sifat dan perambatan cahaya

8/10/2019 Sifat Dan Perambatan Cahaya

http://slidepdf.com/reader/full/sifat-dan-perambatan-cahaya 1/10

SIFAT DAN PERAMBATAN CAHAYA

A. Pengertian Cahaya

a. Teori abad ke-10 (Abu Ali Hasan Ibn Al-Haitham /Alhazen)

Menganggap bahwa sinar cahaya adalah kumpulan partikel kecil yang bergerak pada

kecepatan tertentu.

b. Teori Partikel (Isaac Newton)

Bahwa cahaya terdiri dari partikel halus (corpuscles) yang memancar ke semua arah

dari sumbernya.

c. Teori Gelombang (Christian Huygens)

Menyatakan bahwa cahaya dipancarkan ke semua arah sebagai muka-muka

gelombang

d. Teori Elektromagnetik (James Clerk Maxwell )

Menyebut bahwa gelombang cahaya adalah gelombang elektromagnet, ia tidak

memerlukan medium untuk merambat

e. Teori Kuantum (Max Planck )

Yang menyatakan bahwa cahaya terdiri dari paket (kuanta) energi yang dikenal

sebagai Foton.

f. Teori Dualitas Partikel-Gelombang (Albert Einstein )

Teori ini menggabungkan tiga teori sebelumnya. Lebih general lagi, teori tersebut

menjelaskan bahwa semua benda mempunyai sifat partikel dan gelombang

B. Kecepatan Cahaya

Berbagai percobaan, dan juga beradam metode, dilakukan para ilmuwan untuk mengetahui

kecpeatan cahaya. Galileo menggunakan cara tradisional untuk melakukan pengukurankecepatan cahaya. Dengan bantuan temannya yang ia minta untuk berdiri di atas puncak

sebuah bukit, Galileo berada pada bukti lainnya yang berjarak sekitar 3 km, Galileo berusaha

mengukur seberapa lama waktu yang digunakan cahaya untuk merambat. Walaupun secara

prinsip metode yang digunakan Galileo valid namun karena keterbatasan alat ukur Galileo

tidak dapat menghasilkan sebuah angka yang menyatakan kecepatan cahaya. Pengukuran

lainnya yang lebih sistematis dan modern, paling tidak lebih modern dibanding cara yang

digunakan Galileo, adalah pengukuran yang dilakukan oleh Ole Reomer. Reomer

menggunakan metode astronomi untuk menghitung kecepatan cahaya berdasarkan data

pengamatan terhadap pergerakan planet Jupiter. Reomer berhasil menghitung besar

kecepatan cahaya yaitu sebesar 2 x 108 m/s. Walaupun tidak tepat dengan hasil pengukuran

yang diperoleh dengan alat modern, namun setidaknya pengukuran tersebut telah berhasil

mengkonfirmasi pernyataan bahwa kecepatan cahaya adalah terbatas, artinya memiliki suatu

nilai tertentu. Hasil yang diperoleh Reomer terhitung cukup akurat karena orde angka yang ia

peroleh sama dengan orde pengukuran yang akurat. Percobaan lainnya dilakukan oleh

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Abu_Ali_Hasan_Ibn_Al-Haitham&action=edit

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Kuantum&action=edit

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Kuantum&action=edit









Hippolyte Fizeau pada tahun 1849. Fizeau menggunakan instrumen seperti tampak pada

gambar berikut ini:

Gambar 1 . Skema percobaan yang digunakan Fizeau untukmengukur kecepatan cahaya.

Seberkas cahaya dilewatkan melalui celah. Dengan menggunakan cermin ½ pemantul (cermin

yang jika terkena cahaya maka sebagian cahaya akan diteruskan sedangkan sebagiannya lagi

dipantulkan) cahaya dating diterukan ke cermin pemantul. Cahaya dipantulkan dari cermin

menuju ke cermin ½ pemantul dan menuju ke pengamat. Roda yang digunakan memiliki gerigi

dan celah yang jika cahaya mengenai gerigi maka tidak ada cahaya yang terpantul ke pengamat

atau menuju ke cermin. Dari metode ini kecpeatan cahaya ditentukan dengan persamaan

