Analogi, Konsep Fisika [PDF]

Citation preview

ISSN 1979-4959



Jurnal Pengajaran Fisika Sekolah Menengah Vol. 1, No.4, November 2009



Pemahaman Konsep Gelombang Elektromagnetik dengan Analogi terhadap Konsep Gelombang Mekanik



Widayani, Khairrurijal, Siti Nurul Khotimah, dan Sparisoma Viridi Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Bandung Jalan Ganeca 10 Bandung 40132 E-mail: [email protected] Diterima Editor Diputuskan Publikasi



: :



29 September 2009 28 Oktober 2009



Abstrak Proses pembelajaran pada suatu subjek dapat disederhanakan dengan menggunakan pemahaman yang baik terhadap subjek lain yang telah dimiliki, melalui analogi. Dengan menggunakan enam langkah di dalam Model Pengajaran dengan Analogi (ADA), ditunjukkan bahwa konsep-konsep pada gejala gelombang mekanik memiliki analogi dengan konsep gelombang elektromagnetik. Analogi dilakukan dalam penjelasan hal-hal berikut ini: (a) sumber gelombang, (b) penjalaran gelombang dan energi, (c) refleksi dan transmisi, dan (d) superposisi. Pengecualian-pengecualian terhadap analogi-analogi tersebut juga telah diperoleh. Kata Kunci: Pengajaran dengan Analogi (ADA), getaran, gelombang mekanik, gelombang elektromagnetik. Abstract Learning process on a new subject can be simplified using an initially well-understanding on another subject, through analogies. Using six steps in the Teaching-with-Analogies (TWA) model, it is found that the concepts of mechanical waves have analogies with those of electromagnetic waves. The analogies have been carried out for the following concepts: (a) waves sources, (b) waves travelling and energy transport, (c) reflection and transmittance, and (d) superposition. Exceptions to the analogies are also found. Key words: Teaching-with-Analogies (TWA), vibration, mechanical waves, electromagnetic waves.



1. Pendahuluan Analogi adalah proses pembandingan kesetaraan-kesetaraan antara dua konsep berbeda. Analogi dapat digunakan untuk membantu siswa membangun pengertian konsep-konsep baru dari konsep-konsep yang telah diketahui dengan baik. Untuk menggunakan analogi-analogi secara efektif dalam pengajaran, Glynn telah mengembangkan sebuah model Pengajaran dengan Analogi (ADA) atau dalam bahasa aslinya dinamakan Teaching-with-Analogies (TWA) [1]. Sebuah contoh pemakaian analogi untuk pengajaran adalah penjelasan mengenai komponen listrik pasif [2]. Pemahaman mengenai kapasitor, induktor, dan memristor dijelaskan dengan analogi terhadap komponen pasif resistor.



Dalam makalah ini, kami melaporkan cara memperoleh analogi-analogi yang baik untuk pengajaran konsep gelombang elektromagnetik dengan menggunakan analogi terhadap konsep gelombang mekanik, khususnya gelombang tali. Pengecualian-pengecualian terhadap analogi-analogi tersebut juga didiskusikan. Pada umumnya pembelajaran fenomena gelombang elektromagnetik diberikan setelah siswa mendapat pelajaran gelombang mekanik. Di Indonesia bahkan gelombang tali telah dikenalkan kepada siswa pada Sekolah Menengah Pertama. Dengan demikian dapatlah diasumsikan bahwa siswa telah mengerti fenomena fisis pada gelombang tali.



2. Metode Metodologi yang digunakan untuk memperoleh analog-analogi yang baik mengacu kepada model Pengajaran dengan Analogi dari Glynn (ADA Glynn) [1]. Di dalam model ADA Glynn, 6 langkah berikut harus



100



101



JPFSM Vol. 1, No. 4, November 2009



dilakukan oleh para guru agar memperoleh sebuah analogi yang baik. a) Mengenalkan konsep target. Konsep target adalah konsep baru yang belum diketahui dengan baik oleh para siswa dan akan diajarkan kepada mereka. b) Mengulas lengkap konsep analogi. Konsep analog adalah konsep yang umum dan diketahui dengan baik oleh para siswa dan biasanya telah lebih dahulu diajarkan kepada mereka. c) Mengidentifikasi atribut-atribut relevan antara target dan analogi. Mengumpulkan seluruh atribut baik dari konsep target maupun dari konsep analog. d) Memetakan keserupaan antara konsep-konsep analogi dan target. Proses pembandingan seluruh atribut yang diperoleh tersebut disebut pemetaan. Jika terdapat banyak atribut serupa, sebuah analogi yang diperoleh makin baik. e) Mengidentifikasi atau mencari keadaan pengecualian yang mana analogi tersebut tidak bekerja. Atribut-atribut yang tidak serupa merupakan pengecualian dari analogi tersebut. f) Mengambil kesimpulan-kesimpulan tentang konsepkonsep target. Makalah ini diakhiri dengan menuliskan kesimpulankesimpulan tentang analogi konsep-konsep gerak rotasi dari gerak translasi serta pengecualiannya.



