![Modul Eksperimen Fisika Ii [PDF]](https://pdfs.asia/img/200x200/modul-eksperimen-fisika-ii.jpg)
11 0 2 MB
BUKU PANDUAN EKSPERIMEN FISIKA II
Penyusun Dra. Jorena, M.Si Dra. Yulinar Adnan, M.Si Moch. Rifqi Tamara Balada Soerya, S.Si Mardiati Asisten 2021/2022
LABORATORIUM EKSPERIMEN FISIKA JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SRIWIJAYA 2022
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
KATA PENGANTAR Dengan mengucap syukur kepada Tuhan Yang Kuasa, karena berkat rahmat dan karuniaNya buku panduan Eksperimen Fisika II dapat diselesaikan. Buku ini diperuntukkan bagi mahasiswa jurusan fisika semester VI Fakultas MIPA Universitas Sriwijaya Buku panduan ini disusun secara singkat dan padat, dengan harapan mahasiswa dapat mengembangkan ilmunya baik dari hasil eksperimen maupun dari sumber informasi lainnya. Terlaksananya kegiatan ini tidak terlepas dari bantuan berbagai pihak. Dalam kesempatan ini pelaksanaan kegiatan menyampaikan terimakasih kepada pihak Jurusan yang telah banyak membantu dalam perbaikan kinerja laboratorium, laboran yang telah membantu dalam pemeliharaan dan perbaikan alat, dan juga semua asisten yang telah bekerja keras agar kegiatan eksperimen berjalan dengan sempurna. Semoga buku panduan ini bermanfaat untuk kita semua, Aamiin. Indralaya, Januari 2022 Kepala Lab. Eksperimen Fisika Jurusan Fisika FMIPA Univ. Sriwijaya
Dra. Jorena, M.Si NIP: 196405101991022001
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
i
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ............................................................................................................... i DAFTAR ISI ............................................................................................................................ii PROSEDUR OPERASIONAL STANDAR............................................................................. 1 PERCOBAAN 1 Statistik Pencacah Radiasi Nuklir Geiger-Muller ....................................... 7 PERCOBAAN 2 Absorpsi Radiasi Sinar-β pada Plat Aluminium ....................................... 11 PERCOBAAN 3 Penentuan Cepat Rambat Gelombang Bunyi di Udara dengan Tabung Resonansi .................................................................................................... 17 PERCOBAAN 4 Efek Fotolistrik .......................................................................................... 21 PERCOBAAN 5 Fotometri .................................................................................................... 26 PERCOBAAN 6 Medan Magnet dalam Solenoida................................................................ 29 PERCOBAAN 7 Alat Sistem Radiasi Termal........................................................................ 33 PERCOBAAN 8 Interferensi dan Difraksi ............................................................................. 39 DAFTAR PUSTAKA .............................................................................................................. 43
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
ii
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
PROSEDUR OPERASIONAL STANDAR PELAKSANAAN PRAKTIKUM DI LABORATORIUM EKSPERIMEN FISIKA DENGAN MENERAPKAN PROTOKOL COVID-19
I.
TUJUAN Prosedur ini merupakan prosedur yang bertujuan untuk mengatur pelaksanaan
praktikum di Laboratorium Eksperimen Fisika Fakultas MIPA Universitas Sriwijaya terkhusus pada saat pandemi COVID-19 masih melanda agar tercipta ketertiban administrasi dan pelaksanaan praktikum dengan tetap mengindahkan protokol kesehatan di dalam prosesnya.
II.
RUANG LINGKUP Prosedur
ini
dilaksanakan
oleh
mahasiswa
yang
mendaftarkan
diri
mengikuti/membimbing praktikum di laboratorium yang bersangkutan.
III. DEFINISI 1. Pendaftaran praktikum adalah kegiatan administratif berupa entri data mahasiswa yang ingin mengikuti kegiatan praktikum pada lembar KRS (Kartu Rencana Studi). 2. Mengikuti prosedur/protokol kesehatan adalah wajib. Bagi praktikan yang mengabaikannya dianggap tidak mengikuti praktikum pada saat itu. 3. Responsi adalah kegiatan ujian secara lisan dan/atau tertulis yang dimaksudkan untuk mengukur pengetahuan teoritis mahasiswa tentang materi praktikum yang bersangkutan.
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
1
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
4. Pengguna laboratorium merupakan perorangan atau individu yang menggunakan peralatan laboratorium untuk keperluan praktikum dan/atau penelitian a. Asisten merupakan mahasiswa yang bertugas membimbing jalannya praktikum b. Praktikan merupakan mahasiswa peserta mata kuliah praktikum yang terdaftar di akademik dan menjalankan fungsi laboratorium sebagai media pembelajaran 5. Laporan Praktikum merupakan kumpulan laporan percobaan yang bentuk dan formatnya ditentukan oleh kepala laboratorium. Laporan percobaan berisi data, analisis dan kesimpulan. 6. Penilaian merupakan usaha untuk mengukur kemampuan afektif, kognitif dan psikomotorik mahasiswa dalam pelaksanaan responsi dan praktikum. 7. Syarat merupakan segala sesuatu yang menjadi batasan atau acuan apabila ingin mengikuti kegiatan praktikum. 8. Sanksi merupakan hukuman yang dikenakan pada pengguna laboratorium yang melanggar aturan praktikum Sanksi bagi pendaftar dan praktikan: i. Pendaftar yang tidak mengikuti responsi, tidak diperkenankan mengikuti praktikum. ii. Praktikan dianggap mengundurkan diri, jika: a. Tidak mengindahkan prosedur/protokol kesehatan sebelum, selama, dan setelah kegiatan praktikum berjalan. b. Tidak mengikuti praktikum sesuai jadwal yang telah diterapkan. c. Tidak mengikuti satu atau lebih percobaan dalam 1 (satu) praktikum. d. Tidak mengikuti responsi sesuai jadwal yang telah ditetapkan.
IV.
PERINGATAN 1. Jika praktikum dilaksanakan tidak sesuai SOP ini, maka kualitas praktikum tidak sesuai standar yang seharusnya dan hasilnya tidak dapat dipertanggungjawabkan. 2. Dilarang membawa makanan dan minuman ke dalam laboratorium saat pelaksanaan praktikum. 3. Dilarang menimbulkan kegaduhan di dalam laboratorium 4. Dilarang keras merokok, baik rokok konvensional maupun elektrik, di dalam laboratorium
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
2
Laboratorium Eksperimen Fisika
V.
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
REFERENSI 1. Peraturan Menteri Pendidikan Nasional RI Nomor 232/U/2000 tentang Pedoman Penyusunan Kurikulum Pendidikan Tinggi Dan Penilaian Hasil Belajar Mahasiswa. 2. Peraturan Pemerintah RI Nomor 19 tahun 2005 tentang Standar Nasional Pendidikan. 3. Peraturan Pemerintah RI Nomor 17 tentang Pengelolaan dan Penyelenggaraan Pendidikan. 4. Statuta Universitas Sriwijaya 2010. 5. Buku Pedoman Akademik Universitas Sriwijaya. 6. Surat Edaran Rektor No. 001/UN9/SE.BAK.Ak/2022 a. Surat Edaran Dekan No. 001/UN9.FMIPA/TU.SE/2022
VI.
PIHAK YANG TERLIBAT Pihak-pihak yang terkait: 1. Mahasiswa 2. Asisten Laboratorium 3. Pranata Laboratorium
VII. MEKANISME UMUM PRAKTIKUM Berdasarkan berbagai referensi yang tertera pada poin v, maka pranata Laboratorium Eksperimen Fisika memutuskan Mata Kuliah Praktikum Eksperimen Fisika II sepenuhnya dilaksanakan secara luring (offline) dengan pemberlakuan prasyarat praktikum dan pembatasan selama pelaksanaan praktikum yang akan dijelaskan pada poin setelahnya.
VIII. PRASYARAT PRAKTIKUM 1. Bukti telah Vaksin minimal dosis 1 2. Surat Izin Orang Tua Kedua prasyarat di atas wajib dipenuhi oleh semua praktikan dan dibawa serta dikumpulkan secara fisik saat pertemuan pertama praktikum di Laboratorium Eksperimen Fisika. Sementara asisten wajib memenuhi prasyarat 1 untuk menjalankan fungsinya sebagai asisten. Pengguna lab yang tidak/belum dapat
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
3
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
memenuhi prasyarat yang diminta, tetap dapat mengikuti kegiatan praktikum melalui kegiatan alternatif praktikum pada poin setelahnya. IX.
PROTOKOL KESEHATAN COVID-19 1. Pemberlakuan Pembatasan a. Praktikan wajib mencuci tangan dengan hand sanitizer yang telah dibawa masing-masing, sebelum dan setelah melaksanakan praktikum. b. Praktikan wajib menggunakan masker. c. Para pengguna laboratorium wajib menjaga jarak dan menghindari kontak fisik langsung. d. Praktikan akan dibagi ke dalam 4 kloter. e. Asisten laboratorium menunjuk salah satu praktikan sebagai penanggung jawab (PJ) ketertiban prokes pada tiap kloter. f. Tiap meja percobaan hanya diperuntukkan bagi 3-5 praktikan. 2. Sebelum praktikum a. Praktikan wajib membawa alat tulis yang dibutuhkan dan tidak diizinkan saling pinjam sesama praktikan. b. Penertiban kerumunan dan cek kelengkapan para praktikan dilakukan oleh PJ Kloter dan asisten yang bertugas. c. Praktikan harus hadir 15 menit sebelum praktikum dimulai dan telah mengisi presensi. d. Praktikan yang terlambat tidak diperbolehkan mengikuti praktikum hari tersebut. e. Praktikan mengikuti praktikum sesuai dengan jadwal dan kloter yang telah ditentukan. 3. Saat praktikum a. Setiap praktikan menjaga jarak dan mengikuti arahan asisten dengan baik. b. Praktikan dilarang untuk mengobrol atau membahas hal di luar praktikum saat itu. c. Setiap kloter diberikan waktu 1 jam untuk melaksanakan praktikum hingga selesai. d. Rangkaian praktikum meliputi: teori singkat & pengenalan alat oleh asisten meja, pengambilan & pengolahan data, dan analisa singkat 4. Setelah praktikum
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
4
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
a. Semua praktikan harap langsung meninggalkan ruang praktikum dengan tertib dan satu persatu untuk menghindari kerumunan. b. Praktikan dilarang berkerumun setelah praktikum berakhir, baik di dalam laboratorium maupun di luar laboratorium. 5. Alternatif praktikum Alternatif praktikum dapat diikuti jika dan hanya jika pengguna lab tidak dapat memenuhi kedua prasyarat atau izin karena hal mendesak tertentu dan telah diizinkan asisten. a. Praktikan mengikuti praktikum secara daring (online) via zoom b. Praktikan memasuki ruang virtual yang telah disediakan sesuai dengan jadwal dan kloter yang telah ditentukan
X. SANKSI Sanksi dapat diberlakukan pada tiap pengguna laboratorium yang ketahuan melanggar poin-poin dalam prosedur operasional standar ini.
