FISIKA SMABI: Gelombang Cahaya

Cahaya merupakan gelombang elektromagnetik dengan spektrum yang terbatas (spektrum optik atau spektrum tampak), dimana pada spektrum tertentu tersebut gelombang elektromagnetik dapat terlihat yang kemudian kita sebut sebagai cahaya. Tidak ada batasan yang eksak mengenai spektrum optik tersebut, akan tetapi mata normal manusia dapat menerima/merasakan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang antara 400 sampai 700 nm (yang kita sebut sebagai cahaya tampak).
gelombang cahaya tampak

Sifat Gelombang Cahaya

Gelombang cahaya memiliki empat karakteristik utama, yaitu:

Dispersi Cahaya

Dispersi merupakan pembiasan cahaya putih (cahaya polikromatik) menjadi komponennya yaitu cahaya monokromatik. Dispersi akan terjadi saat cahaya putih melewati medan pembias.

Kita dapat mengamati sifat cahaya ini dengan menggunakan prisma sebagai medan pembias. Pada prisma, cahaya yang masuk akan mengalami pembiasa dua kali, yakni saat masuk ke prisma dan saat keluar ke prisma.

Pelangi merupakan salah satu contoh dispersi cahaya yang dapat kita amati secara alami. Air hujan membiaskan cahaya matahari sehingga cahaya terdispersi menjadi berbagai cahaya tampak yang kita sebut sebagai pelangi.

Pembiasan Cahaya

Pembiasan adalah peristiwa pembelokan arah rambat cahaya yang terjadi ketika cahaya melewati bidang batas antara dua medium yang berbeda. Pembiasan terjadi apabila sinar datang membentuk sudut tertentu cahaya datang tidak tegaklurus terhadap bidang batas (sudut datang lebih kecil dari 90^O) terhadap bidang batas.

Cahaya adalah gelombang elektromagnetik yang merambat lurus ke segala arah dengan kecepatan 3 x 10⁸ m/s dan mempunyai panjang gelombang sekitar 380–750 nm. Pada bidang fisika, cahaya adalah paket partikel yang disebut foton.

Jadi, Pembiasan cahaya adalah pembelokan cahaya ketika berkas cahaya melewati bidang batas dua medium yang berbeda indeks biasnya. Indeks bias mutlak suatu bahan ialah perbandingan kecepatan cahaya di ruang hampa dengan kecepatan cahaya di bahan tersebut. Indeks bias relatif merupakan perbandingan indeks bias dua medium berbeda.

Indeks bias relatif medium kedua terhadap medium pertama ialah perbandingan indeks bias antara medium kedua dengan indeks bias medium pertama. Pembiasan cahaya menyebabkan kedalaman semu dan pemantulan sempurna.

Arah Pembiasan Cahaya

Arah pembiasan cahaya dibedakan menjadi dua macam yaitu :

Mendekati garis normal

Cahaya akan dibiaskan mendekati garis normal jika cahaya merambat dari medium optik kurang rapat ke medium optik lebih rapat, contohnya cahaya merambat dari udara ke dalam air.

Menjauhi garis normal

Cahaya dibiaskan menjauhi garis normal jika cahaya merambat dari medium optik lebih rapat ke medium optik kurang rapat, contohnya cahaya merambat dari dalam air ke udara atau dari kaca ke udara. Pembiasan cahayanya tampak seperti gambar di bawah ini

Indeks Bias Cahaya

Pembiasan cahaya dapat terjadi dikarenakan perbedaan laju cahaya pada kedua medium. Laju cahaya pada medium yang rapat lebih kecil dibandingkan dengan laju cahaya pada medium yang kurang rapat. Menurut Christian Huygens (1629-1695) : “Perbandingan laju cahaya dalam ruang hampa dengan laju cahaya dalam suatu zat dinamakan indeks bias.”