Yang mana v menyatakan kecepatan linier roda, D menyatakan jarak roda ke cermin, l

menyatakan jarak antar celah pada roda, dan c adalah kecepatan cahaya. Berdasarkan data hasil

yang diperolehnya, Fizeau berhasil menghitung kecepatan cahaya sebesar 3,1 x 108 m/s. Hasil

pengukuran Fizeau lebih akurat dibanding dengan hasil hitungan Reomer. Dibanding dengan

data yang diterima saat ini, kecepatan cahaya c = 299.792.458 m/s, hasil hitungan Fizeau hanya

beberapa persen meleset. Alat yang digunakan Fizeau dimodifikasi oleh Foucolt untuk mengukur

kecpeatan cahaya. Hasil yang diperoleh Foucolt tidak juah berbeda dengan hasil yang diperoleh

Fizeau. Foucolt melakukan pengukuran kecepatan cahaya pada tahun 1850.

Pengukuran lainnya yang tak kalah militant adalah pengukuran yang dilakukan oleh Michelson.

Namun, pada saat itu, Michelson lebih termotivasi untuk mengetahui kebenaran hipotesisi eter

sebagai medium rambatan cahaya. Michelson menemukan bahwa kecepatan cahaya adalah

konstan dan besarnya sekitar 3,0 x 108 m/s. Dari banyak sekali hasil ekperimen yang dilakukan,

saat ini nilai kecepatan cahaya yang diterima adalah sebesar c = 2,99792458 x 108 m/s. Dalam

prakteknya, nilai tersebut kadang dibulatkan menjadi 3,0 x 108 m/s.

C. Kapan Cahaya dianggap Sebagai Berkas Cahaya?

Kita telah mempelajari tentang gelombang elektromagnetik. Cahaya merupakan gelombang

elektromagnetik. Suatu gelombang elektromagnetik menjalar dalam arah tertentu dimana medan



listrik dan medan magnet bergetar pada arah yang tegak lurus dengan arah rambat gelombang

tersebut. Secara umum, gelombang elektromagnetik memiliki bentuk persamaan cos (kz – ωt ).

Pada gelombang berdiri terdapat mode-mode pembentukan perut dan simpul gelombang.

Gelombang elektormagnetik memiliki fitur yang sama dengan gelombang berdiri. Pada

gelombang elektromagnetik pola perut dan simpul terbentuk oleh medan magnet dan medan

listrik. Walaupun tidak sama persis dengan pola perut dan simpul pada gelombang berdiri (pada

tali), namun pola-pola tersebut dapat digambarkan sebagai berikut.

Gambar 2. Pola perut dan simpul gelombang pada gelombang elektromagnetik

Diasumsikan bahwa medan listrik dan medan magnet memiliki fase getar yang sama. Bagian

yang membentuk perut gelombang, pada segmen dimana amplitude medan magnet dan medan

listrik kedua-duanya maksimum, dapat dianggap sebagai muka gelombang . Muka gelombang

merepresentasikan bidang yang normalnya sejajar dengan arah rambat medan listrik (dan juga

medan magnet). Jika diasumsikan bahwa gelombang elektromagnetik merambat pada arah z

maka bidang gelombang tersebut adalah bidang xy. Muka gelombang dapat dipilih untuk berbagai keadaan amplitude medan listrik. Muka gelombang dapat juga didefinisikan pada titik

dimana amplitude medan listrik minimum. Dari sudut pandang yang lebih teknis muka

gelombang didefinisikan sebagai titik dimana bidang (kz – ωt ) bernilai konstan. Misal kz – ωt =

0, maka kita peroleh z = ωt /k = ct . Dengan memilih nilai kz – ωt = 0 berarti kita mendefinisikan

muka gelombang pada saat amplitude medan listrik dan medan magnet maksimum. Dari

persamaan z = ωt /k = ct , dapat diketahui bahwa gelombang elektormagnetik tersebut dapat

dianggap sebagai rambatan muka-muka gelombang pada arah z dimana jarak yang ditempuh

selama t merepresentasikan jarak yang ditempuh pada arah z .

D. Refleksi dan Refraksi

Refleksi atau pemantulan

Refleksi dan refraksi merupakan dua sifat cahaya.Refleksi, yang dalam bahasa Indonesia

diartikan sebagai pantulan, merupakan proses dimana berkas cahaya yang mengenai suatu

permukaan dibelokkan sedemikian rupa sehingga arah rambatannya berubah dimana sudut

datang cahaya tersebut sama dengan sudut pantulnya diukur relatif terhadap normal bidang.