XI.
BAGAN ALIR PROSEDUR Mulai
Asisten
Membuat jadwal praktikum dan memberikan modul praktikum
Jadwal praktikum
Praktikan Mengisi presensi
Praktikan
Melaksanakan praktikum secara berkelompok
Praktikan Mencatat data hasil praktikum
A Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
5
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
A
Praktikan
Melakukan analisa data dan membuat laporan tetap secara individual
Laporan tetap
Selesai
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
6
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
PERCOBAAN 1 STATISTIK CACAHAN RADIASI NUKLIR GEIGER-MÜLLER Tujuan Percobaan Studi fluktuasi statistik yang terjadi pada peluruhan radioaktif tertentu pada situasi yang tetap Batasan Masalah Statistik cacahan yang didapat tidak memperhitungkan waktu mati tabung GeigerMüller. Dasar Teori Henry Becquerel pada tahun 1896, saat sedang melakukan eksperimen fluoresensi, secara tidak sengaja menemukan bahwa uranium mempengaruhi plat fotografi yang dibungkus dengan kertas hitam, dengan radiasi yang tidak diketahui dan sifatnya tidak sama dengan radiasi sinar-X. Ernest Rutherford meneliti penemuan Henry Becquerel tersebut dan menemukan dua jenis radiasi: 1. Radiasi sinar alfa yang tidak mempengaruhi plat fotografi karena tidak dapat menembus kertas hitam 2. Radiasi sinar beta yang mana memiliki daya tembus 100 kali dari sinar alpha, Rutherford mempublikasikan penemuannya pada tahun 1899. Ternyata radiasi sinar alpha dan beta dapat dibelokkan oleh medan magnet (wikipedia.org). Paul Villard pada tahun 1900, saat sedang meneliti radiasi yang dipancarkan radium, menemukan bahwa ada sinar yang tak dapat dibelokkan oleh medan magnet dan mempunyai daya tembus yang paling besar. Ernest Rutherford pada tahun 1903 menamai radiasi ini dengan sinar gamma (wikipedia.org). Pencacah Geiger-Müller Alat deteksi yang digunakan pada eksperimen ini adalah tabung Geiger-Müller. Apabila alat ini didekatkan pada zat atau unsur radioaktif, maka sinar radioaktif akan mengionisasi gas dalam tabung tersebut hingga timbul kuat arus yang tidak tetap (terputus–putus). Alat cacahan (digital counter) mendeteksi arus putus-putus ini dalam bentuk nilai cacahan. Semakin banyak sinar radioaktif yang ditangkap, maka semakin sering cacahan yang didapat (wikipedia.org). Saat eksperimen pencacah Geiger dilakukan, akan didapati bahwa besar cacahan bevariasi terhadap beda potensial pada anoda dan katoda di dalam tabung. Grafik besar cacahan terhadap beda potensial tersebut secara umum dapat dilihat pada Gambar 1.1. Daerah datar (plateau) pada gambar tersebut merupakan daerah tegangan yang mana tabung Geiger bekerja dengan benar. Dilihat dari karakteristik tabung Geiger yang digunakan (ukuran, tipe gas, pabrikan, dll.) daerah plateau akan bervariasi. Pada daerah ini, tabung Geiger bekerja dengan baik untuk menghasilkan banyak avalanche. Beda potensial di bawah daerah plateau akan Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
7
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
menyebabkan tabung tidak cukup kuat untuk menghasilkan pelepasan muatan yang sempurna, kemudian untuk beda potensial di atas daerah plateau akan menyebabkan pelepasan muatan berkelanjutan dan dalam hal ini tabung tidak dapat lagi mendeteksi radiasi. Waktu mati (dead time atau resolving time) merupakan rentang waktu saat setelah cacahan didapat, tabung Geiger tidak dapat mendeteksi radiasi datang karena ion yang dihasilkan berada di dekat anoda sehingga mengurangi intensitas medan listrik yang dapat membuat elektron tidak mendapat energi yang cukup untuk memulai avalanche. Besar waktu mati bervariasi tergantung pada jenis tabung Geiger yang digunakan. Fenomena waktu mati ini menyebabkan nilai cacahan yang didapat tidak sesuai dengan nilai cacahan sebenarnya. Statistik Cacahan Geiger-Müller Setiap unsur dengan inti yang sama mempunyai probabilitas meluruh yang sama pula, namun tidak dapat ditentukan inti mana yang meluruh pada saat tertentu. Selain itu partikel radiasi dipancarkan ke berbagai arah secara acak, sehingga partikel yang keluar dari inti belum tentu masuk semua ke detektor atau tercatat pada pencacah. Jika diadakan pengamatan beberapa kali, maka jumlah cacahan untuk selang waktu tertentu dan jarak tertentu serta kondisi eksperimen tertentu akan diperoleh harga cacahan yang berbeda. Harga yang paling baik adalah rata–ratanya. Dalam suatu kondisi yang berlaku untuk semua jenis peluruhan radioaktif (contohnya: semua intinya identik, tidak bergantung terhadap parameter lain, dan setiap inti mempunyai probablitas yang konstan terhadap interval satuan waktu), dapat digunakan fungsi distribusi (𝑎) yang merupakan peluang untuk mengamati cacahan 𝑎 pada sekali periode pengamatan. Data hasil pengukuran cacahan tabung Geiger merupakan tipe data acak kontinu, sehingga fungsi distribusi yang dapat digunakan adalah Distribusi Gauss (dikenal juga sebagai distribusi normal), yaitu
𝑃(𝑎) =
1 𝜎√2𝜋
∙e
1 𝑎−𝐴 2 ) 2 𝜎
− ∙(
(1.1)
rerata 𝐴 suatu data kelompok didapatkan dengan menggunakan persamaan mean data kelompok,
𝐴=
∑𝑛 𝑖 𝑓𝑖 𝑎𝑖 ∑𝑛 𝑖 𝑓𝑖
(1.2)
sementara σ adalah deviasi standar data kelompok untuk sampel yang merupakan ukuran sebaran data di sekitar rerata data yang dinyatakan dalam, 2 ∑𝑛 𝑖 𝑓𝑖 (𝑎−𝐴)
𝜎=√
𝑛−1
(1.3)
dengan : frekuensi cacahan ke-i Dengan : banyaknya pengukuran yang dilakukan Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
8
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
Pada lingkup data yang berbeda (sampel & populasi), perumusan deviasi standar dapat berbeda. Persamaan (1.3) digunakan untuk sampel data dari populasi karena penggunaan 𝑛 − 1 mengoreksi bias yang muncul selagi mengolah sampel data, dalam statistik dikenal sebagai Koreksi Bessel. Ketika menghitung sampel dari suatu populasi, koreksi ini dapat memberikan perkiraan deviasi standar yang lebih baik (Kadir, 2015). Analisis Data menggunakan Microsoft Excel Microsoft Excel merupakan perangkat lunak berbasis spreadsheet yang dikembangkan oleh Microsoft sejak 1987 dengan versi terbaru Microsoft Excel 2019 dan Office 365. Excel sangat efektif untuk pengolahan data sehingga mendukung data analis dalam berbagai bidang seperti sains, matematika, statistik, teknik, dan bisnis. Berkenaan dengan analisis data eksperimen, Excel menyediakan lebih dari 100 fungsi statistik bawaan seperti deviasi standar, nilai maksimum, minimum, dan rerata. Dengan banyaknya data yang mungkin didapat pada percobaan ini, penting untuk melakukan otomatisasi olah data menggunakan perangkat lunak seperti Excel demi efisiensi waktu dan tenaga. Perhitungan rerata data dapat menggunakan fungsi AVERAGE(), sementara deviasi standar menggunakan fungsi STDEV.P() dan STDEV.S(). Excel juga menyediakan fungsi distribusi, dalam hal ini, Distribusi Gauss dapat diketahui menggunakan fungsi NORM.DIST() (Kirkup, 2012). Alat dan Bahan 1. Tabung Geiger Muller, berfungsi sebagai sumber detektor 2. *Sumber radioaktif (tanyakan pada asisten perihal unsur radioaktif yang digunakan), berfungsi sebagai sumber pemancar radiasi radioaktif 3. Pencacah digital (digital counter), berfungsi sebagai penyedia tegangan untuk detektor dan pencacah radiasi yang terdeteksi 4. Sangkup pelindung tunggal, berfungsi sebagai tempat diletakkannya sumber radioaktif saat pengukuran 5. Penjepit, berfungsi sebagai alat untuk memindahkan sumber radioaktif 6. Statif dan klem, berfungsi sebagai penyangga yang menetapkan posisi Tabung GeigerMuller 7. Stopwatch, berfungsi sebagai alat penghitung waktu
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
9
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
Gambar 1.1 Rangkaian percobaan statistik cacahan Geiger-Muller
Prosedur Percobaan 1. Hidupkan alat pencacah dan biarkan selama 5 menit 2. Tentukan tegangan plateau untuk detektor Geiger-Müller yang digunakan 3. Tentukan jarak antara sumber radioaktif terhadap detektor Geiger-Müller dan pastikan untuk setiap pengamatan, jarak tersebut tetap 4. Ukur besar cacahan untuk radiasi lingkungan (background) setidaknya 50 kali perulangan (semakin banyak perulangan semakin bagus) pada rentang waktu yang sama dan tegangan plateau yang telah ditentukan 5. Lakukan butir 4 untuk sumber radioaktif lain dengan perulangan yang sama Tugas Tambahan 1. Bagaimana cara menentukan tegangan plateau pada detektor Geiger-Müller? 2. Bagaimana mekanisme sinar gamma dapat dideteksi oleh detektor Geiger-Müller mengingat sifat ionisasi sinar gamma yang begitu kecil?
