Pengertian Optika [PDF]

Citation preview

OPTIK DAN FISIKA MODERN



Disusun oleh: 1. Ach. Vergi Akbar Pengabdian (04) 2. Firman Bebin Hidayat (34)



EGERI WINONGAN Jl. Raya Bandaran Winongan Kab. Pasuruan Telp. 0343441835 E-mail : [email protected] Website : www.smkwinongan.sch.id



Pengertian Optik Optika merupakan cabang ilmu fisika yang mempelajari tentang konsep cahaya, terutama mengkaji sifat-sifat cahaya, hakikat, dan pemanfaatannya. Optika terbagi ke dalam dua bagian yaitu Optika Geometris dan Optika Fisis. 1.



Pemantulan Cahaya Jenis-jenis pemantulan cahaya Ada dua jenis pemantulan cahaya, yaitu pemantulan teratur dan pemantulan baur.



=>Pemantulan teratur terjadi ketika suatu berkas cahaya sejajar datang pada permukaan yang halus atau rata seperti permukaan cermin datar atau permukaan air yang tenang. =>pemantulan baur terjadi ketika suatu berkas cahaya sejajar datang pada permukaan yang kasar atau tidak rata sehingga dipantulkan keberbagai arah yang tidak tertentu. 2.



Hukum pemantulan



Dari hasil percobaan sesuai gambar diperoleh hukum pemantulan sebagai berikut: 1) Sinar datang, sinar pantul, dang garis normal berpotongan pada satu titik dan terletak pada satu bidang datar. 2) Sudur datang (i) sama dengan sudut pantul (r) Sehingga hukum pemantulan dapat dinyatakan secara matematis sebagai berikut:



i=r 4.Pemantulan Pada Cermin Datar



Cermin datar adalah cermin yang mempunyai permukaan pantul berbentuk bidang datar. Bayangan yang dibentuk oleh cermin datar sama persis dengan ukuran bendanya.



Sifat-sifat bayangan pada cermin datar Lima sifat penting banyangan pada cermin datar yaitu: 1. Bayangan sama besar dengan bendanya 2. Bayanagan tegak 3. Jarak bayangan ke cermin sama dengan jarak benda ke cermin 4. Bayangan bertukar sisinya 5. Bayangan bersifat maya atau semu



5. Pemantulan Pada Cermin Lekung Cermin lekung adalah cermin yang mempunyai permukaan pantul berbentuk lengkung. Cermin lengkung dibedakan menjadi dua, yaitu cermin cekung dan cermin cembung.



2.1.3.1 Cermin Cekung Cermign cekung bersifat mengumpulkan sinar. Berkas sinar yang datang sejajar sumbu utama akan akan dipantulkan mengumpul pada suatu titik yang disebut titik fokus (F). Secara geometris dapat dibuktikan bahwa panjang fokus (f), yaitu jarak cermin ke titik fokus besarnya sama dengan setengah panjang jari-jari kelengkungan cermin.



f = r/2



Cermin cekung Untuk melukis sinar yang berasal dari sebuah benda yang menuju sebuah cermin, terdapat tiga sinar utama yang berguna untuk menentukan lokasi bayangan dan sering disebut sinar-sinar istimewa, yaitu: 1) Sinar datang yang sejajar dengan sumbu utama dipantulkan melalui titik fokus. 2) Sinar datang yang melalui titik fokus dipantulkan sejajar dengan sumbu utama. 3) Sinar datang yang melalui titik pusat kelengkungan cermin (C) dipantulkan melalui titik itu juga.



Sinar-sinar istimewa Rumus umum cermin cekung Perhatikan Gambar 2.6 untuk menurunkan persamaan matematis yang menggambar lokasi sebuah bayangan.