3. Hasil-hasil dan Diskusi Pada pembelajaran Fisika baik pada tingkat dasar maupun tingkat universitas, pada umumnya konsep gelombang elektromagnetik diberikan setelah konsep gelombang mekanik. Urutan ini cukup baik mengingat pada penjelasan gelombang mekanik dapat digunakan contoh-contoh yang mudah dilihat di sekitar kita. Misalnya gelombang permukaan air dapat diamati jika ada gangguan pada permukaan air yang akan menimbulkan bentuk lingkaran yang terus membesar pada permukaan air. Dalam memahami gelombang secara umum, diperlukan pemahaman mengenai hal-hal berikut ini: (a) sumber gelombang, (b) penjalaran gelombang dan energi, (c) refleksi dan transmisi, dan (d) superposisi. Peristiwa gelombang mekanik sangat mudah ditunjukkan di dalam kelas. Alat untuk mendemonstrasikan gelombang mekanik yang sederhana seperti slinki dan tali ringan yang tidak mulur mudah diperoleh. Siswa dapat melihat dengan nyata, bagaimana salah satu ujung tali atau slinki yang digerakkan naik dan turun dapat menghasilkan penjalaran simpangan pada bagian slinki atau tali yang lain, yang secara keseluruhan menghasilkan pola bukit dan lembah.



Gambar 1 Osilasi di ujung tali menghasilkan gelombang tali. Pada peristiwa tersebut jelas sekali bahwa gelombang tali terjadi karena ada gerakan naik dan turun di ujung tali. Gerakan naik dan turun ini disebut sebagai osilasi (getaran). Lalu, apakah yang menjadi sumber gelombang elektromagnetik? Adakah sesuatu yang setara dengan dengan getaran dalam gelombang mekanik, sebagai sumber gelombang elektromagnetik? Jawabannya ada pada hasil eksperimen Hertz (1887) [3]. Hertz menggunakan suatu sumber tegangan bolak balik yang masing-masing ujungnya dihubungkan pada dua batang yang berbeda. Karena sumber tegangan yang digunakan adalah bolak-balik, maka polaritas tegangan di batangbatang tersebut juga berubah-ubah. Akibatnya muatan pada batang-batang tersebut berosilasi. Osilasi muatan inilah yang menjadi sumber gelombang elektromagnetik. Penjelasan osilasi muatan menghasilkan gelombang elektromagnetik memerlukan konsep medan listrik dan medan magnet. Di dalam ilmu fisika, medan adalah suatu daerah dimana suatu besaran mempunyai nilai. Sebagai contoh, suatu muatan listrik q akan mendapat gaya listrik



r F jika ia berada di dalam suatu



r E . Gaya listrik yang dialami secara r r matematis dituliskan sebagai F = qE . Medan listrik ditimbulkan oleh muatan listrik. Jika suatu muatan q1



medan listrik



“masuk” ke dalam medan listrik yang ditimbulkan oleh muatan listrik q2 , maka q1 akan mendapat gaya listrik.



q2 “masuk” ke dalam medan listrik yang ditimbulkan oleh muatan listrik q1 , sehingga q2 akan mendapat gaya listrik pula. Akibatnya kedua



Pada saat yang bersamaan,



muatan tersebut sama-sama mengalami gaya listrik. Besar dan arah gaya listrik antar muatan dapat ditentukan dengan menggunakan hukum Coulomb. Selain medan listrik, pada gelombang elektromagnetik terdapat pula medan magnet. Pada awalnya orang mengira bahwa medan magnet hanya dihasilkan oleh benda-benda bersifat “magnet”, yaitu benda yang secara alami dijumpai sudah memilik sifat tersebut. Pendapat ini kemudian terbukti tidak benar ketika eksperimen Oersted menunjukkan bahwa arus listrik menimbulkan medan magnet (1820). Percobaan Oersted sangat bermanfaat karena sekarang orang dapat memproduksi medan magnet untuk berbagai keperluan.