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
10
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
PERCOBAAN 2 ABSORPSI RADIASI SINAR BETA (β) PADA PLAT ALUMINIUM Tujuan Percobaan 1. Menentukan besar koefisien atenuasi massa (mass attenuation coefficient) sinar beta pada bahan aluminium secara empiris 2. Menentukan besar jangkauan tempuh (range) dan energi absorpsi sinar beta yang meradiasi bahan aluminium Batasan Masalah 1. Besar cacahan yang didapat tidak memperhitungkan waktu mati tabung Geiger-Müller 2. Energi absorpsi dari medium udara dan jendela tabung tidak diperhitungkan Dasar Teori Interaksi Radiasi dengan Materi Ada beberapa macam perubahan yang terjadi pada materi jika berinteraksi dengan bahan radiasi. Perubahan tersebut antara lain: perubahan fisis, perubahan mekanis, perubahan elektris, dan perubahan kimiawi. Secara fisis interaksi radiasi dengan materi berupa pelepasan energi partikel ke medium atau materi yang dilewati. Efek interaksi demikian digunakan sebagai prinsip kerja detektor nuklir. Interaksi Sinar Beta dengan Materi Hilangnya energi sinar beta karena berinteraksi dengan materi dapat melalui beberapa mekanisme. Mekanisme tersebut diantaranya proses ionisasi seperti halnya dengan partikel alpha. Kehilangan energi akibat ionisasi adalah sebesar sekitar 35 eV dalam medium udara, dan ionisasi akan berhenti bila energi sinar beta berkurang hingga 12,5 eV. Selain mekanisme di atas, hilangnya energi sinar beta bisa juga karena peristiwa Bremstrahlung, yang mana sinar beta yang bergerak mendekati inti mengalami perlambatan sehingga melepaskan energi berupa gelombang elektromagnetik. Semakin besar nomor atom inti tersebut maka semakin besar pula kehilangan energinya. Koefisien Atenuasi Linier Koefisien atenuasi linier µ adalah koefisien yang menyatakan atenuasi/absorpsi sinar beta pada bahan tertentu terhadap tebal plat secara linier dan nilainya bergantung pada jenis bahan. Jika pada jarak 𝑥 dari permukaan materi (bahan) intensitasnya adalah 𝐼(𝑥), maka lapisan setebal 𝑑𝑥 akan mengubah intensitas radiasi sinar beta sebesar
𝑑𝐼 = −𝜇𝐼(𝑥)𝑑𝑥
(2.1)
Jika persamaan (2.1) diturunkan lebih lanjut, maka akan didapat
𝐼(𝑥) = 𝐼0 𝑒 −𝜇𝑥
(2.2)
dengan 𝐼(𝑥) : intensitas radiasi setelah menembus material sejauh 𝑥 𝐼0 : intensitas radiasi datang (sebelum menembus material) Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
11
Laboratorium Eksperimen Fisika
𝑥 𝜇
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
: jarak tembus radiasi pada material : koefisien atenuasi linear (tergantung pada jenis bahan dan energi sinar radiasi datang)
Dalam proses ini dapat dilihat seperti pada Gambar 2.1 berikut: Koefisien Atenuasi Massa
Gambar 2.1 Penampang suatu material dengan tebal x dan intensitas radiasi datang I 0
Koefisien atenuasi massa adalah ukuran atenuasi radiasi berdasarkan ketebalan massa (mass thickness) suatu material. Ketebalan massa didefinisikan sebagai perbandingan massa terhadap luas permukaan (area density). Jika suatu plat material mempunyai massa 𝑚, luas permukaan 𝐴 yang seragam, tebal 𝑥, dan rapat massa ρ, maka ketebalan massa 𝑥𝑚 adalah
𝑥𝑚 =
𝑚 𝐴
dan untuk tebal 𝑥 yang dapat dituliskan sebagai
𝑥𝑚 =
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
= 𝜌𝑥 𝑥𝑚 𝜌
(2.3)
(2.4)
12
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
Intensitas radiasi 𝐼 sebagai fungsi ketebalan massa 𝑥𝑚 dapat ditentukan dengan mensubtitusikan persamaan (2.4) ke dalam persamaan (2.2), akan menghasilkan
𝐼(𝑥𝑚 ) = 𝐼0 𝑒
𝜇𝑥𝑚 𝜌 ,
−
atau
𝐼(𝑥𝑚 ) = 𝐼0 𝑒 −𝜇𝑚𝑥𝑚
(2.5) (2.6)
Penentuan Besar Koefisien Atenuasi Massa berdasarkan Eksperimen Penentuan koefisien atenuasi dapat dilakukan berdasarkan persamaan (2.2) atau (2.6) bergantung pada jenis koefisien atenuasi yang akan dicari, namun pada percobaan ini yang diukur adalah koefisien atenuasi massa. Jika persamaan (2.6) dihitung dalam skala logaritma natural, maka didapat persamaan
𝑙𝑛 𝐼(𝑥𝑚 ) = −𝜇𝑚 𝑥𝑚 + 𝑙𝑛 𝐼0
(2.7)
Persamaan (2.6) tidak lain adalah persamaan garis lurus
𝑦 = 𝑎𝑥 + 𝑏
(2.8)
dengan 𝑦 = ln 𝐼(𝑥𝑚), kemiringan (slope) 𝑎 = 𝜇𝑚, 𝑥 = 𝑥𝑚, dan intercept 𝑏 = ln 𝐼0. Slope dan intercept tersebut dapat ditentukan berdasarkan perumusan regresi linier sebagai berikut
𝑎=
̅̅̅̅ 𝑥̅ 𝑦̅−𝑥𝑦 2 ̅̅ 𝑥̅ −𝑥̅̅2
, 𝑏 = 𝑦̅ − 𝑎𝑥̅
(2.9)
Jangkauan Tempuh dan Energi Peluruhan Beta Jangkauan tempuh (range) didefinisikan sebagai jarak maksimum yang dapat dilalui radiasi dan jenis bahan. Besarnya jangkauan tempuh sinar (𝑅 𝛽) bergantung pada energi sinar 𝛽 dan jenis bahannya. Harga jangkauan tempuh dapat diperoleh dari grafik berdasarkan persamaan (2.6) yang mana 𝑅𝛽 sama dengan 𝑥𝑚 untuk besar ln 𝐼(𝑥𝑚) sama dengan intensitas radiasi background. Energi peluruhan beta (beta decay energy) 𝐸𝑀 adalah besar energi maksimum saat suatu unsur mengalami peluruhan beta. Contoh peluruhan beta untuk strontium-90 adalah sebagai berikut: Sr90 → Y90 + 𝛽 + 𝑣 Y90 → Zr90 + 𝛽 + 𝑣 Energi peluruhan strontium-90 diberikan secara acak berdasarkan probablitas: kadang diberikan maksimum ke sinar beta 𝛽, kadang diberikan maksimum ke anti-neutrino 𝑣, kadang diberikan sama rata antar keduanya. Besar energi peluruhan beta (dalam MeV) pada plat aluminium bergantung pada jangkauan tempuh menurut (Feather, 1938) yang secara empiris diberikan sebagai berikut: 𝐸𝑀 = 0,00185 ∙ 𝑅𝛽 + 0,245
; untuk 𝑅 𝛽 > 300 mg/cm2
(2.9a)
𝐸𝑀 = 0,0128𝑅𝛽 0,725
; untuk 30 < 𝑅𝛽 < 300 mg/cm2
(2.9b)
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
13
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
Jangkauan Tempuh dan Energi Peluruhan Sinar Beta untuk Peluruhan Berantai
Gambar 2.2 Kurva penyerapan radiasi β dan γ dalam aluminium
Banyak unsur yang mengalami peluruhan berantai sehingga untuk beberapa sumber radioaktif dapat memancarkan banyak partikel radiasi, contohnya seperti Ra226. Dalam kasus ini, jangkauan tempuh sinar beta dapat ditentukan dengan metode grafik cacahan terhadap ketebalan massa aluminium seperti pada Gambar 2.2. Saat kurva menunjukkan perubahan slope/kemiringan garis, sesungguhnya batas kemiringan kurva tersebut menunjukkan batas jangkauan tempuh sinar beta yang kemudian hanya sinar gamma yang terdeteksi oleh detektor.