Prinsip kesebangunan geometri untuk menurunkan rumus umum cermin Gambar 2.7 (a) menunjukkan suatu sinar dari puncak benda yang akan dipantulkan melalui puncak bayangan dengan sudut datang yang sama dengan sudut pantul. Oleh karena itu, kita dapat melihat dua buah segitiga yang sama sebangun, sehingga berlaku:



Gambar 2.7 (b) menunjukkan suatu sinar dari benda melalui titik fokos (F) yang dipantulkan sejajar dengan sumbu utama melalui bayangan. Oleh karena itu, kita dapat melihat dua buah segitiga yang sama sebangun, sehingga berlaku:



Keterangan: f = jarak fokus cermin so= jarak benda ke cermin si = jarak bayangan ke cermin ho= tinggi benda hi = tinggi bayangan



Dari persamaan di atas berlaku untuk cermin cekung maupun cermin cembung, namun harus memperhatikan perjanjian tanda berikut: sobertanda + jika benda terletak di depan cermin (benda nyata) so bertanda - jika benda terletak di belakang cermin (benda maya) si bertanda + jika bayangan terletak di depan cermin (banyangan nyata) si bertanda - jika benda terletak di belakang cermin (banyangan maya) f bertanda + untuk cermin cekung f bertanda - untuk cermin cekung Bayangan yang dibentuk cermin dapat lebih besar atau lebih kecil dari ukuran bendanya. Untuk menyatakan perpandingan ukuran bayangan terhadap bendanya digunakan konsep pembesar. Pada pembahasan ini akan dibahas perbesaran linear. Perbesaran linear didefinisikan sebagai perbandingan antara tinggi bayangan (jarak bayangan) dengan tinggi benda (jarak benda). Secara matematis dituliskan:



2.1.3.2 Cermin cembung Cermin cembung bersifat menyebarkan sinar. Berkas sinar sejajar sumbu utama dipantulkan menyebar seolah-olah berasal dari titik fokus (F). Seperti pada cermincekung, panjang fokus (f) sama dengan setengah jari-jari kelengkungan cermin. Sinar-sinar istimewa pada cermin cembung 1) Sinar datang yang sejajar dengan sumbu utama dipantulkan seolah-olah berasal dari titik fokus. 2) Sinar datang yang menuju titik fokus dipantulkan sejajar dengan sumbu utama. 3) Sinar datang yang menuju pusat kelengkungan dipantulkan melalui lintasan yang sama.



Sinar-sinar istimewa pada cermin cembung Rumus umum cermin cembung Rumus-rumus yang berlaku pada cermin cekung serta perjanjian tandanya berlaku juga untuk cermin cembung sehingga dapat dituliskan ulang sebagai berikut:



2.1.4 Pembiasan Cahaya Pembiasan adalah pembelokan cahaya sehubungan dengan perubahan kecepatan rambat dari suatu medium ke medium lain. 2.1.4.1 Hukum Pembiasan Ada beberapa pengertian yang perlu dipahami sebelum membahas tentang hukum pembiasan, yaitu: a. Sinar datang adalah sinar yang datang pada bidang batas dua medium. b. Sinar bias adalah sinar yang dibiaskan oleh bidang batas dua medium. c. Garis normal adalah garis yang tegak lurus pada bidang



batas



dua



medum.



d. Sudut datang (i) adalah sudut antara sinar datang dengan garis normal. e. Sudut bias (r) adalah sudut antara sinar bias dengan garis normal. f. Indeks bias mutlak suatu medium (n) didefinisikan sebagai perbandingan cepat rambat cahaya di ruang hampa (c) terhadap cepat rambat cahaya di medium tersebut (v). Secara matematis dapat dirumuskan sebagai berikut:



Karena kecepatan cahaya di dalam suatu medium selalu lebih kecil daripada di ruang hampa maka indeks bias mutlak suatu medium selalu lebih besar dari 1 (n > 1). Indeks bias relatif suatu medium nrdidefinisikan sebagai pepandingan indeks bias mutlak medium tersebut terhadap indeks bias mutlak medium lain, secara matematis dapat dirumuskan sebagai berikut.



Keterangan: n12 = indeks bias relatif medium 1 terhadap 2 n1 = indeks bias mutlak medium 1 n2 = indeks bias mutlak medium 2 v1 = laju cahaya dalam medium 1 v2 = laju cahaya dalam medium 2 Karena indeks bias relatif adalah perbandingan indeks bias antara dua medium, maka indeks bias relatif ini bisa bernilai lebih besar atau lebih dari satu.