Secara matematis dapat dirumuskan :

dimana :

n = indeks bias
c = laju cahaya dalam ruang hampa

( 3 x 10⁸ m/s)

v = laju cahaya dalam zat
Indeks bias tidak pernah lebih kecil dari 1 (artinya, n ³1), dan nilainya untuk beberapa zat ditampilkan pada tabel disamping.

Hukum Pembiasan Cahaya

Pada sekitar tahun 1621, ilmuwan Belanda bernama Willebrord Snell melakukan eksperimen untuk mencari hubungan antara sudut datang dengan sudut bias. Hasil eksperimen ini dikenal dengan nama hukum Snell yang berbunyi :

Sinar datang, garis normal, dan sinar bias terletak pada satu bidang datar.
Hasil bagi sinus sudut datang dengan sinus sudut bias merupakan bilangan tetap (disebut indeks bias).

Secara matematis, hasil bagi sudut datang dan sudut bias dinyatakan sebagai :

i = sudut datang ; r = sudut bias

Pembiasan Cahaya Pada Prisma, Contoh Soal dan Pembahasan

Dalam artikel sebelumnya, telah dibahas mengenai konsep pembiasan cahaya pada kaca plan paralel. Kaca plan paralel adalah benda bening berupa sekeping kaca yang kedua sisi panjangnya dibuat sejajar. Nah pada kesempatan kita akan membahas peristiwa pembiasan cahaya pada benda bening lainnya, yaitu prisma. Lalu tahukah kalian apa itu prisma? Bagaimana lukisan jalannya sinar datang dan sinar bias ketika melewati prisma? Apakah sama dengan kaca plan paralel? Untuk menjawab pertanyaan tersebut, simak penjelasan berikut ini.

Prisma adalah benda yang terbuat dari gelas tembus cahaya (transparan) yang kedua sisinya dibatasi bidang permukaan yang membentuk sudut tertentu satu sama lain. Karena membentuk sudut tertentu, maka dua bidang pembatas tersebut saling berpotongan (tidak sejajar). Dengan demikian, Prisma merupakan kebalikan dari kaca plan pararel. Kalau kaca plan paralel dua bidang pembatasnya sejajar sedangkan pada prisma dua bidang pembatasnya tidak sejajar.

Sudut yang dibentuk oleh dua permukaan prisma yang saling berpotongan tersebut dinamakan sudut pembias yang disimbolkan dengan β (baca: beta). Bidang permukaan prisma berfungsi sebagai bidang pembias. Coba kalian perhatikan lukisan jalannya sinar yang melewati sebuah prisma pada gambar berikut.

lukisan jalannya sinar yang masuk ke prisma dan keluar dari prisma serta mengalami pembiasan cahaya

Seberkas cahaya datang dari udara menuju bidang permukaan prisma akan dibiaskan mendekati garis normal. Kemudian, ketika cahaya meninggalkan prisma menuju udara, cahaya tersebut akan dibiaskan menjauhi garis normal. Setelah melewati bidang prisma, cahaya tersebut mengalami deviasi (penyimpangan). Besarnya penyimpangan tersebut dinyatakan dalam sudut deviasi yang disimbolkan dengan δ (baca: delta). Besarnya sudut deviasi yang dialami cahaya dapat ditentukan dengan cara berikut.

cara menentukan rumus sudut pembias prisma dan sudut deviasi pada peristiwa pembiasan cahaya dalam prisma

Jika suatu berkas sinar PQ datang pada salah satu sisi prisma yang sudut pembiasnya β, maka oleh prisma sinar ini dibiaskan mendekati garis normal menjadi sinar QR, kemudian sinar keluar lagi dari sisi prisma yang lain menjadi sinar RS dibiaskan menjauhi garis normal. Dari lukisan jalannya sinar di atas, ternyata sinar datang PQ dengan sinar keluar RS, perpotongan perpanjangan kedua sinar tersebut membentuk sudut yang disebut sudut deviasi.