Alat dan Bahan 1. Tabung Geiger-Müller, berfungsi sebagai sumber detektor 2. Pencacah digital (digital counter), berfungsi sebagai penyedia tegangan untuk detektor dan pencacah radiasi yang terdeteksi 3. *Sumber radioaktif (tanyakan pada asisten perihal unsur radioaktif yang digunakan), berfungsi sebagai sumber pemancar radiasi radioaktif 4. *Plat aluminium (tanyakan pada asisten perihal ketebalan massa plat yang digunakan), berfungsi sebagai objek yang diradiasi sinar beta 5. Stopwatch, berfungsi sebagai alat penghitung waktu 6. Sangkup pelindung tunggal, berfungsi sebagai tempat diletakkannya sumber radioaktif saat pengukuran 7. Penjepit, berfungsi sebagai penjepit untuk memindahkan sumber radioaktif 8. Statif dan klem, berfungsi sebagai penyangga yang menetapkan posisi Tabung GeigerMuller Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
14
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
Gambar 2.3 Rangkaian percobaan absorpsi sinar beta
Prosedur Percobaan Persiapan Eksperimen 1. Hidupkan pencacah digital dan biarkan selama ± 5 menit 2. Tetapkan tegangan pencacah digital pada tegangan plateu detektor Geiger-Muller yang digunakan 3. Tetapkan jarak sumber radiasi dengan detektor Geiger Muller (pastikan janganterlalu jauh agar pelemahan oleh medium udara tidak terlalu berpengaruh) 4. Catat nilai cacahan tanpa sumber 𝑁0 sebagai cacahan latar (background) terhadapwaktu dan perulangan pengukuran (semakin banyak perulangan semakin baik) Penentuan Besar Koefisien Atenuasi Massa, Jangkauan Tempuh, dan Energi Peluruhan Sinar Beta 1. Tentukan sumber radioaktif yang hanya memancarkan sinar beta (Peringatan: jangan gunakan tangan untuk memindahkan sumber radioaktif, gunakan penjepit/pinset) 2. Ukur nilai cacahan radioaktif tanpa plat aluminium terhadap waktu
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
15
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
3. Ukur nilai cacahan radioaktif tanpa plat aluminium yang diukur terhadap waktu dan perulangan 4. Ukur nilai cacahan radioaktif yang disertai dengan plat aluminium terhadap ketebalan massanya sampai didapat hasil nilai cacahannya yang sama dengan nilai cacahan latar (lakukan pengukuran dengan waktu dan perulangan yang sama dengan pengukuran tanpa plat aluminium) Penentuan Jangkauan Tempuh dan Energi Peluruhan Sinar Beta untuk Peluruhan Berantai 1. Tentukan sumber radioaktif yang memancarkan sinar alpha, beta, dan gamma 2. Ukur nilai cacahan tanpa plat aluminium yang diukur terhadap waktu dan perulangan. 3. Ukur nilai cacahan dengan plat aluminium terhadap ketebalan massanya sampai didapat kurva perubahan kemiringan pada grafik cacahan terhadap ketebalan massa. Tugas Tambahan Berapa intensitas radiasi sinar beta sesudah melewati bahan bila ketebalan massa bahan tersebut bernilai sebesar 260 mg/cm2 , koefisien atenuasi massa sebesar 0,25 m2/kg, dan intensitas sebelum menembus bahan adalah 10 W/m2?
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
16
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
PERCOBAAN 3 PENENTUAN CEPAT RAMBAT GELOMBANG BUNYI DI UDARA DENGAN TABUNG RESONANSI Tujuan Percobaan Mendapatkan besar cepat rambat gelombang bunyi di udara pada suhu ruangan secara empiris Dasar Teori Gelombang Akustik Energi gelombang akustik/bunyi yang merambat dalam suatu medium terdiri dari energi kinetik dan energi potensial. Energi kinetik ditinjau saat partikel udara bergerak dan energi potensial ditinjau saat terjadi perapatan dan perenggangan udara. Gelombang bunyi yang merambat dalam suatu medium terjadi karena adanya suatu perpindahan energi dari suatu tempat ke tempat lainnya. Perbedaan tekanan medium antara keadaan semula dengan tekanan sewaktu terjadinya perapatan atau perenggangan disebut tekanan gelombang bunyi. Secara umum persamaan gelombang akustik yang merambat dalam suatu medium adalah :
∇2 𝑃 =
1 𝜕2𝑃 𝑐 2 𝜕𝑡 2
dengan 𝑃
: tekanan gelombang bunyi (N/m2)
dengan 𝑐
: cepat rambat gelombang bunyi (m/sekon)
dengan 𝑡
: waktu (sekon)
(3.1)
Solusi umum dari persamaan (3.1) adalah :
𝑃 = 𝐴𝑒 𝑗(𝑤𝑡 −𝑘𝑟) − 𝐵𝑒 𝑗(𝑤𝑡−𝑘𝑟)
(3.2)
dengan 𝐴 dan 𝐵 adalah tetapan sembarang yang dapat ditentukan dengan syarat awal dan syarat batas, r adalah arah rambatan gelombang bunyi. Gelombang bunyi yang dihasilkan oleh suatu sumber pada umumnya merambat ke segala arah. Titik–titik di dalam ruang dimana fasenya sama, akan membentuk suatu bidang yang dinamakan muka gelombang. Jika mediumnya isotropis, bidang tersebut berupa permukaan bola. Bila membicarakan gelombang bunyi, lebih mudah membahas variasi tekanan daripada menggeser–geser partikel di udara. Adapun variasi tekanan diberikan oleh :
∇𝑃 =
𝐵(∆𝑉) 𝑉
(3.3)
dengan 𝑃 : tekanan gelombang bunyi (N/m2) 𝐵 : modulus bulk (N/m2) 𝑉 : volume (m3) Eksperimen Penentuan Cepat Rambat Gelombang Bunyi Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
17
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
Cepat rambat gelombang bunyi dapat diukur dengan meninjau rambatan gelombang bunyi pada suatu tabung/pipa. Bila jari-jari tabung lebih kecil dari pada panjang gelombang bunyinya, maka rambatannya dapat dianggap sebagai gelombang bidang yang merambat sepanjang tabung dalam arah satu dimensi. Persamaan gelombangnya dalam hal ini diberikan oleh: 𝜕2𝑃 𝜕𝑥 2
=
1 𝜕2 𝑃 𝑐 2 𝜕𝑡 2
(3.4)
Dari persamaan (3.4), dengan 𝑃 = 𝑃(𝑥, 𝑡) yang solusinya adalah:
𝑃 = 𝐴𝑒 𝑗(𝑤𝑡 −𝑘𝑟) − 𝐵𝑒 𝑗(𝑤𝑡−𝑘𝑟)
(3.5)
Gelombang suara yang merambat pada tabung sama halnya dengan gelombang sinus yang menjalar pada tali dengan ujung terikat seperti pada Gambar 3.1. Gelombang seperti ini tidak merambat tetapi simpangannya berubah–ubah, dengan simpul–simpul dan perut-perut gelombang tetap pada tempatnya. Jika frekuensi bunyi diubah–ubah pada kolom udara yang tetap, maka jumlah atau posisi simpul-simpul dan puncak-puncak juga akan berubah. Adapun jarak antar simpul atau antar perut yang berdekatan adalah sama dengan setengah panjang gelombang, sehingga kecepatan gelombang bunyi dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan
𝑣 = 𝜆𝑓 = 2𝑙𝑓 dengan 𝑓
: frekuensi gelombang bunyi (Hz)
dengan 𝑣
: cepat rambat gelombang bunyi (m/sekon)
dengan 𝑙
: jarak antar simpul atau antar perut gelombang (m)
(3.6)
Dengan meletakkan penghasil suara atau speaker (yang frekuensinya dapat diketahui)
pada ujung tabung dan sensor bunyi atau mikrofon pada ujung lainnya, maka panjang Gambar 3.1 Gelombang bunyi pada pipa tertutup: (a) panjang 𝑙1 pada 𝑓1 , (b) panjang 𝑙2 < 𝑙1 pada 𝑓2 > 𝑓1 , dan (c) panjang 𝑙3 < 𝑙2 < 𝑙1 pada 𝑓3 > 𝑓2 > 𝑓1 Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
18
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
gelombang dapat ditentukan dengan memindahkan posisi mikrofon. Hasil yang diperoleh dari mikrofon ditampilkan pada alat penggambar sinyal listrik seperti osiloskop. Gambaran sinyal listrik akan sama saat posisi sensor bunyi berada pada setiap simpul gelombang atau perut gelombang, sehingga 𝑙 adalah perpindahan sensor bunyi saat gambaran listrik kembali ke gambar awal. Untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat,ada baiknya untuk memilih gambar sinyal listrik maksimum sebagai acuan. Alat dan Bahan 1. Tabung resonansi, meliputi: a. Tabung kaca, berfungsi sebagai ruang pembatas rambatan bunyi b. Speaker, berfungsi sebagai ... c. mikrofon (dengan tangkai aluminium berdiameter 8 mm), berfungsi sebagai ... 2. Penguat, berfungsi sebagai ... 3. Generator fungsi, berfungsi sebagai sumber listrik sekaligus pengatur frekuensi pada speaker 4. Osiloskop, berfungsi sebagai ... 5. Mistar, berfungsi sebagai ...
Gambar 3.2 Rangkaian alat-alat untuk mengukur cepat rambat gelombang di udara
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
19
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
Prosedur Percobaan 1. Susun dan hubungkan setiap peralatan seperti pada Gambar 3.2 2. Hubungkan fungsi generator dan osiloskop ke sumber listrik sehingga akanmuncul gambar sinyal listrik pada osiloskop 3. Pelajari penggunaan fungsi generator dan osiloskop 4. Pilih atau tetapkan frekuensi bunyi melalui fungsi generator 5. Tetapkan posisi awal mikrofon (yang diacu pada batang aluminium) dan jarak antara mikrofon dan speaker 6. Ubah posisi mikrofon relatif terhadap speaker sedemikian rupa saat proyeksi sinyal listrik kembali ke proyeksi awal, kemudian catat perubahan posisi tersebut sebagai 𝑙1 7. Ubah kembali posisi 𝑙1 sehingga kembali didapat proyeksi sinyal listrik awal lagi sebagai 𝑙2 dan seterusnya sampai 𝑙3 8. Ulangi dari butir 4 dengan variasi frekuensi 9. Catat temperatur ruangan Tugas Tambahan Turunkan persamaan (3.4) sehingga didapat persamaan (3.5)!