Hukum pembiasan Berdasarkan hasil percobaan yang dilakukan oleh Willebrord Snellius (1591 – 1626), seperti pada gambar 2. Diproleh hukum pembiasan atau hukum Snellius sebagai berikut: 1) Sinar datang, sinar bias, dan garis normal berpotongan pada suatu titik dan terletak pada satu bidang datar. 2) Sinar datang dari medium yang kurang rapat ke medium yang lebih rapat dibiaskan mendekati garis normal. 3) Sinar datang dari medium yang lebih rapat ke medium yang kurang rapat dibiaskan menjauhi garis normal. 4) Sinar datang secara tegak lurus terhadap bidang batas dua medium tidak dibiaskan, melainkan diteruskan. Hukum pembias tersebut dapat dinyatakan secara matematis sebagai berikut.



n1 sin i = n2 sin r Keterangan: n1 = indeks bias mutlak medium 1 n2 = indeks bias mutlak medium 2 i



= sudut datang



r



= sudut bias



2.1.4.2 Pembiasan pada Kaca Plan-paralel



Pembiasan pada kaca plan-paralel Untuk kaca plan-paralel dengan ketebalan d maka sinar akan mengalami pergeseran sebesar t yang dapat diturunkan sebagai berikut: Perhatikan segitiga OBC: sin sudut COB = t = OB sin sudut COB t = OB sin (i – r)



Perhatikan segitiga OAB:



cos r = OA/OB = d/OB dengan menggabungkan kedua persamaan di atas, diperoleh



dimana r dapat dihitung dari hukum Snellius (n1 sin i =n2 sin r).



2.1.5 Pembiasan Cahaya pada Bidang Lengkung Hukum pembiasan Snellius dapat juga diterapkan pada bidang lengkung terutama untuk sinar-sinar paraksial. Gambar 2.9 memperlihatkan suatu batas permukaan lengkungan yangg mempunyai jari-jari kelengkungan R dan pusatnya adalah titik C. Cahaya datang dari benda di titik O, mengenai bidang batas dengan sudut datang i dan dibiaskan dengan sudut bias r ke titik I memenuhi hukum Snellius.



n1 sin i = n2 sin r



Pembiasan cahaya pada bidang lengkung Untuk sinar-sinar paraksial kita dapat menggunakan pendekatan sin θ = θ sehingga diperoleh



n1i=n2r Bedasarkan sifat geometri dapat ditunjukkan bahwa



i=α+β



dan



β=γ+r



Apabila ketiga persamaan terakhir kita gabungkan dengan mengeliminasi i dan r akan diperoleh



n1α +n2γ = (n2 – n1)β Jika so adalah jarak benda O ke titik verteks V dan s1 adalah jarak bayangan I ke titik verteks V, maka kita dapat menghitung besar sudut α, β dan γ dalam satuan radial sebagai panjang busur AV dibagi jari-jari yang terkait



α =AV/so ,



β =AV/R ,



γ =AV/si



Dengan memasukkan sudut α, β dan γ ke dalam persamaan terakhir dengan menghilangkan panjang busur AV akan diperoleh:



Perhatikan aturan penggunaan persamaan di atas R bertanda + jika permukaan cembung



R bertanda - jika permukaan cekung so bertanda + jika benda nyata (di depan permukaan lengkung) sibertanda + jika bayangan nyata (di belakang permukaan lengkung) sibertanda - jika bayangan maya (di depan permukaan lengkung)



2.2 Optika Fisis Optika fisismerupakan cabang studi cahaya yang membahas tentang sifat-sifat cahaya, interferensi cahaya, hakikat cahaya dan pemanfaatan sifat-sifat cahaya. 2.2.1 Warna Cahaya Cahaya terdiri dari bermacam-macam warna, hal ini dapat dibuktikan dengan piringan Newton (Newton’s Disc) yang terdiri dari 7 macam warna yaitu : merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila dan ungu. (cara menghafal : MEJIKUHIBINIU) yang diputar dengan cepat akan tampak berwarna putih. 1. Merah 2. Jingga 3. Kuning 4. Hijau 5. Biru 6. Nila 7. Ungu Dapat disimpulkan bahwa: 1. Ketujuh komponen warna disebut sebagai spektrum warna dari sinar putih. 2. Sinar-sinar yang dapat diuraikan atas beberapa komponen warna seperti sinar putih disebut sinar polikromatik. 3.