Nah, berdasarkan lukisan di atas, kita dapat menurunkan rumus untuk menghitung besar sudut pembias prisma (β) dan sudut deviasi (δ). Caranya adalah sebagai berikut.

Menentukan Rumus Sudut Pembias Prisma

Perhatikan ∆QRT.

∠TRQ = r2 – i2 dan ∠TQR = i1 – r1

∠QTR = 180° − ∠TQR − ∠TRQ

Perhatikan ∆BQR.

∠BQR = 90° − r1

∠BRQ = 90° − i2

∠QBR = 180° − ∠BQR − ∠BRQ

⇒ ∠QBR = 180° − (90° − r1) – (90° − i2)

⇒ ∠QBR = r1 + i2

Karena ∠QBR = β, maka rumus untuk menentukan besar sudut pembias prisma adalah sebagai berikut.

β = r1 + i2

Keterangan:

β = sudut pembias prisma

r1 = sudut bias dari sinar masuk

i2 = sudut datang sinar keluar

Menentukan Rumus Sudut Deviasi

Perhatikan ∆QTR.

∠QTR + ∠TRQ + ∠TQR = 180° maka:

∠QTR = 180° − (∠TRQ + ∠TQR)

Karena ∠QTR dan δ saling berpelurus, maka:

∠QTR + δ = 180°

δ = 180° − ∠QTR

⇒ δ = 180° − [180° − (∠TRQ + ∠TQR)]

⇒ δ = ∠TRQ + ∠TQR

⇒ δ = ( r2 – i2) + (i1 – r1)

⇒ δ = i1 + r2 − r1 − i2

⇒ δ = (i1 + r2) – (r1 + i2)

Karena r1 + i2 = β, maka

δ = i1 + r2 – β

Dengan demikian, rumus untuk menghitung besar sudut deviasi cahaya pada pembiasan prisma adalah sebagai berikut.

δ = i1 + r2 – β

Keterangan:

δ = sudut deviasi

i1 = sudut datang sinar masuk

r2 = sudut bias dari sinar keluar

β = sudut pembias prisma

Interferensi Cahaya

Interferensi cahaya merupakan penjumlahan superposisi dua gelombang cahaya atau lebih yang dapat menimbulkan terbentuknya gelombang lain.
Interferensi cahaya pada celah ganda terjadi karena adanya beda fase cahaya dari cahaya yang melalui kedua celah tersebut. Ketika sebuah sumber cahaya yang sama persis frekeuensi dan panjang gelombangnya melewati dua buah celah, maka akan terjadi superposisi yang menyebabkan munculnya garis-garis gelap dan terang pada layar.
interferensi cahaya

Karena superposisi gelombangnya memiliki sudut interferensi, persamaannya dapat ditulis sebagai:

$d \cdot \sin \theta = m \cdot \lambda$

Perhatikan gambar diatas, jika sudut nya sangat kecil ( $\sin \theta \approx \tan \theta$ ) sehingga nilai $\sin \theta$ sebesar y/l, maka persamaannya menjadi:
Untuk pita terang:

$d \frac{y}{l} = m \cdot \lambda$

Untuk pita gelap:

$d \frac{y}{l} = (m - \frac{1}{2}) \cdot \lambda$

Di mana:
d = jarak antar celah (m)
θ = sudut interferensi
m = orde (0,1,2,…)
𝜆 = panjang gelombang (m)
y = jarak pita orde-m ke terang pusat (m)
l = jarak celah ke layar (m)

Difraksi Cahaya

Difraksi merupakan pelenturan cahaya saat cahaya melalui celah sehingga cahaya akan terpecah-pecah menjadi bagian-bagian yang lebih kecil dan memiliki sifat cahaya yang baru.