102



JPFSM Vol. 1, No. 4, November 2009



Besar dan arah medan magnet yang ditimbulkan arus listrik dirumuskan oleh Jean Biot dan Felix Savart, rumus tersebut sekarang dikenal sebagai hukum Biot-Savart. Telah dijelaskan bahwa muatan listrik adalah sumber medan listrik. Pada percobaan Hertz, telah kita ketahui bahwa muatan mengalami osilasi. Dampak dari osilasi muatan ini adalah perubahan berkala dari medan listrik yang dihasilkan. Adanya osilasi muatan pada batang menunjukkan bahwa terdapat gerakan muatan. Karena gerakan muatan menghasilkan arus listrik dan arus listrik menghasilkan medan magnet, maka gerakan muatan menghasilkan medan magnet. Dengan demikian, osilasi muatan pada batang menghasilkan perubahan medan magnet yang berkala pula.



Gambar 2 Skematik percobaan Hertz [3]. Dari uraian di atas jelaslah bahwa osilasi muatan pada batang akan menghasilkan medan listrik dan medan magnet secara serentak. Kedua medan ini saling terkait secara khas dan merambat di dalam ruang. Perambatan medan listrik dan medan magnet inilah yang kita kenal sebagai gelombang elektromagnetik. Hubungan antara medan listrik, medan magnet dan perambatan gelombang telah diprediksi oleh penyelesaian 4 persamaan Maxwell pada tahun 1867, sebelum dibuktikan kebenarannya oleh hasil percobaan Hertz. Maxwell mengemukakan bahwa gelombang elektromagnetik dihasilkan oleh muatan yang dipercepat (arus yang berubah terhadap waktu, seperti pada percobaan Hertz).



Bagaimanakah sebuah gelombang dapat merambat? Marilah kita pelajari lagi apa yang terjadi pada gelombang tali. Ketika telah terjadi gelombang tali yang merambat, ujung tali yang digerakkan naik dan turun selalu hanya bergerak naik dan turun saja. Bagian ini tak pernah bergerak mendatar, misalnya bergerak pada arah rambatan gelombang. Jelaslah bahwa yang berpindah hanyalah simpangannya saja. Artinya, bagian tali yang tidak digerakkan naik dan turun, sekarang jadi bergerak naik dan turun juga. Hal ini berarti bahwa kemampuan untuk bergerak naik dan turun diteruskan ke bagian tali yang lain. Dengan kata lain, terjadi perambatan energi melalui gelombang. Peristiwa yang sama juga terjadi pada gelombang elektromagnetik. Osilasi medan listrik dan magnet dapat dirambatkan hingga ke tempat yang sangat jauh dari sumbernya. Peristiwa perambatan energi yang dibawa oleh gelombang elektromagnetik kita alami setiap hari, misalnya perambatan energi yang dibawa oleh sinar matahari, sinar lampu, sinar dari api, dan lain-lain. Laju rambat gelombang akan mempengaruhi laju rambat energi. Laju gelombang (v) pada tali bergantung pada tegangan (T) dan massa jenis tali (ρ), seperti ditunjukkan pada persamaan 1. Sedangkan laju gelombang elektromagnetik di dalam vakum (vEM) ditentukan dari nilai tetapan permeabilitas (µ0) dan permitivitas (ε0) vakum. Selain di dalam vakum, gelombang elektromagnetik juga dapat merambat pada medium gas, cair dan padat. Seperti pada perambatan gelombang mekanik, perambatan gelombang elektromagnetik pada medium juga mengalami hambatan akibat hadirnya partikel-partikel medium. Akibatnya laju rambat gelombang elektromagnetik di dalam medium menjadi lebih kecil dibandingkan dengan laju rambatnya di daerah vakum. Besaran yang digunakan untuk merepresentasikan hal itu adalah indeks bias medium (n), di mana nilai indeks bias udara dan vakum diambil sama dengan 1. Semakin besar indeks bias, berarti semakin besar pula hambatan dalam medium tersebut. Perumusan laju rambat gelombang elektromagnetik di dalam vakum dan medium ditunjukkan pada persamaan 2 dan 3.



v=



vEM = vmed =



Gambar 3 Hubungan arah-arah medan listrik, medan magnet dan perambatan gelombang elektromagnetik pada gelombang datar.



