) cenderung menjalar sepanjang garis lurus, sedangkan panjang gelombang radio yang lebih panjang mengalami pembelokan yang disebut dengan difraksi.

Gambar 2.11. Fenomena DifraksiUntuk menganalisis peristiwa difraksi, akan dilakukan eksperimen yang sangat mirip dengan kegiatan percobaan interferensi pada celah celah banyak. Telah dijelaskan di depan bahwa difraksi merupakan gejala pembelokan gelombang ketika menjalar melalui celah sempit atau tepi yang tajam. Arah rambat gelombang mengalami pembelokan, karena sesuai dengan prinsip Huygens, yang menyatakan bahwa dalam proses perambatan gelombang bebas, semua titik pada muka gelombang merupakan sumber titik baru dan akan merambatkan gelombang sekunder sferis kesegala arah. Gelombang sekunder mempunyai frekuensi yang sama dengan gelombang primernya. Muka gelombang baru merupakan garis singgung dari lingkaran gelombang-gelombang sekunder tersebut, serta arah gelombang tegak lurus dengan muka gelombang.

Gambar 2.12. Celah sempit atau celah titik (narrow slit or pinhole) mendifraksi cahaya. Cahaya tidak menjalar dalam garis lurusPrinsip Huygens menjamin kita untuk dapat mengasumsikan bahwa jumlah sumber cahaya sebanding dengan jumlah celah. Perbedaan dari proses difraksi dan interferensi celah banyak, adalah pada difraksi kita tidak memiliki batasan jarak antara dua celah yang berdekatan. Kita lebih menganggap bahwa jumlah sumber cahaya tak terhingga yang menyebabkan jarak antar dua celah yang berdekatan dianggap mendekati nol (x0).Difraksi dapat dituliskan untuk menjelaskan respon cahaya dengan sinar yang melengkung mengitari halangan kecil pada arah rambatnya, dan radiasi gelombang yang menyebar keluar dari sebuah rana/celah kecil.

a. Difraksi Celah TunggalMisal suatu sinal dibelokkan dengan sudut sehingga selisih lintasan sinar dari atas celah dan dari bawah celah tepat sama dengan panjang gelombangnya. Sinar yang melewati bagian tengah celah tepat sama dengan panjang gelombangnya. Demikaian pula antara sinar yang melewati bagian tengah celah dan sinar yang melewati bagian bawah celah, keduanya berselisih lintasan setengah panjang gelombangnya. Kedua sinar tersebut berlawanan fasa ketika tiba di layar sehingga akan menghasilkan interferensi minimum (pola gelap).

LPola gelap jika:

Pola terang jika:d sin = (2m-1)(/2)

Keterangan : d = lebar celahy = jarak pita gelap ke m(1, 2 , 3,) dari pusatL = jarak celah ke layar = sudut simpang cahaya

b. Kisi DifraksiKisi adalah celah yang jumlahnya sangat banyak pada kisi atau celah majemuk terdapat suatu tetapan atau konstanta kisi.

Gambar kisi difraksi

Konstanta kisi tersebut sebesar Untuk pola terang dirumuskan:

Untuk pola gelap dirumuskan:d sin = (2m-1)(/2) Keterangan : d = jarak antar kisi = tetapan kisin = terang ke - 1, 2, 3, ..N = banyaknya kisi tiap satuan panjang = sudut simpang cahaya

APLIKASI CAHAYA PADA TEKNOLOGISifat-sifat cahaya dan interaksinya terhadap sekitar seperti refleksi dan refraksi ini dikaji dengan pendekatan optik geometris. Sedangkan sifat-sifat cahaya dan interaksinya terhadap sekitar seperti interfernsi, difraksi, dispersi dan polarisasi ini dikaji dengan pendekatan optik fisis. Pada puncak era optika klasik, cahaya didefinisikan sebagai gelombang elektromagnetik karena gelombang cahaya dapat merambat secara transversal pada dua buah bidang tegak lurus yaitu pada medan magnetik dan medan listrikPada abad ke-20 lahirlah era optika modern yang terkenal dengan bidang ilmu dan rekayasa optiknya. Pada era modern ini cahaya didefinisikan sebagai dualisme gelombang transversal elektromagnetik dan aliran partikel yang disebut foton. Era optika modern tidak serta merta mengakhiri era optikal klasik, tetapi memperkenalkan sifat-sifat cahaya yang baru yaitu difusi dan hamburan.Pada era modern ini juga, banyak pemanfaatan cahaya dalam berbagai bidang ilmu pengetahuan dan teknologi. Sebagai contoh adalah proyektor LCD dan LED. Proyektor LCD merupakan salah satu jenis proyektor yang digunakan untuk menampilkan video, gambar, atau data dari komputer pada sebuah layar atau sesuatu dengan permukaan datar. Untuk menampilkan gambar, proyektor LCD mengirim cahaya dari lampu halide logam yang diteruskan ke dalam prisma dan cahaya akan tersebar pada tiga panel polysilikon, yaitu komponen warna merah, hijau dan biru pada sinyal video. Proyektor LCD berisi panel cermin yang terpisah satu sama lain. Masing-masing panel terdiri dari dua pelat cermin yang di antara keduanya terdapat liquid crystal. Ketika terdapat perintah atau instruksi, kristal akan membuka agar cahaya dapat lewat atau menutup untuk mem-block cahaya tersebut. Membuka dan menutupnya pixel ini yang bisa membentuk gambar. Lampu yang digunakan pada proyektor LCD adalah lampu halide logam karena menghasilkan suhu warna yang ideal dan spektrum warna yang luas. lampu ini juga memiliki kemampuan untuk memproduksi cahaya dalam juga sangat besar dalam area kecil dengan arus proyektor sekitar 2.000-15.000 ANSI lumens.