Perhatikan Gambar 3. Pada peristiwa pemantulan, sudut cahaya datang adalah selalu sama

dengan sudut cahaya pantul diukur relative terhadap normal bidang sehingga pada ilustrasi di

atas sudut θ sama dengan sudut θ ’. Pernyataan tersebut dikenal sebagai hukum pemantulan.

Gambar 3. Proses pemantulan cahaya.

Cahaya datang mengenai cermin datar dan dipantulkan

Refraksi atau pembiasan

Sendok yang dimasukkan dalam gelas yang berisi air akan terlihat seolah-olah patah. Efek sendok patah

ini disebabkan oleh refraksi atau pembiasan cahaya. Perhatikan ilustrasi berikut ini:

Gambar 4. Diagram pembentukan refraksi pada kaca.Cahaya datang dari udara menuju kaca.

Sebagian cahaya dipantulkan sedangkan sebagian lagi dibiaskan.

Pembiasan cahaya sebenarnya adalah pristiwa pembelokan arah rambat cahaya karena cahaya

masuk ke medium dimana indeksi bias medium tersebut berbeda dengan indeks bias medium

dimana cahaya merambat sebelumnya. Pada Gambar 4, cahaya datang dari medium udara dan

masuk ke medium kaca. Indeksi bias kaca dan udara berbeda. Cahaya mengalami pembelokan

lintasan karena perbedaan indeks bias tersebut. Apa itu indeks bias? Dalam percobaan yang

dilakukannya, Fizeau berhasil mengamati bahwa kecepatan cahaya di udara dan di medium

transparan memiliki besar yang berbeda. Kecepatan cahaya cenderung lebih kecil ketika cahaya

tersebut merambat melalui medium. Jika c menyatakan kecpeatan cahaya di ruang hampa dan v

menyatakan kecepatan cahaya di medium maka indeks bias merupakan perbandingan dari dua

kecpeatan tersebut.

(1)



Cahaya yang merambat dari satu medium ke medium yang lain mengalami perubahan kecepatan.

Kecepatan cahaya berhubungan dengan frekuensi ( f ) dan panjang gelombang (λ ) dimana:

(2)

Hubungan antara sudut datang dan sudut bias pada proses pembiasan diberikan oleh persaaan

Snellius:

(3)

Persamaan (3) disebut juga dengan hukum Snellius. n1 dan n2 masing-masing menyatakan

indeks bias medium (1) dan medium (2). Pada ilustrasi di atas, medium (1) adalah udara

sedangkan medium (2) adalah kaca. Medium (1) merujuk pada medium dimana cahaya mula-

mula merambat. Medium (2) merujuk pada medium dimana cahaya dibiaskan. Jika n1 > n2 maka

cahaya akan dibiaskan menjauhi garis normal. Hal ini sama artinya dengan sudut bias lebih besar

dibanding sudut cahaya datang. Jika n1 < n2 maka cahaya akan dibiaskan mendekati garis

normal. Sudut bias lebih kecil dibanding cahaya datang.

E. Refleksi Internal Total dan Dispersi

Refleksi Internal TotalKetika cahaya datang dari medium dengan indeks bias yang besar merambat ke medium yang

memiliki indeks bias lebih kecil maka cahaya akan dibiaskan pada sudut yang lebih besar dari

sudut datangnya. Peristiwa pembiasan biasanya selalu disertai dengan peristiwa pemantulan atau

refleksi. Perbedaan antara refleksi dan refraksi adalah refleksi terjadi pada medium yang sama

sedangkan pembiasan terjadi pada medium yang berbeda. Pada suatu nilai sudut tertentu, cahaya

datang tidak ada yang dibiaskan, seluruh cahaya dipantulkan. Peristiwa semacam itu disebut

dengan pemantulan sempurna. Perhatikan ilustrasi berikut ini:

Gambar 5. Skema terjadinya pemantulan internal total

Perhatikan bahwa semakin besar sudut cahaya datang maka semakin besar pula sudut cahaya

bias dan pada suatu nilai sudut datang tertentu tidak ada cahaya yang dibiaskan dan juga tidak

ada cahaya yang dipantulkan, lihat garis cahaya nomor (4). Sudut dimana cahaya datang tidak

dipantulkan maupun dibiaskan disebut sudut kritis, θ k. Pada Gambar 5 sudut kritis sama dengan

θ 3. Dari sudut pandang pembiasan cahaya, kita dapat menganggap bahwa pada saat cahaya



datang dengan sudut θ 3, cahaya dibiaskan dengan sudut 900 relatif terhadap normal bidang. Dari

persamaan Sellius kita peroleh:

(4)

Persamaan (4) adalah persamaan untuk mencari sudut kritis dari suatu bahan tertentu. Perhatikan

bahwa pemantulan internal total hanya dapat terjadi jika cahaya merambat dari medium yang

memiliki indeks bias besar menuju ke medium yang memiliki indeks bias lebih kecil, n2 > n1.

