Eksp. 3 Kecepatan Cahaya Di Udara [PDF]

Citation preview

LAPORAN EKSPERIMEN FISIKA I KECEPATAN CAHAYA DI UDARA Diajukan untuk memenuhi salah satu tugas Mata Kuliah Eksperimen Fisika I Dosen pengampu : Drs. David Edison Tarigan, M.Si.



Disusun oleh : Lani Fitriani



NIM 1503549



Teman Sekelompok : Rizky Kurniawati



NIM 1500681



LABORATORIUM FISIKA LANJUT DEPARTEMEN PENDIDIKAN FISIKA FAKULTAS PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA BANDUNG 2017



JUDUL Kecepatan Cahaya di Udara. PENDAHULUAN A. Tujuan : Menentukan kecepatan cahaya di udara. B. Dasar Teori : 1. Pengertian cahaya Cahaya adalah energi berbentuk gelombang elekromagnetik yang kasat mata dengan panjang gelombang sekitar 380–750 nm. Pada bidang fisika, cahaya adalah radiasi elektromagnetik, baik dengan panjang gelombang kasat mata maupun yang tidak. Selain itu, cahaya adalah paket partikel yang disebut foton. Kedua definisi tersebut merupakan sifat yang ditunjukkan cahaya secara bersamaan sehingga disebut "dualisme gelombang-partikel". Paket cahaya yang disebut spektrum kemudian dipersepsikan secara visual oleh indera penglihatan sebagai warna. Bidang studi cahaya dikenal dengan sebutan optika, merupakan area riset yang penting pada fisika modern. (id.wikipedia.org/wiki/Cahaya) 2. Laju cahaya Laju cahaya (kelajuan cahaya dalam ruang vakum; kecepatan cahaya), disimbolkan dengan c, adalah sebuah konstanta fisika universal yang penting dalam banyak bidang fisika. Nilai presisinya adalah 299.792.458 meter per detik (kira-kira 3 ×108 m/s ), karena panjang meter didefinisikan berdasarkan konstanta ini dan standar internasional waktu. Kelajuan ini merupakan kelajuan maksimum yang dapat dilajui oleh segala bentuk energi, materi, dan informasi dalam alam semesta. Kelajuan ini merupakan kelajuan segala partikel tak bermassa dan medan fisika, termasuk radiasi elektromagnetik dalam vakum. Kelajuan ini pula menurut teori modern adalah kelajuan gravitasi (kelajuan dari gelombang gravitasi). Partikel-partikel maupun gelombang-gelombang ini bergerak pada kelajuan c tanpa tergantung pada sumber gerak maupun kerangka acuan



inersial pengamat. Dalam teori relativitas, c saling berkaitan dengan ruang waktu. Konstanta ini muncul pula pada persamaan fisika kesetaraan massa-energi E=mc 2. Kelajuan cahaya yang merambat melalui bahan-bahan transparan seperti gelas ataupun udara lebih lambat dari c. Rasio antara c dengan kelajuan v (kelajuan rambat cahaya dalam suatu materi) disebut sebagai c indeks bias n material tersebut (n= ). Sebagai contoh, indeks refraksi v gelas umumnya berkisar sekitar 1,5, berarti bahwa cahaya dalam gelas bergerak pada kelajuan



c ≈ 200.000 km/s ; indeks refraksi udara untuk 1,5



cahaya tampak adalah sekitar 1,0003, sehingga kelajuan cahaya dalam udara adalah sekitar 299.700 km/s (sekitar 90 km/s lebih lambat daripada c) (id.wikipedia.org/wiki/Laju_cahaya). 3. Menentukan kecepatan cahaya di udara menggunakan osiloskop Berkas sinar laser yang berasal dari transmitter diarahkan ke cermin pemantul dengan panjang lintasan L1. Oleh cermin tersebut, sinar kemudian dipantulkan ke receiver dengan panjang lintasan L2. Sinyal ketika berkas laser dipancarkan akan dideteksi oleh osiloskop melalui input 1 dan sinyal yang ditangkap oleh receiver akan dideteksi oleh osiloskop melalui input 2. Osiloskop dapat menentukan perbedaan waktu antara kedua sinyal input tersebut. Dengan mengetahui jarak lintasan sinar laser dan waktu tempuhnya maka akan dapat ditentukan kecepatan sinar laser tersebut. C. Identifikasi Variabel : 1. Variabel bebas : panjang lintasan transmitter – cermin – receiver atau jarak tempuh berkas sinar laser ( L=L1 + L2) 2. Variabel terikat : beda fase. Beda fase yang diperoleh dalam percobaan ini berupa waktu tempuh (Δt). 3. Variabel kontrol : jenis medium yang digunakan, yaitu udara.