Difraksi Celah Tunggal:

Saat cahaya melalui celah yang sangat kecil maka dapat terjadi peristiwa terbentuknya pita gelap dan terang yang disebut sebagai difraksi celah tunggal. Setelah cahaya melalui celah tersebut, terbentuklah cahaya baru (dengan menganggap celah sebagai sumber cahaya baru) yang menyebar ke segala arah.
difraksi cahaya celah tunggal

Pada difraksi celah tunggal, pita terang akan menutup satu orde-m. Maka persamaannya menjadi:
Untuk pita terang:

$d \frac{y}{l} = (m + \frac{1}{2}) \cdot \lambda$

Untuk pita gelap:

$d \frac{y}{l} = m \cdot \lambda$

Difraksi pada kisi (Celah Banyak)

Jika sebuah cahaya monokromatis dilewatkan pada lempeng kisi atau celah banyak, maka akan terbentuk pola difraksi berupa pola gelap dan terang pada layar. Kisi adalah susunan celah yang sejajar dan memiliki ukuran yang sama, dan dapat dibuat dengan cara membuat goresan-goresan pada lempeng kaca atau logam menggunakan ujung intan.
Hubungan antara banyaknya celah dengan jarak antar celah dirumuskan sebagai:

$d = \frac{1}{N}$

Di mana: N = konstanta kisi (garis/m)
Pada difraksi celah banyak, pola terang dan gelang sama dengan Interferensi.
Untuk pita terang:

$d \frac{y}{l} = m \cdot \lambda$

Untuk pita gelap:

$d \frac{y}{l} = (m - \frac{1}{2}) \cdot \lambda$

Polarisasi Cahaya

Sebagai gelombang transversal, cahaya dapat mengalami polarisasi. Polarisasi cahaya dapat disebabkan oleh empat cara, yaitu refleksi (pemantulan), absorbsi (penyerapan), pembiasan (refraksi) ganda dan hamburan.

1. Polarisasi karena refleksi

Pemantulan akan menghasilkan cahaya terpolarisasi jika sinar pantul dan sinar biasnya membentuk sudut 90^o. Arah getar sinar pantul yang terpolarisasi akan sejajar dengan bidang pantul. Oleh karena itu sinar pantul tegak lurus sinar bias, berlaku i_p+ r = 90° atau r = 90° – i_p . Dengan demikian, berlaku pula

Jadi, diperoleh persamaan

Dengan n₂adalah indeks bias medium tempat cahaya datang n₁ adalah medium tempat cahaya terbiaskan, sedangkan i_p adalah sudut pantul yang merupakan sudut terpolarisasi. Persamaan di atas merupakan bentuk matematis dari Hukum Brewster.

Gambar 1. Polarisasi karena refleksi

2. Polarisasi karena absorbsi selektif

Gambar 2. Skema polarisasi selektif menggunakan filter polaroid. Hanya cahaya dengan orientasi sejajar sumbu polarisasi polaroid yang diteruskan.

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. Cahaya yang diteruskan adalah cahaya yang arah getarnya sejajar dengan sumbu polarisasi polaroid.

Gambar 3. Dua buah polaroid, polaroid pertama disebut polarisator dan polaroid kedua disebut analisator dengan sumbu transmisi membentuk sudut θ

Seberkas cahaya alami menuju ke polarisator. Di sini cahaya dipolarisasi secara vertikal yaitu hanya komponen medan listrik E yang sejajar sumbu transmisi. Selanjutnya cahaya terpolarisasi menuju analisator. Di analisator, semua komponen E yang tegak lurus sumbu transmisi analisator diserap, hanya komponen E yang sejajar sumbu analisator diteruskan. Sehingga kuat medan listrik yang diteruskan analisator menjadi:

E₂ = E cos θ

Jika cahaya alami tidak terpolarisasi yang jatuh pada polaroid pertama (polarisator) memiliki intensitas I₀, maka cahaya terpolarisasi yang melewati polarisator adalah:

I₁ = ½ I₀

Cahaya dengan intensitas I₁ ini kemudian menuju analisator dan akan keluar dengan intensitas menjadi:

I₂ = I₁ cos²θ = ½ I₀ cos²θ

3. Polarisasi karena pembiasan ganda

Jika berkas kaca 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 3. Skema polarisasi akibat pembiasan ganda.