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
20
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
PERCOBAAN 4 EFEK FOTOLISTRIK Tujuan Percobaan 1. Meneliti hubungan energi kinetik elektron dan stopping potensial terhadap frekuensi dan intensitas foton datang 2. Menentukan besar konstanta planck dan fungsi kerja katoda yang digunakan secara empiris Dasar Teori Efek fotolistrik merupakan suatu fenomena terlepasnya partikel bermuatan dari permukaan material akibat dikenai foton. Partikel bermuatan yang secara umum ditemukan mengalami efek ini adalah elektron. Efek fotolistrik berperan penting dalam perkembangan fisika modern karena membantu dalam pengetahuan tentang sifat cahaya dan dunia mikroskopis suatu zat. Pelepasan muatan oleh foton ini dapat terjadi pada material berfase gas, cair, dan padat, namun seringkali diterapkan pada benda padat sepertilogam. Secara sederhana, fenomena efek fotolistrik dapat diamati dengan rangkaian seperti pada gambar berikut
(a)
(b)
(c)
Gambar 4.1: Rangkaian sederhana pengamatan efek fotolistrik: (a) Rangkaian tanpa diberi tegangan antarkedua plat. (b) Rangkaian diberi tegangan DC dengan plat kolektor terhubung ke kutub positif. (c) Rangkaian diberi tegangan DC dengan plat kolektor terhubung ke kutub negatif.
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
21
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
Tabung yang divakumkan berisi dua plat logam elektroda yaitu plat pemancar dan plat kolektor. Plat pemancar dikenai cahaya dengan intensitas dan frekuensi sedemikian rupa sehingga fotoelektron ditangkap oleh keping anoda, kemudian akan muncul nilai tidak nol pada amperemeter yang mengindikasikan adanya arus yang mengalir. Pada Gambar 4.1a, arus listrik dapat mengalir pada rangkaian karena banyaknya fotoelektron berkumpul pada plat kolektor, membuat plat tersebut bermuatan negatif dan plat pemancar bermuatan positif sehingga timbul beda potensial diantara plat. Pada Gambar 4.1b, kutub negatif sumber DC membuat elektron bebas berkumpul pada plat pemancar sehingga semakin banyak elektron yang dikenai cahaya, ditambah dengan medan listrik yang mempercepat fotoelektron berpindah. Rangkaian seperti ini membuat kuat arus meningkat sampai batas tertentu seiring tegangan yang meningkat. Pada Gambar 4.1c, beda potensial dari sumber DC menghasilkan medan listrik di antara kedua plat yang memperlambat gerakan fotoelektron (mengurangi energi kinetik) menuju plat kolektor. Beda potensial DC tersebut dinamakan potensial perlambatan (retarding potensial). Semakin besar potensial DC yang diberikan, maka semakin besar pula perlambatan sampai batas fotoelektron tidak dapat berpindah. Besar tegangan yang menghentikan foto elektron untuk berpindah disebut stopping potensial. Stopping potensial sebanding dengan energi kinetik fotoelektron berdasarkan persamaan:
𝐾 = 𝑒𝑉𝑜
(4.1)
dengan 𝐾 adalah energi kinetik fotoelektron, 𝑒 adalah besar muatan fotoelektron dengan nilai 1,6 × 10−19 C, dan 𝑉 0 adalah besar stopping potensial. Dari hasil eksperimen diperoleh fakta empiris sebagai berikut: 1. Potensial pemberhenti 𝑉0 tidak bergantung dengan besar intensitas cahaya 𝐼 yang mengenai plat pemancar, namun bergantung pada frekuensi cahaya 𝜈 yang menyinari katoda. Intensitas cahaya yang mengenai plat pemancar hanya mempengaruhi besar kuat arus fotoelektron 𝑖𝑓
Gambar 4.2: Grafik kuat arus fotoelektron terhadap tegangan kolektor. (a) Stopping potensial tidak dipengaruhi oleh intensitas foton 𝐼1, 𝐼2, dan 𝐼3 dengan kurva yang jatuh pada tegangan Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
22
Laboratorium Eksperimen Fisika Modul Praktikum Eksperimen Fisika II kolektor yang sama dan bernilai negatif sesuai dengan Gambar 4.1c. (b) Stopping potensial dipengaruhi oleh besar frekuensi 𝜈1, 𝜈2 dan 𝜈3 pada intensitas foton yang sama
2. Untuk satu jenis material plat kolektor, grafik 𝑉0 terhadap 𝜈 merupakan garis yang lurus.
Ditinjau dari grafik tersebut, terdapat batas frekuensi yang memperbolehkan terjadinya efek fotolistrik. Batas frekuensi ini disebut frekuensi potong (cut-off frequency) yang bergantung terhadap jenis material. Gambar 4.3: Grafik stopping potensial terhadap frekuensi foton. Terdapat dua kurva berbeda karena frekuensi potong material A yaitu 𝜈A berbeda dengan frekuensi potong material B yaitu 𝜈B, namun kurva keduanya tetap berupa garis lurus.
Albert Einstein menjelaskan fakta empiris tersebut dengan menganggap bahwa cahaya yang digunakan untuk menyinari permukaan logam terbentuk dari paket-paket radiasi gelombang elektromagnetik (foton) sesuai dengan teori kuantum max planck, yang besar energi fotonnya adalah:
Energi foton = 𝑛ℎ𝜈
(4.2)
dengan ℎ adalah konstanta planck yang bernilai 6,626 × 10−34Js, dan 𝑛 bilangan bulat. Teori kuantum tersebut sesuai dengan efek fotolistrik yang secara matematis diberikan sebagai berikut:
ℎ𝜈
=
𝐾 + ℎ𝜈0
(4.3)
dengan ℎ𝜈 adalah energi foton, dan ℎ𝜈0 adalah energi minimun yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari permukaan logam dan besarnya sebanding dengan frekuensi potong 𝜈0.
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
23
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
Alat dan Bahan 1. Multimeter, berfungsi sebagai ... 2. PASCO Scientific model AP-9368, meliputi: a. Sumber cahaya lampu merkuri OS-9286, berfungsi sebagai sumber foton b. h/e apparatus AP-9368, berfungsi sebagai tempat rangkaian efek fotolistrik c. Light apperture assembly, berfungsi sebagai pendifraksi sumber cahaya d. Coupling bar assembly, berfungsi sebagai pengatur h/e apparatus AP-9368 agar tetap pada posisi yang tetap terhadap Light apperture assembly e. White reflective mask, berfungsi sebagai tempat untuk melihat sinar ultraviolet f. Filter hijau dan filter kuning, berfungsi sebagai penyaring cahaya untukmenghasilkan warna hijau dan kuning g. Filter transmisi, berfungsi sebagai penyaring intensitas foton datang 3. Stopwatch, berfungsi sebagai ... 4. 2 × Baterai 9V, berfungsi sebagai sumber tegangan untuk amplifier h/e apparatus AP-9368
Gambar 4.4. Peralatan percobaan efek fotolistrik
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
24
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
Prosedur Percobaan Persiapan Eksperimen 1.
Hubungkan 2 × baterai 9V pada female/konektor baterai h/e apparatus AP-9368, yang dapat diakses dengan mengendurkan sekrup dibelakang apparatus. Bila baterai sudah terpasang, ukur tegangannya melalui female +6V dan -6V terhadap ground. Tegangan baterai kurang dari 6V dapat menyebabkan kesalahan dalam pengambilan data
2.
Hubungkan alat-alat hingga seperti pada Gambar 4.4
3.
Hubungkan sumber cahaya lampu merkuri dengan sumber tegangan PLN, kemudian diamkan selama 5 menit
4.
Spektrum cahaya merkuri dapat dilihat didepan light apperture assembly dengan meletakkan kertas sebagai layar
5.
Tekan switch ON pada h/e apparatus AP-9368
Menentukan Besar Stopping Potensial terhadap Frekuensi Foton 1.
Fokuskan spektrum foton merkuri yang diinginkan pada lubang white reflective mask dengan memutar h/e apparatus AP-9368 melalui coupling bar assembly (pastikan yang terfokus hanya satu warna saja)
2.
Ukur tegangan output h/e apparatus AP-9368 dengan multimeter. Ambil data tegangan yang bernilai konstan sebagai stopping potensial (gunakan filter hijau dan kuning saat meninjau spektrum warna hijau dan kuning karena energinya yang rendah dapat diganggu oleh foton lain dengan energi lebih tinggi)
3.
Untuk meniadakan tegangan output pada h/e apparatus AP-9368, tekan tombol push to zero. Ulangi prosedur dari butir 1 di atas hingga terukur 5 data stopping potensial untuk 5 spektrum foton
Menentukan Besar Stopping Potensial terhadap Intensitas Cahaya 1.
Ukur stopping potensial pada warna cahaya yang diinginkan dengan menyertakan filter transmisi sebagai penyaring intensitas cahaya
2.
Ukur waktu yang diperlukan dari awal pengukuran untuk mencapai nilai stopping potensial pada setiap persentase filter transmisi
3.
Ulangi prosedur dari butir 1 di atas untuk spektrum foton yang lainnya
Tugas Tambahan Apakah panjang gelombang foton datang dapat diukur dengan menerapkan eksperimen efek fotolistrik? Jelaskan alasannya!