Sinar-sinar yang tidak dapat diuraikan lagi atas beberapa komponen, disebut sinar monokromatik.



4. Dalam ruang hampa, cahaya mempunyai : Kecepatan perambatan sama (c) Frekuensi masing-masing warna berbeda (f) Panjang gelombang masing-masing warna berbeda (λ) 5. Rumus kecepatan perambatan cahaya (c) c= f. Keterangan: c = kecepatan perambatan cahaya f = frekuensi λ = panjang gelombang Karena harga c tetap, bila frekuensi kecil maka panjang gelombang besar atau sebaliknya. 6. Cahaya warna merah mempunyai f kecil maka besar.



2.2.2 Dispersi Cahaya Dispersi adalah peristiwa penguraian cahaya polikromarik (putih) menjadi cahaya-cahaya monokromatik (merah, jingga, kuning, hijau, biru, dan ungu). Dispersi cahaya terjadi jika seberkas cahaya polikromatik (cahaya putih) jatuh pada sisi prisma. Cahaya putih tersebut itu akan diuraikan menjadi warna-warna pembentuknya yang disebut spektrum cahaya.



2.2.2.1 Sudut Deviasi Sudut deviasi adalah sudut yang dibentuk oleh perpanjangan sinar datang dan sinar keluar pada prisma. Perhatikan gambar berikut. Pada segi empat PSQT berlaku hubungan: β + sudut PSQI = 180o. Sedangkan pada segitiga PSQ berlaku hubungan: r1 + i2 + sudut PSQ = 180o. Dengan demikian, diperoleh hubungan baru: β + sudut PSQ = r1 + i2 + sudut PSQ



β = r 1 + i2 Dengan β = sudut puncak atau sudut pembias prisma r1 = sudut bias pada permukaan pertama i2 = sudut datang pada permukaan kedua pada segitiga PQR berlaku hubungan: sudut PRQ + sudut QPR + sudut PQR = 180o, dimana sudut QPR = i1 – r1dan sudut PQR = r2 – i2 sehingga diperloleh: sudut PRQ + (i1 – r1) + (r2 – i2) = 180o sudut PRQ = 180o + (r1 + i2) – (i1 + r2) Dengan demikian, sudut deviasi D adalah D = 180o – sudut PRQ = 180o – [180o + (r1 + i2) - (i1 + r2)] = (i1 + r2) – (r1 + i2) Karena β = r1 + i2, maka diperoleh:



D = i1 + r2 – β 2.2.2.2 Sudut Dispersi pada gambar 2.14 tampak bahwa cahaya putih yang melalui prisma diuraikan menjadi spektrum warna, yaitu warna merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila dan ungu. Hal ini menunjukan bahwa sesungguhnya cahaya putih merupakan gabungan dari ketujuh warna di atas. Cahaya yang merupakan gabungan dari beberapa jenis warna disebut polikromatis, sedangkan cahaya yang terdiri dari satu warna disebut monokromatis.



Apabila spektrum warna hasil dispersi diurutkan dari warna merah hingga ungu, maka diperoleh beberapa sifat: sudut deviasi semakin besar, indeks bias semakin besar, frekuensi semakin besar, dan panjang gelomnang semakin kecil.



Jika ditinjau dari susunan spektrumnya, maka : 1. Indeks bias (n)



: Ungu terbesar sedang merah terkecil.



2. Deviasi (D)



: Ungu terbesar sedang merah terkecil.



3. Frekuensi (f)



: Ungu terbesar sedang merah terkecil.



4. Energi photon (Eph)



: Ungu terbesar sedang merah terkecil.



5. Panjang gelombang ()



: Ungu terkecil sedang merah terbesar.



6. Kecepatan (v)



: Ungu terkecil sedang merah terbesar.