Gambar 4. Skema polarisasi akibat pembiasan ganda.

4. Polarisasi karena 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.

Gambar 4. Warna biru langit akibat fenomena polarisasi karena hamburan

Gambar 5. Warna biru langit akibat fenomena polarisasi karena hamburan

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.

Contoh Soal Gelombang Cahaya dan Pembahasan

Seberkas cahaya monokromatik dengan panjang gelombang 500 nm tegak lurus pada kisi difraksi. Jika kisi memiliki 400 garis tiap cm sudut deviasi sinar 30⁰, maka banyaknya garis terang pada layar adalah…
A. 24
B. 25
C. 26
D. 50
E. 51
Pembahasan:
Dari soal, diketahui:

$\theta = 30^{\circ}$

$\lambda = 500 nm = 5 \times 10^{-7} m$

$N = 400 \frac{garis}{cm} = 4 \times 10^{4} \frac{garis}{m}$

Pertama, tentukan hubungan antara banyaknya celah dengan jarak antar celah:

$d = \frac{1}{N}$

$d = \frac{1}{4 \times 10^4} m$

Lalu, kita bisa dapatkan orde m-nya:

$d \cdot \sin \theta = m \cdot \lambda$

$\frac{1}{4 \times 10^4} \cdot \sin 30^{\circ} = m \cdot 5 \times 10^{-7}$

$m = 25$

Jadi, banyaknya garis terang pada layar adalah 25 pada bagian atas, 25 pada bagian bawah, dan 1 pada pusatnya di tengah. Sehingga total banyaknya garis terang yang terbentuk adalah:

m = 25 + 25 + 1

m = 51

Jadi, jawaban yang benar adalah E

TUGAS DI RUMAH

Silahkan download tugas di link berikut ini :

Tugas Gelombang Cahaya 1

Silahkan kerjakan tugasnya seperti biasa di buku atau kertas selembar (jangan hilang-untuk bukti fisik). Setelah itu kalian foto (perhatikan bisa terbaca atau tidak) dan langsung satukan saja di :

https://jpg2pdf.com/ ( tidak usah dikecilkan terlebih dahulu)

Jangan lupa diberi nama di kertas dan file nya dengan nama dan kelas kamu
Format nama file : tugas gelombang cahaya (nama) (kelas)
contoh : tugas gelombang cahaya Abi XI IPA 1,pdf

untuk lebih jelasnya silahkan lihat caranya di :

Cara Ngumpulin Tugas Terbaru

Tugasnya dikumpulkan di google clssroom ya anak-anak. terimakasih...

sumber :
https://www.studiobelajar.com/gelombang-cahaya/
https://www.fisikabc.com/2017/11/pembiasan-cahaya-pada-prisma.html
https://fisikamemangasyik.wordpress.com/fisika-3/optik-fisis/a-polarisasi-cahaya/
https://www.dosenpendidikan.co.id/pembiasan-cahaya/

FISIKA SMABI

Minggu, 29 Maret 2020

Gelombang Cahaya

Sifat Gelombang Cahaya

Dispersi Cahaya

Pembiasan Cahaya

Arah Pembiasan Cahaya

Indeks Bias Cahaya

Hukum Pembiasan Cahaya

Pembiasan Cahaya Pada Prisma, Contoh Soal dan Pembahasan

Interferensi Cahaya

Difraksi Cahaya

Difraksi Celah Tunggal:

Difraksi pada kisi (Celah Banyak)

Polarisasi Cahaya

1. Polarisasi karena refleksi

2. Polarisasi karena absorbsi selektif

3. Polarisasi karena pembiasan ganda

4. Polarisasi karena hamburan

Contoh Soal Gelombang Cahaya dan Pembahasan

TUGAS DI RUMAH

VEKTOR

Laporkan Penyalahgunaan

Label