Dispersi cahaya

Gambar 6 Seberkas cahaya putih dilewatkan pada prisma.Terlihat bahwa cahaya putih tersebut terurai menjadi beberapa warna. Ini merupakan contoh

peristiwa dispersi cahaya.

Fenomena yang kita lihat pada saat kita melewatkan cahaya ke sebuah prisma adalah salah satu

contoh dari peristiwa disperse. Dispersi sendiri dapat diartikan sebagai proses pemisahan cahaya.

Berdasarkan jumlah komposisinya cahaya dibedakan menjadi dua cahaya monokromatik dan

polikromatik . Cahaya putih, misalnya cahaya matahari, merupakan contoh cari cahaya

polikromatik. Jika cahaya polikromatik dilewatkan pada prisma maka cahaya tersebut terurai

menjadi beberapa warna cahaya. Cahaya yang terurai itu masing-masing memiliki panjang

gelombang yang berbeda-beda. Perhatikan Gambar 6. Peristiwa dispersi disebabkan karena

setiap cahaya yang memiliki panjang gelombang berbeda akan dibiaskan dengan sudut yang

berbeda pula, tengok kembali persamaan Snellius. Jika kita nyatakan persamaan tersebut dalam

variabel panjang gelombang maka akan kita peroleh persamaan berikut:

Pada Gambar 7a sebuah cahaya monokromatik dilewatkan pada prisma dan mengalami

pembiasan dengan sudut bias atau deviasi total relatif terhadap sudut mulamula adalah δ. Pada

Gambar 12.7b cahaya polikromatik dilewatkan pada prisma dan cahaya tersebut terurai menjadi

beberapa komponen antara lain biru dan merah.



Gambar 7 Dispersi cahaya oleh prisma.

Cahaya dengan panjang gelombang berbeda dibiaskan pada sudut yang berbeda pula.

Perbedaan sudut bias menyebabkan perbedaan lintasan cahaya.

Cahaya merah dan biru memiliki panjang gelombang yang berbeda sehingga kedua cahaya

tersebut dibelokkan dengan sudut yang berbeda pula.

Peristiwa alam yang menunjukkan gejala dispersi salah satunya adalah pelangi. Sinar matahari

yang mengenai butir-butir air hujan terdispersi dan terurai menjadi beberapa warna. Pelangi

dapat kita anggap sebagai sebuah pertunjukan alam yang ilmiah dan tentu saja menyenangkan.

Berikut ini akan sedikit disinggung secara skematis bagaimana proses terbentuknya pelangi di

angkasa luas.

Gambar 8 Skema sederhana terbentuknya pelangi.

F. Prinsip Huygens

Gambar 9 Model rambatan gelombang cahaya sebagai gelombang bidang.

Setiap titik pada muka gelombang berfungsi sebagai smber muka gelombang berikutnya



Huygens melakukan investigasi tentang perilaku cahaya pada tahun 1690. Huygens bertolak

pada pemikiran bahwa cahaya merupakan gelombang. Lihat Gambar 9, diasumsikan bahwa

cahaya membentuk gelombang bidang. Segmen gelombang AA’ merupakan muka gelombang.

Setelah bergerak selama Δt maka muka gelombang tersebut menghasilkan muka gelombang baru

yaitu BB’ dimana setiap muka gelombang memiliki jari-jari sebesar cΔt .

Muka gelombang BB’ akan menghasilkan muka gelombang lainnya, misalnya CC ’, pada arah

rambatnya dimana muka gelombang tersebut memiliki karakteristik fisis yang sama dengan

muka gelombang sumber. Karateristik itu meliputi frekuensi, panjang gelombang dan cepat

rambat gelombang.

Gambar 10 Pembentukan muka gelombang pada gelombang bola.

Bukan hanya gelombang datar saja, prinsip Huygens dapat juga diterapkan untuk berbagai jenis

gelombang misalnya gelombang bola seperti pada Gambar 10.