EKSPERIMEN A. Alat dan Bahan yang Digunakan : No.



Nama Alat / Bahan



Jumlah



Kegunaan 



1.



Oscilloscop dual trace



Untuk menampilkan hasil superposisi dua gelombang atau



Satu buah



dua sinyal input.  



Untuk menentukan beda fase. Untuk memancarkan berkas sinar laser yang akan dicari cepat



2.



Light transmitter



Satu buah



rambatnya di udara. 



3.



Cermin pemantul Satu buah



4.



Light receiver



Untuk dihubungkan pada channel 1



Osiloskop sebagai sinyal input 1. Untuk memantulkan berkas sinar laser dari transmitter ke receiver.  Untuk menerima pantulan sinar oleh cermin.



Satu buah







Untuk dihubungkan pada channel 2 Osiloskop sebagai sinyal input 2.



5.



Power supply



Dua buah



6.



Kabel konektor



Secukupnya



Penyalur tegangan pada transmitter dan receiver Untuk menghubungkan alat-alat menjadi suatu rangkaian.



B. Prosedur Percobaan : 1. Menyiapkan alat dan bahan yang akan digunakan. 2. Merangkai alat seperti sketsa berikut ini.



3. Menghubungkan transmitter dengan channel 1 pada osiloskop. 4. Menghubungkan receiver dengan channel 2 pada osiloskop. 5. Menyalakan transmitter, receiver, dan osiloskop. 6. Mengarahkan berkas sinar laser dari transmitter pada cermin pemantul. 7. Mengatur posisi cermin pemantul sehingga dapat menangkap berkas sinar laser dari transmitter dan dapat memantulkan berkas sinar laser pada receiver. 8. Mengatur posisi vertikal pada osiloskop sehingga channel 1 dan channel 2 berada pada sumbu horizontal yang sama. 9. Menentukan besar beda fase antara dua gelombang yang dapat dilihat pada osiloskop. Beda fase yang diperoleh dalam percobaan ini berupa waktu tempuh (Δt). 10. Mengukur panjang lintasan dari transmitter ke cermin pemantul (L1) dan panjang lintasan dari cermin pemantul ke receiver (L2). 11. Mencatat data yang diperoleh dalam tabel percobaan. 12. Mengulang kembali langkah 6 – 11 dengan mengubah-ubah jarak antara cermin pemantul terhadap transmitter dan receiver. 13. Merapikan kembali alat dan bahan yang telah digunakan. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Data Percobaan : No. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.



L1 (mm) 495 523 556 583 615 646 675



L2 (mm) 515 544 572 605 635 665 693



Δt (ns) 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 4,6



No. 8. 9. 10.



L1 (mm) 695 735 765



L2 (mm) 710 753 780



Δt (ns) 4,8 5,0 5,2



B. Pengolahan Data 1. Metode Grafik No. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.



L=L1 + L2 (m) 1,010 1,067 1,128 1,188 1,250 1,311 1,368 1,405 1,488 1,545



Δt (×10−9 s) 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 4,6 4,8 5,0 5,2



Untuk menghitung harga kecepatan cahaya menggunakan metode grafik, terlebih dahulu kita harus membuat grafik variabel bebas terhadap variabel terikat. Berdasarkan persamaan kecepatan v= s = t



( L1 + L2 ) ∆t



, maka



kita dapat membuat grafik L=L1 + L2 terhadap ∆ t yaitu sebagai berikut.



Dan diperoleh Linear Regression-nya yaitu sebagai berikut.



Dari hasil pengolahan data menggunakan Origin, diperoleh grafik L terhadap ∆t dengan persamaan garis lurus nya yaitu : y= (2,95394 ±0,0411017 ) × 108 + ( 0,00581 ±0,01783 ) Pada persamaan tersebut, sumbu y menyatakan jarak tempuh ( L=L1 + L2) sementara sumbu x menyatakan beda fase ∆t. Dari persamaan v=



( L1 + L2 ) ∆t



,



kecepatan cahaya di udara merupakan kemiringan garis. Sehingga diperoleh



¿ 2,954 ×10 8 m/ s



dan



ketidakpastiannya



adalah



∆ v=0,041 ×108 m/s . Maka, harga kecepatan cahaya di udara adalah sebesar : v=± ∆ v v=( 2,954 ± 0,041 ) × 108 m/ s . Dengan nilai persentase kesalahan presisi sebesar