Deviasi sinar merah: Dm = (nm – 1)β Deviasi sinar ungu: Du = (nu – 1)β Sudut dispersi φ menyatakan lebar spektrum yang ditimbulkan oleh prima yang besarnya bergantung pada selisih antara sudut deviasi warna ungu dan marna merah.



φ = Du – Dm = (nu – 1)β – (nm – 1)β



φ = (nu – nm)β Keterangan:



φ = sudut dispersi nu = indeks bias warna ungu nm = indeks bias warna merah β = sudut puncak atau sudut pembias prima 2.2.3 Interferensi Cahaya Interferensi Cahaya adalah perpaduan dua atau lebih sumber cahaya sehingga menghasilkan keadaan yang lebih terang (interferensi maksimum) dan keadaan yang gelap (interferensi minimum). Interferensi maksimum : pada layar didapatkan garis terang apabila beda jalan cahaya antara celah merupakan bilangan genap dari setengah panjang gelombang. Sedangkan interferensi minimum : Pada layar didapatkan garis gelap apabila beda jalan antara kedua berkas cahaya merupakan bilangan ganjil dari setengah panjang gelombang. Syarat interfesi cahaya adalah cahaya tersebut harus koheren. Koheren adalah dua sumber cahaya atau lebih yang mempunyai frekwensi dan amplitudo sama (hampir sama) serta beda fase yang tetap.



Hukum Snellius adalah rumus matematika yang memerikan hubungan antara sudut datang dan sudut bias pada cahaya atau gelombang lainnya yang melalui batas antara dua medium isotropik berbeda, seperti udara dan gelas. Nama hukum ini diambil dari matematikawan Belanda Willebrord Snellius, yang merupakan salah satu penemunya. Hukum ini juga dikenal sebagai Hukum Descartes atau Hukum Pembiasan Hukum Snellius dijabarkan kembali dalam rasio sebagai berikut:



Hukum Snellius I Adapun bunyi Hukum Snellius I adalah : “Jika suatu cahaya melalui perbatasan dua jenis zat cair, maka garis semula tersebut adalah garis sesudah sinar itu membias dan garis normal dititik biasnya, ketiga garis tersebut terletak dalam satu bidang datar.”



Hukum Snellius II Adapun bunyi Hukum Snellius II adalah : “Perbandingan sinus sudut datang dengan sinus sudut bias selalu konstan. Nilai konstanta dinamakan indeks bias(n).”



A. Alat Optik dalam Kehidupan Sehari-hari 1. Mata Mata merupakan indra penglihatan yang sangat penting bagi manusia. Tuhan Yang Maha Kuasa menciptakan mata bagi manusia sehingga manusia bisa melihat. Manusia memiliki sepasang mata berbentuk seperti bola dan terletak di dalam rongga mata. a. Bagian-Bagian Mata Gambar di bawah ini memperlihatkan bagian-bagian mata.



Gambar penampang mata



1) Kornea mata, berfungsi untuk melindungi mata bagian dalam. 2) Iris, berfungsi untuk mengatur banyaknya cahaya yang masuk ke mata. 3) Pupil atau celah (lubang yang terdapat pada iris), berfungsi sebagai tempat masuknya cahaya. Jika cahaya yang masuk sedikit, pupil akan melebar. Jika cahaya yang masuk banyak, pupil akan mengecil. 4) Lensa mata, dapat berakomodasi. Jika melihat benda yang jauh, lensa mata akan memipih. Jika melihat benda yang dekat, lensa mata akan menebal. 5) Retina, merupakan tempat terbentuknya bayangan yang akan dikirim ke saraf. b. Cara Kerja Mata Cahaya dipantulkan oleh benda menuju mata. Pemantulan cahaya tersebut diterima oleh kornea. Oleh lensa mata, cahaya itu dibiaskan sehingga terbentuk bayangan terbalik pada retina. Selanjutnya, saraf-saraf pada retina akan menyampaikan informasi bayangan menuju otak. Otak akan mengolahnya sehingga kamu dapat melihat benda yang sebenarnya. Bayangan yang terbentuk pada retina adalah nyata, diperkecil, dan terbalik. c. Kelainan atau Gangguan pada Mata Manusia memiliki mata di sebelah kiri dan kanan. Kehilangan atau kerusakan salah satu bola mata dapat mengganggu penglihatan. Beberapa kelainan atau gangguan pada mata serta faktor penyebabnya adalah sebagai berikut.