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
25
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
PERCOBAAN 5 FOTOMETRI Tujuan Percobaan 1. Membuktikan bahwa hubungan antara tingkat penerangan (illuminance) dengan jarak mengikuti hukum kuadrat terbalik 2. Mengkaji grafik tingkat penerangan terhadap jarak pada variasi daya sumber cahaya yang digunakan 3. Menentukan hubungan antara tingkat penerangan dengan hambatan LDR (light dependent resistor) secara empiris Dasar Teori Cahaya dan Tingkat Penerangan Radiasi elektromagnetik adalah kombinasi medan listrik dan medan magnet yang berosilasi dan merambat melewati ruang dan membawa energi dari satu tempat ke tempat yang lain. Cahaya tampak adalah salah satu bentuk radiasi elektromagnetik. Penelitian teoritis tentang radiasi elektromagnetik disebut elektrodinamik, yang merupakan sub bidang elektromagnetisme. Cahaya tampak memiliki satuan internasional yaitu candela, yang merupakan satuan dari besaran pokok intensitas cahaya (luminous intensity). Sejak Conférence générale des poids et mesures (CGPM) ke 16 tahun 1979, satu candela didefiniskan sebagai intensitas cahaya pada arah tertentu oleh sumber yang memancarkan radiasi monokromatis berfrekuensi 5,4 × 1014 Hz dan mempunyai intensitas radiasi sebesar 1/683 watt per steradian. Cahaya tampak juga merupakan dasar ukuran panjang, yang 1 meter adalah jarak yang dilalui cahaya melalui vakum pada 1/299,792,458 detik. Sifat-sifat cahaya ialah, cahaya bergerak lurus ke semua arah, dapat terpantul, terbias, terdifraksi, terinterferensi, terpolarisasi. Pada studi fotometri, tingkat penerangan (illuminance) adalah banyaknya fluks cahaya yang jatuh pada permukaan luasan per satuan luasan tersebut. Besaran ini merupakan besaran turunan dan menyatakan seberapa besar cahaya datang menerangi suatu luasan berdasarkan penglihatan manusia yang diukur dari fungsi cahaya (luminousity function). Tingkat penerangan mengikuti persamaan
𝐸𝑣 =
𝛷𝑣 𝐴
dengan 𝐸v
: tingkat penerangan (lux)
dengan 𝜙v
: fluks cahaya (lumen)
dengan A
: luasan yang dikenai fluks cahaya (m 2)
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
(5.1)
26
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
Besar tingkat penerangan suatu luasan akan berpengaruh terhadap jarak luasan tersebut dari sumber cahaya. Hal ini dikarenakan semakin jauh jarak, maka semakin sedikit fluks cahaya yang mengenai luasan tersebut. Secara teori, pengaruh tingkat penerangan terhadap jarak mengikuti hukum kuadrat terbalik (inverse-square law) sebagai berikut 𝑡𝑖𝑛𝑔𝑘𝑎𝑡 𝑝𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 ∝
1
(5.2)
(𝑗𝑎𝑟𝑎𝑘)2
Bila persamaan (5.2) di atas diterapkan dalam grafik, maka akan akan didapat garis lurus dengan nilai slope tertentu. Secara eksperimen, besar slope dipengaruhi oleh daya sumber cahaya (banyaknya fluks cahaya yang dipancarkan sumber). Light Dependent Resistor (LDR) Light Dependent Resistor atau LDR adalah jenis resistor yang besar hambatannya bergantung pada tingkat penerangan. Dalam keadaan gelap, hambatan LDR akan bernilai sangat besar, sedangkan dalam keadaan terang, nilai hambatannya akan mengecil bergantung tingkat penerangannya. Pengaruh perubahan hambatan ini dapat dimanfa’atkan untuk menyatakan tingkat penerangan berdasarkan nilai hambatan bila telah didapat hubungan persamaan empirisnya. Alat dan Bahan 1.
PASCO PS-2140 dan PASCO Xplorer PS-2000, berfungsi sebagai sensor cahaya
2.
Baterai 1,5 Volt, berfungsi sebagai sumber tegangan untuk sensor cahaya
3.
*Sumber cahaya lampu (tanyakan spesifikasinya), berfungsi sebagai ...
4.
LED 5V, berfungsi sebagai ...
5.
Resistor, berfungsi sebagai ...
6.
Baterai 9V atau Catu daya 0V-15V, berfungsi sumber tegangan pada rangkaian resistor dan LED
7.
Jalur optik, berfungsi sebagai ...
8.
Multimeter, berfungsi sebagai ...
9.
Statif dan Klem, berfungsi sebagai penyangga posisi sumber cahaya
pada
asisten
perihal
jenis
sumber
dan
10. Kabel penghubung, berfungsi sebagai penghubung arus listrik 11. Diafragma, berfungsi sebagai jalur cahaya dan penempatan LDR
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
27
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
Gambar 5.1 Peralatan percobaan efek fotolistrik
Prosedur Percobaan Menentukan Tingkat Penerangan pada Variasi Jarak 1. Siapkan sensor cahaya yang akan digunakan 2. Nyalakan sumber cahaya dan atur posisinya pada jalur optik 3. Ukur tingkat penerangan sumber cahaya terhadap jarak pada jalur optik dalam keadaan ruang yang gelap menggunakan sensor cahaya 4. Ulangi poin 2 untuk sumber cahaya yang lain (jika ada) Menentukan Hubungan Hambatan LDR dengan Tingkat Penerangan 1. Siapkan sensor cahaya yang akan digunakan 2. Atur posisi sumber cahaya pada jalur optik 3. Ukur besar tingkat penerangan sumber cahaya pada variasi jarak dengan sensor cahaya 4. Ukur besar hambatan LDR terhadap sumber cahaya pada variasi jarak yang sama seperti pada poin 3 dengan multimeter Tugas Tambahan Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, jika tingkat penerangan yang terukur dari sumber cahaya adalah sebesar 100 lux, maka berapa besar jarak yang dapat anda perkirakan antara tempat pengukuran dengan setiap sumber cahaya yang anda ukur? (asumsikan alat ukur yang digunakan sama dengan saat anda melakukan percobaan)
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
28
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
PERCOBAAN 6 MEDAN MAGNET DALAM SOLENOIDA Tujuan Percobaan 1. Menentukan hubungan antara medan magnet dengan jarak berdasarkan objek sumber magnet permanen pada dua kutubnya 2. Menentukan pengaruh medan magnet di dalam solenoida pada variasi kuat arus dan membandingkannya secara teori 3. Menentukan besar permeabilitas magnet di udara secara empiris Batasan Masalah Besar medan magnet yang didapat tidak memperhitungkan pengaruh medan magnet Bumi. Dasar Teori Sejarah kata magnet memiliki banyak sumber. Magnet diduga berasal dari kata magnesia yaitu nama suatu daerah di Asia kecil (Anatolia). Menurut cerita di daerah itu, sekitar ± 4.000 tahun yang lalu, telah ditemukan sejenis batu yang memiliki sifat dapat menarik besi atau baja atau campuran logam lainnya. Benda yang dapat menarik besi atau baja inilah yang disebut magnet. Selain itu terdapat pula kisah lain tentang asal kata magnet. Menurut cerita pada suatu hari seorang pengembala bernama Magnes sedang menjaga binatang gembalanya dilereng Gunung Ida, Anatolia. Ia melihat ujung besi tongkatnya tertarik ketanah. Magnes menggali tempat sekitar tertariknya ujung tongkatnya dan menemukan tongkat itu ditarik oleh batu bermuatan yang banyak terdapat ditempat itu. Selanjutnya batu bermuatan itu dinamakan magnet untuk menghormati pengembala yang menemukannya. Magnet memiliki beberapa sifat. Salah satunya dapat dilihat dari kedua kutub magnet yang berlawanan, yaitu kutub utara dan kutub selatan. Jika kedua kutub itu didekatkan maka akan terjadi gaya saling tarik menarik antar keduanya, sebaliknya jika dua kutub sejenis didekatkan, maka akan tolak menolak. Kedua kutub tersebut sama halnya dengan sifat kedua muatan listrik yaitu positif dan negatif. Sifat magnet lainnya yaitu jika magnet dipisahkan dengan cara membelahnya menjadi dua, maka akan didapati kutub utara dan selatan muncul pada kedua ujung yang patahan, sehingga tiap bagian menjadi magnet utuh. arah arus listrik
arah medan magnet
(b) (a) Gambar 6.1 (a) Arah garis-garis medan magnet. (b) Kaidah tangan kanan Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
29
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
Magnet dapat mempengaruhi suatu benda semisal benda ferromagnetik. Jika benda ini diposisikan di dekat sumber magnet, maka akan terlihat bahwa benda tersebut mengalami gaya. Gaya yang dialami benda ini bergantung pada daerah disekitar magnet. Daerah yang dipengaruhi oleh sumber magnet ini disebut medan magnet. Arah medan magnet keluar dari kutub positif menuju kutub negatif, hal ini dapat ditunjukkan pada Gambar 6.1a. Soleneida merupakan sebuah kumparan kawat yang diameternya sangat kecil dibanding panjanganya. Sebuah solenoida dibuat dengan cara melilitkan kawat pada sebuah tabung dalam jumlah lilitan tertentu. Jika solenoida dialiri arus listrik, maka akan timbul medan magnet di dalam solenoida tersebut. Besarnya medan magnet di dalam solenoida dinyatakan dengan persamaan:
𝐵 = 𝜇0. 𝑛. 𝐼 dengan 𝐵
: Kuat medan magnet (Tesla)
dengan 𝜇0
: tetapan permeabilitis pada ruang hampa (4π.10-7 Tm/A)
dengan 𝑛
: jumlah lilitan kawat per satuan panjang solenoida (lilitan/m)
dengan 𝐼
: kuat arus listrik (A)
(6.1)
Jumlah lilitan kawat per satuan panjang diperoleh dari:
𝑛= dengan N
: Jumlah lilitan (lilitan)
dengan l
: panjang solenoida (m)
𝑁 𝑙
(6.2)
Namun pada kenyataannya, percobaan tidak dilakukan di dalam ruang hampa. Sehingga persamaan yang digunakan adalah
𝐵 = µ. 𝑛. 𝐼
(6.3)
Dengan µ adalah tetapan permeabilitas. Perbandingan antara tetapan permeabilitas dengan tetapan permeabilitas ruang hampa menghasilkan tetapan permeabilitas relatif (k). Pada percobaan ini permeabilitas relatif yang akan dihitung adalah permeabilitas relatif udara, karena medium tempat diukurnya medan magnet di tengah solenoida adalah udara. k ditentukan dari Alat dan Bahan 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Solenoida 50 cm, berfungsi sebagai ... Catu Daya 3 A, 12 V, regulasi berfungsi sebagai ... Personal Computer (PC), berfungsi sebagai ... Rheostat 2-10 Ω, 4 A, berfungsi sebagai ... Multimeter Digital, berfungsi sebagai ... Euro clab Interface, berfungsi sebagai ... Sensor Medan Magnet (BT-Plug), berfungsi sebagai ... Kabel Penghubung, berfungsi sebagai ...