Setiap titik pada muka gelombang menjadi sumber bagi gelombang di depannya (pada arah yang

sama dengan arah rambatnya) yang bergerak dengan kecepatan cahaya. Sebuah titik pada muka

gelombang tersebut akan menghasilkan gelombang lainnya juga dengan karakteristik yang sama

dengan gelombang asalnya.

G.

Prinsip FermatPrinsip Fermat menyatakan bahwa cahaya selalu menempuh lintasan terpendek. Dengan kata

lain, ketika cahaya merambat dari satu titik ke titik lainnya, cahaya akan cenderung melalui

lintasan yang membutuhkan waktu tempuh paling kecil. Ini sama saja dengan menyatakan

bahwa jarak lintasan yang ditempuh cahaya adalah jarak terpendek yang mungkin.

Gambar 11 Berkas cahaya yang merambat

pada dua medium yang memiliki indeks bias berbeda.



Prinsip Fermat dapat kita gunakan untuk menurunkan persamaan Snellius. Prinsip Fermat dapat

diterapkan pada proses refleksi dan refraksi. Perhatikan Gambar 11. Waktu yang dibutuhkan

cahaya untuk menempuh lintasan AOB adalah t AO + t OB. Berdasarkan prinsip Fermat, waktu

tempuh tersebut harus sama dengan jika cahaya menempuh lintasan AB. Waktu yang digunakan

untuk menempuh lintasan AB kita misalkan t AB maka:

t AB = t AO + t OB (5)

Perhatikan bahwa waktu yang digunakan untuk menempuh lintasan AO dan OB dapat dituliskan

dengan:

Agar waktu yang digunakan untuk menempuh lintasan AB minimum maka:

Persamaan terakhir yang kita peroleh tidak lain adalah persamaan Snellius yang digunakan untuk

menganalisis pembiasan dan pemantulan cahaya.

CONTOH SOAL

1. Bagaimana proses terjadinya pelangi ?

Penyelesaian :Berdasarkan Gambar 8, pelangi yang terbentuk karena cahaya matahari yang terdispersi

oleh air hujan. Cahaya matahari terurai menjadi warna-warna yang indah di angkasa. Sinar

matahari (polikromatik) mengenai butiran air hujan yang berbentuk bola. Butiran air hujan

bersifat transparan dan memiliki indeks bias yang berbeda dengan udara sehingga ketika cahaya

matahari melewati butiran air tersebut maka cahaya matahari akan dibiaskan. Karena cahaya

matahari terdiri dari berbagai komponen cahaya monokromatik, maka masing-masing cahaya

terbias pada sudut yang berbedabeda. Pada skema di atas hanya ditunjukkan dua macam warna

saja yaitu ungu dan merah. Cahaya yang terbias dalam sudut yang berbeda-beda itulah yang

dimaksud dengan proses dispersi. Hasil dari proses tersebut adalah apa yang sering kita sebut

sebagai pelangi.



2. Mengapa langit berwarna biru di siang hari ?

Penyelesaian :

Langit hanya berwarna biru di siang hari. Bumi diselubungi lapisan udara yang disebut

atmosfer udara yang terdiri atas partikel-partikel kecil. Cahaya dari matahari

dihamburkan oleh partikel-partikel kecil tersebut.

Tetapi kita tahu, cahaya dari matahari terdiri dari paduan semua warna, dari merah,

kuning, hijau, biru, hingga ungu. Warna-warna itu memiliki frekuensi yang berbeda.

(Merah < kuning < hijau < biru < ungu).

Semakin besar frekuensi cahaya, semakin kuat cahaya itu dihamburkan.

Warna langit adalah sebagian cahaya matahari yang dihamburkan. Karena yang paling

banyak dihamburkan adalah warna berfrekuensi tinggi (hijau, biru, dan ungu), maka

langit memiliki campuran warna-warna itu, yang kalau dipadukan menjadi biru terang.

3. Mengapa langit berwarna merah di sore hari ?

Penyelesaian :

Pada sore hari, sering matahari berubah warna menjadi merah. Pada saat itu, sinar matahari yang

sudah miring menempuh jarak lebih jauh untuk mencapai mata kita, sehingga semakin banyak

cahaya yang dihamburkan. Sehingga yang banyak tersisa adalah cahaya frekuensi rendah, yaitu

merah. Di bulan dan di planet yang tidak memiliki atmosfir, cahaya matahari tidak dihamburkan,

sehingga langit selalu berwarna hitam, walaupun di siang hari

sifat dan perambatan cahaya

Documents