1) Rabun Jauh (Miopi) Miopi disebabkan jarak titik api lensa mata terlalu pendek atau lensa mata terlalu cembung. Titik api adalah pusat pertemuan sinar yang sudah dipecah oleh lensa. Jadi, sinar yang masuk jatuh di depan retina sehingga mata tidak dapat melihat benda jauh.



Keterangan gambar: a) Mata yang menderita rabun jauh. b) Penderita rabun jauh bisa ditolong dengan menggunakan lensa cekung. Untuk menolong penderita miopi (rabun jauh) harus menggunakan kacamata dengan lensa cekung (negatif). Lensa cekung ini akan menempatkan bayangan tepat pada retina. 2) Rabun Dekat (Hipermetropi)



Rabun dekat disebabkan lensa mata terlalu pipih. Titik api lensa berada di belakang retina sehingga mata tidak dapat melihat benda-benda yang dekat. Jadi, penderita hipermetropi harus menggunakan kacamata berlensa cembung. Dengan lensa cembung, sinar yang jatuh di belakang retina akan dikembalikan tepat pada retina. Perhatikanlah Gambar dibawah ini!



Gambar a) Mata yang menderita rabun dekat. b) Penderita rabun dekat bisa ditolong dengan menggunakan lensa cembung. 3) Presbiopia (Mata Tua) Presbiopi adalah kelainan pada mata yang disebabkan oleh faktor usia sehingga daya akomodasi matanya berkurang. Penderita ini tidak dapat melihat benda dekat dan tidak dapat melihat benda jauh dengan jelas. Penderita ini harus menggunakan kacamata berlensa cekung dan cembung sekaligus. 4) Astigmatisma Astigmatisma adalah kelainan mata yang disebabkan kelengkungan kornea matanya yang tidak berbentuk bola sehingga sinar-sinar yang masuk tidak terpusat sempurna. Akibatnya, benda yang dilihat ada bayang annya. Penderita ini dapat dibantu dengan kacamata berlensa silindris. Hal-hal yang dapat kamu lakukan agar matamu tetap sehat, di antaranya sebagai berikut. a. Mengatur jarak baca (minimal 30 cm); b. Menonton televisi jangan terlalu dekat; c. Membaca di ruangan yang terang karena jika kamu membaca di tempat yang kurang terang, pupil mata mu akan melebar dengan kuat sehingga lama kelamaan akan menimbulkan kelelahan pada mata; d. Mengonsumsi makanan yang banyak mengandung vitamin A, seperti wortel. 2. Lup Lup disebut juga kaca pembesar atau suryakanta. Alat ini sering digunakan oleh tukang jam tangan. Lup menggunakan lensa cembung. Lup digunakan untuk melihat benda-benda berukuran kecil sehingga tampak besar.



Gambar Lup



3. Mikroskop Mikroskop digunakan di laboratorium untuk mengamati bakteri yang sangat kecil. Mikroskop dapat memperbesar bayangan benda sampai ratusan hingga ribuan kali. Perhatikan contoh bentuk mikroskop pada Gambar di bawah ini.



Mikroskop terdiri atas 2 lensa cembung, yaitu: a) lensa okuler ialah lensa yang dekat dengan mata; b) lensa objektif ialah lensa yang dekat dengan benda yang diamati.



Gambar Mikroskop



4. Kamera Foto Kamera adalah alat yang digunakan untuk memotret. Kamera menggunakan lensa positif. Lensa tersebut disangga oleh tabung yang dapat digeser ke depan atau ke belakang untuk memfokuskan bayangan benda agar bayangan jatuh pada film. Perhatikanlah Gambar!