∆v × 100 % ❑ 0,041× 108 ¿ × 100 % 2,954 ×108 ¿ 1,39 % ¿



2. Metode Statistik No. 1. 2. 3. 4. 5. 6.



L (m) 1,010 1,067 1,128 1,188 1,250 1,311



Δt (s) 3,4E-09 3,6E-09 3,8E-09 4,0E-09 4,2E-09 4,4E-09



v (m/s) 2,971E+08 2,964E+08 2,968E+08 2,970E+08 2,976E+08 2,980E+08



v−¿ v 2,910E+05 -3,790E+05 7,426E+04 2,322E+05 8,512E+05 1,187E+06



¿¿ 8,467E+10 1,436E+11 5,515E+09 5,390E+10 7,245E+11 1,408E+12



No. 7. 8. 9. 10.



L (m) 1,368 1,405 1,488 1,545 Jumlah



Δt (s) 4,6E-09 4,8E-09 5,0E-09 5,2E-09



v (m/s) 2,974E+08 2,927E+08 2,976E+08 2,971E+08 2,968E+09



v−¿ v 6,235E+05 -4,060E+06 8,322E+05 3,475E+05 Jumlah



¿¿ 3,887E+11 1,648E+13 6,925E+11 1,208E+11 2,010E+13



Kecepatan cahaya rata-rata : ¿



Besar standar deviasi :



∑ vi n



s=∆ v =√∑ ¿ ¿¿ ¿ ¿



2,968E+09 ¿ 10



∆ v=



¿ 2,968E+08 m/ s.



√



2,010E+13 9



∆ v=1,495E+06 ∆ v=0,01495E+08 ∆ v=0,015E+08 m/s.



Maka, harga kecepatan cahaya di udara adalah sebesar : v=± ∆ v v=( 2,968 ±0,015 ) ×10 8 m/ s . Dengan nilai persentase kesalahan presisi sebesar



¿



∆v × 100 % ❑



0,015× 108 ¿ ×100 % 2,968× 108 ¿ 0,51 % C. Analisis : Berdasarkan hasil percobaan dan pengolahan data yang telah dilakukan, maka dalam percobaan ini diperoleh nilai kecepatan cahaya di udara. Dalam percobaan ini digunakan konsep gerak lurus beraturan (GLB) karena cahaya merambat dengan kecepatan konstan, tidak pernah mengalami percepatan. Sehingga persamaan atau rumus yang digunakan dalam menentukan kecepatan v=



cahaya



di



udara



adalah



persamaan



GLB,



yaitu



:



jarak tempuh L = . L adalah panjang lintasan yang dilalui cahaya, yaitu waktu tempuh ∆ t



dari transmitter ke cermin pemantul dan dari cermin pemantul ke receiver. Persamaan tersebut digunakan dalam pengolahan data baik dengan metode grafik maupun dengan metode statistik. Sudut yang dibentuk oleh lintasan L1 dan L2 tidak berpengaruh terhadap hasil perhitungan kecepatan cahaya. Hal ini dikarenakan dalam perhitungan kecepatan cahaya di udara menggunakan percobaan ini, yang berpengaruh hanyalah panjang lintasan yang ditempuh cahaya dari transmitter ke cermin pemantul (L1) dan dari cermin pemantul ke receiver (L 2) selama selang waktu tertentu (Δt). Dari hasil pengolahan data diperoleh harga kecepatan cahaya adalah : 1. Metode grafik : v=( 2,954 ± 0,041 ) × 108 m/ s . 2. Metode statistik : v=( 2,968 ±0,015 ) ×10 8 m/ s . Berdasarkan kedua hasil tersebut, apabila dibandingkan dengan harga kecepatan cahaya di udara pada literatur v=299.700 km/s(atau 2,997 ×10 8 m/s ) maka terdapat perbedaan yang cukup signifikan. Hal tersebut dikatakan signifikan karena harga kecepatan cahaya berorde 8 sehingga ada selisih sedikit saja membuat perbedaan yang sangat besar. Beberapa faktor yang dapat menyebabkan perbedaan nilai kecepatan cahaya di udara antara hasil percobaan dengan literatur adalah sebagai berikut. 1. Pantulan cahaya dari cermin pemantul tidak tepat terdeteksi oleh receiver karena posisi antara cermin dan receiver yang kurang tepat. Hal ini berakibat pada bentuk gelombang yang ditampilkan osiloskop menjadi buram dan tidak mulus sehingga sulit menentukan beda fase antara dua gelombang. 2. Pengukuran panjang lintasan dari transmitter ke cermin (L1) dan dari cermin ke receiver (L2) kurang tepat. Hal ini dikarenakan penentuan acuan setiap pengambilan data tidak selalu tetap. Selain itu, keterbatasan alat ukur panjang juga menjadi salah satu faktor. 3. Kesalahan paralaks dalam menentukan beda fase gelombang. 4. Adanya getaran di lingkungan percobaan sehingga menyebabkan gelombang dari receiver yang ditampilkan osiloskop terus bergerak.