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
30
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
Gambar 6.2 Alat dan bahan eksperimen medan magnet
Prosedur Percobaan Persiapan Eksperimen 1.
Hubungkan sensor medan magnet BT-Plug ke piranti antarmuka clab di saluran 1, kemudian sambungkan Clab ke komputer. Nyalakan Clab.
2.
Perhatikan bahwa satu garis skala pada tabung solenoida berrnilai 0,2 cm sehingga jarak antar garis makro = 1 cm. Skala total = 54 cm.
3.
Susunlah rangkaian alat catu daya, multimeter (mode amperemeter), rheostat, dan solenoida secara seri.
4.
Nyalakan catu daya pada tegangan 6 V dan nyalakan multimeter untuk pengukuranarus DC. Pastikan hambatan geser memberi hambatan paling besar sehingga arus yang di alirkan paling kecil.
5.
Buka file “Medan Magnet dalam Solenoida.cma” pada program Coach 7.
6.
Perhatikan nilai medan magnet yang terdeteksi oleh sensor dan pastikan sensor mendeteksi medan magnet dengan baik (jika nilai yang terukur fluktuatif di kondisi lingkungak dan konstan jika didekatkan ke magnet, maka sensor berfungsi dengan baik).
Pengaruh Arus Listrik terhadap Kuat Medan Magnet Solenoida 1.
Masukkan sensor medan magnet ke dalam solenoida. Pastikan ujung sensor tepat berada di tengah kumparan.
2.
Regangkan kumparan menjadi 50 cm dan atur agar jarak antar lilitan sama secaraperlahan.
3. Hitung jumlah lilitan solenoida, catat sebagai nilai N.
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
31
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
4.
Nyalakan catu daya dan multimeter. Atur besar arus dengan menggeser rheostat hingga mencapai nilai 0,4 A.
5.
Klik tombol start pada program Coach 7.
6.
Nilai yang terukur oleh sensor dan tampilkan pada program coach 7 akan berubah-ubah dalam rentang tertentu. Pilih nilai medan magnet maksimum dari pengukuran tersebut dan catat nilainya pada tabel.
7.
Ulangi langkah 2-6 untuk kenaikan arus sebesar 0,5 A hingga mencapai arus 2,9 A atau semaksimal mungkin (mendekati 3 A).
Pengaruh Jumlah Lilitan Kawat per Satuan Panjang terhadap Kuat Medan Magnet Solenoida 1.
Masukkan sensor medan magnet ke dalam solenoida. Pastikan ujung sensor tepat berada di tengah kumparan.
2.
Hitung jumlah lilitan kawat solenoida dan atur panjang solenoida menjadi 20 cm.
3.
Nyalakan catu daya dan multimeter. Atur besar arus pada 2,9 A dengan menggeser rheostat.
4.
Klik tombol Start pada program coach 7.
5.
Selama pengukuran berlangsung, nilai yang terukur dan ditampilkan oleh program coach 7 akan berubah-ubah dalam rentang tertentu. Pilih nilai medan magnet maksimum dari pengukuran tersebut dan catat hasilnya pada tabel.
6.
Perhatikan jendela yang muncul. Catat nilai Average yang merupakan nilai medan magnet rata-rata yang dihasilkan saat panjang solenoida 20 cm. Catat pada tabel pengolahan data.
7.
Ulangi langkah 2-7 untuk setiap pertambahan panjang solenoida sebesar 5 cm hingga mencapai 50 cm.
Tugas Tambahan Mengapa jika sebuah magnet dipotong menjadi lebih kecil dari aslinya tetapmemiki kutub utara magnet dan kutub selatan magnet?
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
32
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
PERCOBAAN 7 ALAT SISTEM RADIASI TERMAL Tujuan Percobaan 1. Percobaan ini dilakukan untuk mempelajari tentang radiasi termal 2. Percobaan ini dilakukan untuk mempelajari tentang hukum kuadrat terbalik Dasar Teori Radiasi Termal Radiasi termal merupakan radiasi kalor elektromagnetik yang dipancarkan oleh permukaan objek tertentu. Intensitas energi yang dipancarkan bergantung pada suhu dan karakteristik bahan dari objek tersebut. Alat sistem radiasi termal terdiri dari tiga komponen utama: sensor radiasi, kubus radiasi termal dan lampu, serta beberapa komponen pendukung. Di dalam ini kita akan membahas 2 percobaan, yaitu: 1. Pengenalan Radiasi Termal 2. Hukum Kuadrat Terbalik
Kubus Radiasi Termal (Kubus Leslie) Kubus radiasi termal memiliki empat permukaan radiasi berbeda yang dapat dipanaskan dari suhu ruang hingga mendekati 120C. setiap permukaan akan menghasilkan radiasi panas yang berbeda walaupun terpapar suhu yang sama. Kubus dipanaskan oleh lampu 100 watt. Pasang kabel, kemudian tekan sakelar ke posisi ON, kemudian putar knop searah jarum jam untuk mengatur intensitas lampu dengan mengubah intensitas/tegangan lampu. Ukur suhu kubus dengan memasang multimeter (mode pengukuran hambatan) ke soket keluaran. Thermistor terpasang disudut kubus. Ukur hambatannya, kemudian gunakan Tabel 1 dan Tabel 2 untuk mengkonversi bacaan hambata menjadi suhu. Sensor Radiasi Termal Sensor radiasi termal berisi komponen yang bernama thermopile. Thermopile merupakan sensor panas yang terdiri dari sekumpulan thermocouple yang umumnya dirangkai secara seri. Thermocouple dan thermopile bekerja berdasarkan efek seebeck yaitu perbedaan tegangan yang dihasilkan dari perbedaan suhu antara dua konduktor atau semikonduktor. Perbedaan suhu pada pertemuaan thermocouple (active junction) akan menghasilkan efek termoelektrik, yang berarti bahwa elektromotif yang diproduksi sebanding dengan perbedaan suhu. Thermopile dapat membaca kenaikan suhu dalam satuan tegangan (V) tanpa kontak langsung atau melalui sinar inframerah.
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
33
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
Logam penyusunan thermopile, thermocouple A dan B dipasang seri di antara sumber panas dan heat sink. Pertemuan antara thermocouple yang bersuhu tinggi (hot junction) akan mencapai kesetimbangan termal (thermal equilibrium) dengan suhu lingkungan sekitar dan menghasilkan gaya elektromotif atau emf. Apabila muncul arus, maka energy termal akan dibuang ke heat sink pada pertemuan suhu thermocouple yang bersuhu rendah (cold junction). Thermistor di Dalam Kubus Radiasi Termal Thermistor merupakan resistor yang peka terhadap perubahan suhu sehingga dapat dipakai sebagai sensor suhu. Terdapat dua jenis thermistor, yaitu thermistor NTC (Negative Temperature Coefficient) dan PTC (Positive Temperature Coefficient). Perbedaan utama antara kedua thermistor tersebut terletak pada koefisien suhu. Jika suhu meningkat, nilai hambatan thermistor NTC akan berkurang, sebaliknya nilai hambatan thermistor PTC akan meningkat. Thermistor yang digunakan pada percobaanini adalah jenis NTC. Hukum kuadrat terbalik radiasi termal menyatakan bahwa intensitas radiasi yang dipancarkan suatu benda berbanding terbalik dengan kuadrat jarak sumber radiasi terhadap benda tersebut. Hukum kuadrat terbalik dinyatakan dalam persamaan berikut : 𝐸1 𝐸1
dengan E
: Intensitas radiasi (W/m2)
dengan r
: Jarak sumber
𝑟
2
= ( 2) 𝑟1
(7.1)
Karena sumber radiasi termal yang digunakan pada percobaan ini adalah bohlam, intensitas dapat dinyatakan dengan persamaan (7.2). Permukaan bohlam dianggap sebagai sebuah permukaan bola dan P merupakan daya yang dipancarkan (W).
𝐸=
𝑃 4𝜋𝑟 2
(7.2)
Alat dan Bahan 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Sensor Radiasi, berfungsi sebagai ………. Kubus Radiasi Termal, berfungsi sebagai ....... Rel Presisi, berfungsi sebagai ....... Multimeter Digital, berfungsi sebagai ……. Kabel Penghubung D 50 cm, berfungsi sebagai ……… Kaki Rel, berfungsi sebagai ………... Catu Daya 12 V, berfungsi sebagai ……… Lampu Filamen, berfungsi sebagai ……..