Kamera terdiri atas: a) lensa; b) ruang atau kotak yang kedap cahaya; dan c) film. Kamera memiliki diafragma yang fungsinya menyerupai iris mata manusia. Diafragma dapat mengatur sedikit atau banyak cahaya yang masuk. 5. Teleskop Teleskop atau teropong adalah alat yang digunakan untuk melihat benda-benda yang sangat jauh, misalnya benda di ruang angkasa. Dengan teleskop, benda ruang angkasa akan terlihat lebih dekat. Gambar di bawah ini menunjukkan teleskop bintang. Bahkan ada juga teleskop yang letaknya di luar angkasa dan dikendalikan oleh stasiun luar angkasa di bumi, teleskop ini bernama teleskop luar angkasa Hubble. Cara kerjanya dengan mengirimkan gambar hasil tangkapan lensa teleskop ini. Teleskop hubble digunakan untuk memotret gambar kejadian di luar angkasa.



Gambar Teleskop



Gambar Teleskop Hubble



6. Periskop Awak kapal selam yang berada di kedalaman laut dapat mengamati permukaan laut menggunakan periskop. Periskop menerapkan sifat cahaya yang berupa pemantulan. Cahaya dari atas permukaan laut ditangkap oleh suatu cermin, kemudian dipantulkan menuju mata pengamat di dalam kapal selam. laut, kapal selam dilengkapi dengan periskop. Periskop menggunakan 2 buah cermin. Cermin ialah kaca bening yang salah satu mukanya dicat dengan air raksa.



FISIKA MODERN Dinamika Newton telah berulang kali mengalami pengujian ketat, dan membuat ia diterima sebagai dasar bagi pemahaman tentang perilaku alam. Keelektrikan dan kemagnetan telah berhasil dipadukan oleh teoritik Maxwell. Gelombang elektromagnet telah berhasil diamati dan diselidiki sifat-sifatnya oleh Hertz yang berawal dari teori Maxwell . Fisika modern biasanya dikaitkan dengan berbagai perkembangan yang dimulai dengan



teori relativitas khusus dan kuantum. Bidang studi ini menyangkut penerapan kedua teori tersebut untuk memahami sifat atom, inti atom, serta berbagai partikel penyusunnya, kelompok atom dalam berbagai molekul dan zat padat, juga pada skala kosmik (jagad raya), tentang asal mula dan evolusi alam semesta. TINJAUAN ULANG FISIKA KLASIK Konsep fisika modern sangat berbeda dengan fisika klasik, tapi kita seringkali akan merasa perlu untuk merujuk kembali konsep fisika klasik, diantarannya: A. MEKANIKA Sebuah benda bermassa m yang bergerak dengan kecepatan v memiliki energi kinetik yang didefinisikan oleh Momentum linier didefinisikan. Apabila sebuah benda bertumbukan dengan benda lain, maka untuk menganalisis tumbukan dengan menerapkan kedua hukum kekekalan berikut: 1. Kekekalan Energi Energi total sebuah sistem terpisah (resultan gaya luar yang bekerja padanya nol) selalu konstan. Ini berarti bahwa energi total kedua partikel sebelum tumbukan sama dengan energi total setelah tumbukan 2. Kekekalan Momentum Linear Momentum linear adalah sebuah vektor, maka penerapan hukum ini memberikan dua buah persamaan, satu bagi komponen x dan komponen y. Momentum linear total sebuah sistem terpisah selalu konstan, artinya momentum linear total kedua partikel sebelum tumbukan sama dengan momentum linear setelah tumbukan. Penerapan lain dari kekekalan energi berlaku ketika sebuah partikel bergerak dibawah pengaruh sebuah gaya luar F. Terdapat juga energi potensial V yang sedemikian rupa sehingga untuk gerak satu dimensi berlaku. Energi total E adalah jumlah energi kinetik dan potensial. Ketika partikel bergerak, K dan V dapat berubah, tetapi E tetap konstan. Bila sebuah benda yang bergerak dengan momentum linear p berada pada kedudukan r dari titik asal O, maka momentum sudut I nya terhadap titik O didefinisikan : Keelektrikan dan Kemagnetan yaitu gaya elektrik statik (gaya Coulomb) antara dua partikel bermuatan q1 dan q2 dalam SI tetapan. Pada kedua persamaan harus muncul. Pada sistem nilai tetapan didefinisikan besarnya 1. Arus elektrik i menimbulkan medan magnet B. Dalam sistem SI, B diukur dalam satuan tesla ( T adalah newton per amper meter). Tetapan besarnya. Teori Kinetik Zat yaitu termal rata-rata dari molekul-molekul sebuah gas ideal pada temperatur T adalah dimana k adalah tetapan Boltzmann. a. Teori Kinetik Zat Energi kinetik termal rata-rata dari molekul-molekul sebuah gas ideal pada temperature T adalah K = kT Dimana k = 1,381 x J/K