Berdasarkan hasil pengolahan data yang telah dilakukan menunjukkan bahwa harga kecepatan cahaya di udara yang paling mendekati literatur adalah hasil



pengolahan



menggunakan



metode



statistik



yaitu



v=( 2,968 ±0,015 ) ×10 8 m/ s dengan persentase kesalahan akurasinya sebesar :



|v−vliteratur| v literatur



|2,968 × 108−2,997 ×10 8|



× 100 %=



2,997 ×108



×100 %=0,97 %.



Percobaan yang telah dilakukan adalah percobaan menentukan harga kecepatan



cahaya



di



udara.



Dari



hasil



percobaan



diperoleh



v=( 2,968 ±0,015 ) ×10 8 m/ s. Sementara itu, harga kecepatan cahaya yang selama ini kita gunakan yaitu v=3 ×108 m/s atau nilai presisinya sebesar 299.792.458 m/s adalah harga kecepatan cahaya di ruang vakum. Jelas terlihat bahwa harga kecepatan cahaya di ruang vakum lebih besar daripada harga kecepatan cahaya di udara. Faktor yang menyebabkan perbedaan itu adalah indeks bias. Udara memiliki indeks bias sebesar 1,0003 sementara ruang vakum indeks biasnya sama dengan 1. Set alat yang digunakan dalam percobaan ini khusus digunakan untuk menentukan harga kecepatan cahaya di udara. Sangat sulit jika menggunakan set alat tersebut pada medium lain, seperti gelas/kaca, air, dan medium transfaran lainnya. Hal ini dikarenakan udara akan melewati beberapa medium dengan indeks bias yang berbeda. Dalam buku Fisika Untuk Sains dan Teknik Jilid 2 (Tipler, 2001) dijelaskan bahwa laju cahaya di dalam medium seperti misalnya kaca, air atau udara ditentukan oleh indeks bias n, yang didefinisikan sebagai perbandingan laju cahaya dalam ruang hampa c terhadap laju tersebut c dalam medium v, atau dapat ditulis n= . v D. Tugas Akhir : Semua pertanyaan telah terjawab dan jawabannya terintegrasi dalam pembahasan-pembahasan di atas.



KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan : Berdasarkan hasil percobaan dan pengolahan data yang telah dilakukan, diperoleh harga kecepatan cahaya di udara yaitu sebagai berikut. 1. Metode grafik : v=( 2,954 ± 0,041 ) × 108 m/ s dengan persentase kesalahan presisi sebesar 1,39%. 2. Metode statistik : v=( 2,968 ±0,015 ) ×10 8 m/ s



dengan persentase



kesalahan presisi sebesar 0,51%. Dari kedua hasil tersebut, harga kecepatan cahaya di udara yang plaing mendekati literatur adalah harga kecepatan cahaya di udara dengan menggunakan metode statistik, yaitu v=( 2,968 ±0,015 ) ×10 8 m/ s



dengan



persentase kesalahan akurasi sebesar 0,97%. B. Saran : Dalam percobaan ini, digunakan sinar laser sebagai sumber cahaya. Disarankan agar tidak terlalu lama atau tidak terlalu sering sinar laser tersebut mengenai permukaan kulit apalagi mata karena sinar laser yang digunakan memiliki daya yang cukup tinggi sehingga berbahaya bagi tubuh. DAFTAR PUSTAKA Tim Dosen Eksperimen Fisika Lanjut. 2017. Petunjuk Praktikum Eksperimen Fisika 1. Jurusan Pendidikan Fisika, FPMIPA, UPI. Tipler, Paul A. 2001. Fisika Untuk Sains dan Teknik Jilid 2. Jakarta : Erlangga. Wikipedia.



2017.



Cahaya



[online].



Tersedia



:



https://id.wikipedia.org/wiki/Cahaya. Diakses : 15 Oktober 2017. Wikipedia.



2017.



Laju



Cahaya



[online].



Tersedia



https://id.wikipedia.org/wiki/Laju_cahaya. Diakses : 15 Oktober 2017. LAMPIRAN



:



Rangkaian alat yang digunakan dalam percobaan



Beda fase gelombang yang terlihat pada osiloskop.