T ,



(1)



ρ 1



,



(2)



vud / vak . n



(3)



µ 0ε 0



Energi yang dibawa oleh gelombang bergantung kepada kuadrat amplitudo, yaitu amplitudo simpangan untuk gelombang tali dan amplitudo medan listrik (atau magnet) untuk gelombang elektromagnetik. Perumusan perambatan energi baik pada pada gelombang tali maupun gelombang elektromagnetik, bergantung kepada laju rambat gelombang, yang berarti juga bergantung pada jenis medium. Perumusan rata-rata laju rambat energi untuk gelombang tali dan gelombang elektromagnetik



103



JPFSM Vol. 1, No. 4, November 2009



berturut-turut ditunjukkan pada persamaan 4 dan 5 berikut ini.



Ptali ,rata 2 =



1 µ (ωy0 ) 2 v , 2



(4)



E0 B0 , 2µ0



(5)



PEM ,rata 2 = u rata 2 c = di mana E0 = cB0 .



Ketika suatu gelombang tiba pada perbatasan antara dua medium, maka secara umum sebagian gelombang akan dipantulkan dan sebagian lagi akan diteruskan. Refleksi dan transmisi pada gelombang tali dibahas menggunakan konsep impedansi. Besaran impedansi merepresentasikan pengaruh medium dalam menghambat perambatan gelombang. Hal ini menunjukkan bahwa secara umum perambatan gelombang di dalam suatu medium akan mengalami hambatan yang bergantung pada sifat medium tersebut. Hal yang sama berlaku pada gelombang elektromagnetik. Perumusan Impedansi untuk gelombang mekanik dan elektromagnetik berturut-turut ditunjukkan oleh persamaan 6 dan 7. Dengan menggunakan nilai permeabilitas dan permitivitas untuk ruang hampa, diperoleh impedansi ruang hampa sebesar 377 Ω.



Z g .tali = Tρ ,



(6)



µ. ε



(7)



Z EM =



dari kedua gelombang. Keadaan ini disebut superposisi. Pembahasan paling sederhana mengenai gejala superposisi adalah superposisi linier, dimana simpangan total dihasilkan dari penjumlahan linier dari simpangan masing-masing gelombang. Pada gelombang elektromagnetik juga berlaku prinsip superposisi linier. Perbedaannya adalah karena gelombang elektromagnetik diamati melalui pengamatan intensitasnya, maka analisis superposisi pada gelombang elektromagnetik dilakukan melalui analisis pola intensitas. Oleh sebab itu pembahasan superposisi pada gelombang elektromagnetik biasanya dipusatkan pada peristiwa interferensi/difraksi. Peristiwa interferensi/difraksi sangat mungkin dibawa ke kelas, karena yang diperlukan hanya sumber laser (sebagai sumber cahaya koheren) dan kisi difraksi (dapat dibeli di penjualan alat praktikum fisika).



Gambar 4 Superposisi gelombang tali.



Dengan menggunakan perumusan-perumusan impedansi tersebut, digunakan perumusan Reflektansi dan Transmitansi yang sama baik untuk gelombang tali maupun gelombang elektromagnetik, seperti yang ditunjukkan pada persamaan 8 dan 9 [5].



R=



Z 2 − Z1 , Z 2 + Z1



(8)



T=



2Z 2 . Z 2 + Z1



(9)



Sebagai tambahan, pada gelombang tali yang datang dari tali dengan massa jenis rendah (atau dari impedansi rendah) ke tali dengan massa jenis lebih besar (atau ke impedansi lebih besar), maka gelombang yang dipantulkan akan mengalami lompatan fasa sebesar π. Hal serupa juga terjadi pada gelombang elektromagnetik. Pada gelombang elektromagnetik yang datang dari medium dengan indeks bias rendah (impedansi rendah) ke medium dengan indeks bias lebih besar (impedansi lebih besar), maka gelombang yang dipantulkan akan mengalami lompatan fasa sebesar π. Seperti yang telah diuraikan, pada dasarnya gelombang tali adalah simpangan yang merambat. Jika pada saat yang bersamaan di suatu posisi tertentu terdapat dua gelombang, artinya simpangan terjadi akibat simpangan yang dibawa oleh masing-masing gelombang. Akibatnya simpangan yang terjadi merupakan pengaruh