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
34
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
Gambar 7.1 Rangkaian eksperimen Alat Sistem Radiasi Termal
Prosedur Percobaan Tingkat Radiasi pada Permukaan yang Berbeda 1. Hubungkan multimeter dengan kubus radiasi termal. Pilih mode pengukuran hambatan pada multimeter. 2. Nyalakan lampu pada kubus radiasi termal hingga intensitas maksimum, pastikan bahwa suhu mencapai sekitar 45℃, lihat tabel konversi. 3. Saat kubus mencapai suhu 45℃, turunkan intensitas lampu kubus dan pastikan lampu dalam kesetimbangan termal (pembacaan nilai hambatan berfluktuasi di nilai tertentu). Catat nilai hambatan yang terukur kemudian konversi nilainya menjadi nilai suhu dengan mengacu pada tabel konversi. Catat nilai tersebut di bagian suhu tabel pengolahan data. 4. Letakkan sensor radiasi pada rel presisi jarak 5 cm dari kubus selama pengambilan data. Atur sensor pada gain 1x. lihat gambar berikut :
Gambar 7.2 Rangkaian pengukuran tingkat radiasi pada permukaan Kubus Leslie
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
35
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
5. Hubungkan sensor radiasi dengan multimeter. Pilih mode pengukuran tegangan DC pada multimeter. 6. Atur kembali gain thermopile menjadi gain 2x kemudian ulangi pengambilan data. 7. Naikkan intensitas lampu kubus radiasi sebanyak tiga kali dan tunggu hingga hambatan stabil. Ulangi pengukuran pada tiap sisi kubus dengan 2 tingkatan gain untuk setiap kenaikan suhu. Catat hasil tegangan radiasinya. Tingkat Radiasi pada Variasi Jarak Lampu 1. Rangkai alat seperti di bawah ini
Gambar 7.3 Rangkaian pengukuran tingkat radiasi pada variasi jarak lampu
2. Tempatkan lampu pada skala 5 cm pada rel. Pastikan penunjuk skala lampu tepat menunjukkan angka 5 cm. Catatan : Pasang kain hitam di belakang lampu untuk menyerap radiasi lingkungan sekitar yang dapat mempengaruhi hasil percobaan. 3. Pastikan tinggi sensor radiasi sama dengan filamen lampu. 4. Pasang sensor radiasi dengan jarak 5 cm dari lampu. Atur agar tingginya sejajar dengan lampu baik secara vertical maupun horizontal. 5. Hubungkan sensor radiasi dengan multimeter, dan lampu dengan catu daya seperti pada Gambar 7.2 6. Dalam kondisi lampu mati, ukur radiasi lampu dengan selang jarak 5 cm, mulai dari jarak 5 cm hingga 45 cm dari lampu. Lakukan pengukuran secepat mungkun agar suhu lampu tidak berubah. 7. Catat hasil pengukuran di tabel, kemudian rata-ratakan nilai radiasi termal tersebut untuk memperoleh nilai ambien radiasi termal. 8. Nyalakan lampu, atur tegangan catu daya pada 12 V. 9. Pastikan tegangan yang terhubung ke lampu tidak lebih dari 12 V. 10. Atur jarak antara sensor dan lampu dari 5 cm hingga 50 cm. Catat nilai yang terbaca di multimeter untuk tiap jarak. Hitung selisih hasil pengukuran dengan nilai ambien radiasi termal agar dapat meminimalisir kontribusi termal lampu. Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
36
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
Tugas Tambahan 1. Kenapa dalam percobaan dengan menggunakan lampu filamen harus menggunakan penutup kain hitam? 2. Apakah lampu benar-benar merupakan sumber radiasi berupa titik?
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
37
Laboratorium Eksperimen Fisika
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
38
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
PERCOBAAN 8 INTERFERENSI DAN DIFRAKSI Tujuan Percobaan 1. Mengkaji sifat difraksi cahaya pada celah tunggal dan celah ganda secara eksperimental 2. Menentukan besar celah difraksi berdasarkan difraksi celah tunggal 3. Menentukan panjang gelombang laser berdasarkan difraksi celah ganda Dasar Teori Difraksi Celah Tunggal Suatu laser monokromatis, jika melewati celah tunggal, maka akan mengalami difraksi menurut Gambar 8.1. Persamaan untuk kasus fisis ini adalah 𝑚min·𝜆 = 𝑎 sin 𝜃
(8.1)
dengan 𝜆 adalah panjang gelombang laser, 𝑎 adalah lebar celah, 𝜃 adalah sudut dari tengah pola ke intensitas minimum, dan 𝑚 min adalah orde intensitas minimum dari tengah (𝑚min = 1 untuk minimum pertama, 𝑚 min = 2 untuk minimum kedua dan seterusnya). Pada eksperimen ini, besar lebar celah tunggal yang digunakan telah diberikan, namun (menurut pabrikan), nilai ketidakpastiannya adalah sebesar 0,005 mm atau 25% ketakpastian untuk lebar celah 0,020 mm. Jadi, ada baiknya untuk menghitung lebar celah dengan panjang gelombang yang telah diketahui daripada menghitung panjang gelombang dengan menggunakan parameter lebar celah. Berdasarkan persamaan (8.1) lebar celah dapat ditentukan dengan persamaan, √𝑥𝑚𝑖𝑛 2 +𝐿2
𝑎 = 𝑚λ (
𝑥𝑚𝑖𝑛
)
(8.2)
dengan 𝑥min adalah jarak dari tengah pola ke orde intensitas minimum, dan 𝐿 adalah jarak dari celah ke pola laser. Untuk kasus difraksi sudut 𝜃 yang sangat kecil, sin 𝜃 ~ 0, sehingga sin 𝜃 𝑥 = tan 𝜃 = 𝑚𝑖𝑛 , lebar celah dapat ditentukan dengan 𝐿
𝑎≈
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
𝑚𝜆𝐿 𝑥𝑚𝑖𝑛
(8.3)
39
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
Difraksi Celah Ganda Saat laser monokromatis mengalami difraksi karena melewati celah ganda, pola laser setelah melewati celah akan tampak seperti pada Gambar 8.2. Persamaan untuk kasusini adalah 𝑚𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝜆 = 𝑑 sin 𝜃
(8.4)
dengan mmax adalah orde intensitas maksimum dari tengah, dan d adalah jarak antar celah. Jarak antar maksimum (∆𝑥𝑚𝑎𝑥 ) adalah
∆𝑥𝑚𝑎𝑥 =
(𝑚𝑚𝑎𝑥 +1)𝜆𝐿 𝑑
−
𝑚𝑚𝑎𝑥 ∙𝜆𝐿 𝑑
=
𝜆𝐿 𝑑
(8.5)
Dapat dilihat dari persamaan (8.5), besar ∆𝑥𝑚𝑎𝑥 tidak bergantung mmax, sehingga pola difraksi maksimum di tengah memiliki jarak antar maksimum yang sama. Besar panjang gelombang laser dapat dihitung dengan
𝜆=
∆𝑥𝑚𝑎𝑥 ∙𝑑 𝐿
(8.6)
Alat dan Bahan 1. Laser dioda (merah) OS-8525A, berfungsi sebagai ... 2. Jalur optik 1,2 m OS-8508, berfungsi eksperimen sekaligus untuk pengukuran jarak
sebagai tempat diletakkannya alat-alat
3. Perangkat difraksi celah tunggal dan celah ganda OS-8523, berfungsi sebagai ... 4. Aperture Bracket OS-8534A, berfungsi sebagai pengatur laser yang masuk kesensor 5. Sensor gerak melingkar CI-6538, berfungsi sebagai sensor gerak berdasarkan putaran 6. Sensor cahaya sensitivitas tinggi CI-6504A, berfungsi sebagai ... 7. Penggerak Lurus OS-8535A, berfungsi sebagai tempat diletakkannya sensor gerak melingkar CI-6538 agar dapat bergerak lurus 8. PASCO Science Workshop 750 Interface, berfungsi sebagai penghubung antara sensor dengan komputer 9. Software Data Studio, berfungsi sebagai ... 10. Personal Computer (PC) dengan OS Windows 95/98/NT atau Higher Version, berfungsi sebagai ...
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
40
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
Gambar 8.3: Rangkaian percobaan interferensi dan difraksi
Prosedur Percobaan Persiapan Eksperimen 1. Susun rangkaian hingga seperti pada Gambar 8.3 2. Hubungkan PC dan laser dioda ke sumber tegangan PLN, lalu nyalakan 3. Arahkan cahaya laser menuju celah sensor cahaya dengan mengatur sekrup horizontal dan vertikal pada laser dioda 4. Buka software Data Studio, kemudian pilih create experiment 5. Atur Data Studio sedemikian rupa sehingga didapat tampilan grafik intensitas cahaya terhadap posisi (ikuti petunjuk asisten) 6. Klik start untuk memulai pengukuran Menentukan Besar Intensitas Cahaya Difraksi terhadap Posisi 1. Tentukan lebar celah pada perangkat difraksi celah tunggal yang diinginkan, hingga pola difraksi laser akan tampil pada papan aperture bracket 2. Pilih celah aperture bracket yang sempit 3. Gerakkan sensor gerak melingkar sedemikian rupa hingga semua pola difraksi laser masuk ke sensor cahaya. Bila semua dilakukan dengan benar, maka pola intensitas seperti pada Gambar 8.1 akan ditampilkan pada grafik Data Studio. Hitung jarak minimum pertama dari puncah intensitas tertinggi (tengah pola difraksi) 4. Jarak dapat ditentukan dengan cara melihat koordinat menggunakan smart tool pada window grafik 5. Ulangi butir 1 untuk perangkat difraksi celah ganda. Jarak yang diukur adalah antar intensitas maksimum
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
41
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
Tugas Akhir
1. Hitunglah simpangan baku dari data 𝑎 dan 𝜆 yang telah kalian ambil! 2. Apa pendapat kalian tentang nilai simpangan baku yang telah didapat di soal nomor 1?
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
42
Laboratorium Eksperimen Fisika
Modul Praktikum Eksperimen Fisika II
DAFTAR PUSTAKA Kadir. 2015. Statistika Terapan: Konsep, Contoh, dan Analisis Data dengan Program SPSS/Lisrel dalam Penelitian. Depok: Rajawali Pers. Kirkup, L. 2012. Data Analysis for Physical Scientists Featuring Excel. New York: Cambridge Press. PASCO manual. Interference and Diffraction (www.pasco.com). Amerika Serikat. PASCO manual. Photoelectric Effect (www.pasco.com). Amerika Serikat. PASCO manual. Magnetic Field Sensor (www.pasco.com). Amerika Serikat. LD Didactic Gmbh manual. Determining Mobility and Density of Charge Carriers in n-Doped Germanium (http://www.ld-didactic.de). German. Anonim, 1994. Experiment 2 (http://www.its.caltech.edu/~derose/labs/exp2.html).
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya
43