Gambar 5 Superposisi gelombang elektromagnetik menghasilkan pola interferensi [3]. Beberapa atribut, baik yang serupa maupun yang tidak, dari konsep gelombang mekanik (gelombang tali) dan gelombang elektromagnetik diberikan pada Tabel 1. Tabel 1 Atribut-atribut dari gelombang tali dan gelombang elektromagnetik Gelombang elektromagnetik (target) Sumber gelombang berupa osilasi medan listrik dan medan magnet Dapat merambat dalam



Gelombang tali (analog) Sumber gelombang berupa osilasi mekanik Tak dapat merambat



104



JPFSM Vol. 1, No. 4, November 2009



ruang vakum maupun dalam medium



vEM =



1



µε



Terjadi Refleksi dan transmisi pada perbatasan dua medium



dalam ruang vakum



v=



T



ρ



Terjadi Refleksi dan transmisi pada perbatasan dua medium



µ ε



Z g .tali = Tρ



Z 2 − Z1 Z 2 + Z1 2Z 2 T= Z 2 + Z1



Z 2 − Z1 Z 2 + Z1 2Z 2 T= Z 2 + Z1



Dapat bersuperposisi Merambatkan energi



Dapat bersuperposisi Merambatkan energi



Z EM = R=



R=



Dari pembandingan seluruh atribut di Tabel 1 diperoleh kesetaraan antara konsep gelombang tali dengan gelombang elektromagnetik. Kedua gelombang bersumber dari gerak osilasi. Perambatan kedua gelombang di dalam medium mengalami hambatan dan hambatan ini direpresentasikan dengan besaran impedansi. Dengan perumusan impedansi, perumusan reflektansi dan transmitansi yang digunakan untuk kedua gelombang adalah sama. Peristiwa superposisi juga terjadi untuk kedua jenis gelombang ini. Analisis yang digunakan pun serupa, yaitu dengan penerapan prinsip superposisi linier. Hal mendasar yang membedakan gelombang elektromagnetik dengan gelombang tali adalah bagaimana cara energi dirambatkan. Pada gelombang elektromagnetik energi dirambatkan melalui osilasi medan listrik dan medan magnet, sehingga gelombang elektromagnetik tidak memerlukan medium untuk perambatannya. Sedangkan pada gelombang tali, energi dirambatkan melalui osilasi bagian-bagian tali sehingga gelombang tali memerlukan medium untuk perambatannya. Peristiwa ini terjadi karena bagian tali yang satu terikat dengan bagian tali berikutnya (medium seperti ini seringkali disebut sebagai medium kontinu), sehingga simpangan pada satu bagian tali akan menyebabkan bagian tali di sebelahnya ikut menyimpang. Secara umum, perambatan gelombang mekanik memerlukan medium. Misalnya gelombang suara di udara dirambatkan melalui partikel-partikel udara yang saling bertumbukan. Simpangan suatu partikel akan mendorong partikel lain yang berdekatan sehingga ikut menyimpang. Peristiwa ini berlanjut pada simpangan partikel selanjutnya, dan seterusnya. Akibatnya gelombang mekanik selalu memerlukan medium dalam perambatannya.



4. Kesimpulan Dengan menggunakan model Pengajaran dengan Analogi dari Glynn (ADA Glynn), konsep-konsep gelombang elektromagnetik (sebagai gelombang mekanik) telah ditunjukkan memiliki analogi dengan



konsep gelombang tali. Pengecualian-pengecualian terhadap analogi-analogi tersebut juga telah dibahas.



5. Ucapan Terima Kasih Para penulis menyampaikan terima kasih kepada teman sejawat dalam Kelompok Pendidikan Fisika, Program Studi Fisika, FMIPA ITB atas diskusi yang bermanfaat.



Referensi [1] S. M. Glynn, Explaining science concepts: A teaching-with-analogies model. Dalam S. Glynn, R. Yeany, & B. Britton (Eds.), The Psychology of Learning Science Hillsdale, N.J.: Erlbaum, 1991, 219-240. [2] Khairurrijal, M. Abdullah, Widayani, E. Sustini, Konsep Komponen Listrik (Kapasitor, Induktor, dan Memristor) Menggunakan Analogi Konsep Resistor untuk Pengajaran di Sekolah Menengah Atas, Jurnal Pengajaran Fisika untuk Sekolah Menengah, 1(4), 9195 (2009). [3] R. A. Serway and J. W. Jewett, Physics for Scientist and Engineer, Thomson Brooks Cole (2004). [4] H. Benson, University Physics, John Wiley & Sons (1996). [5] Bhag Guruand, Huseyin Hiziroglu, Electromagnetic Field Theory Fundamental, Cambridge University Press (2005).