Berhati-hatilah tentang Boltzman k dengan bilangan gelombang k = . Besaran kT seringkali diambil sebagai taksiran kasar bagi energy kinetic per partikel yang berada dalam kesetimbangan termal pada suhu T. contohnya : Pada suhu ruangan ( 20⁰ C = 293 K ), energy termal rata-rata adalah sekitar 4.0 x J, sedangkan di dalam sebuah bintang bersuhu T ~ K, energy termal ratarata adalah sekitar J. Besaran zat lainnya yang disebut satu gram-molekul, atau mole, adalah jumlah zat tersebut dengan nilai massa dalam gram yang sama dengan berat molekulnya. Berat molekul hydrogen adalah sekitar 2, karena tiap molekul hydrogen memiliki dua atom dan masing-masing bermassa satuan. Oleh karena itu, satu mol hydrogen massanya sekitar 2 g. berat molekul besi sekitar 56 karena satu mol besi massanya ±56 g. satu mol zat apapun mengandung jumlah molekul yang sama banyak, dan jumlahnya sama dengan bilangan Avogadro, , yaitu = 6,022 x molekul/mol B. SATUAN DAN DIMENSI Hampir semua tetapan dan variable fisika yang akan kita gunakan memiliki satuan dan dimensi. Dimensi sebuah tetapan atau variable memberitahukan kita tentang jenisnya, sebuah besaran yang dalam satu kerangka acuan memiliki dimensi panjang misalnya tetap memiliki dimensi panjang dalam setiap kerangka acuan lainnya, walaupun besar dan satuan yang kita gunakan mungkin berubah. Yang selalu perlu kita sadari ketika mengerjakan suatu soal adalah merasa yakin bahwa persamaan anda taat asas secara dimensional. Misalnya, jika kita mempunyai suatu persamaan yang mengandung suku ( v+m ) dimana v = kecepatan dan m = massa , maka tidaklah disangsikan lagi bahwa anda telah melakukan suatu kesalahan- dua besaran tidak pernah dapat dijumlahkan kecuali jika mereka memiliki dimensi yang sama. Memeriksa kesesuaian dimensional dari hasil pekerjaan kita merupakan kebiasaan baik yang perlu dimiliki. Terkadang memang mungkin bagi sebuah besaran untuk memiliki satuan, tetapi tidak berdimensi. Contohnya , arloji kita berjalan lambat dan kehilangan 6,0 detik setiap hari. Laju kehilangan waktunya setiap hari dengan demikian adalah R = 6,0 detik/hari. R adalah suatu besaran tidak berdimensi, R memiliki dimensi t/t tetapi R memiliki satuan dan nilainya berubah bila satuannya berubah. Kita dapat pula menyatakan R sebagai 0,10 menit/hari atau 0,25 detik/jam atau bahkan dalam bentuk tanpa satuan seperti 6,9 x , yang memberikan fraksi kehilangan waktu dalam seberang selang waktu. Contoh lainnya adalah bahwa semua faktor konversi (ubah) seperti 25,4 mm/inci atau 1000 g/kg tidak berdimensi. Tahun belakangan ini telah digunakan system internasional atau SI, satuan-satuan system ini dalam kebanyakan mirip dengan system mks ( meter-kilogram-sekon ). Tentu saja system inci , kaki , dan pon serta satuan-satuan lainnya dalam system satuan “ Inggris “ lama tidak mempunyai tempat dalam system SI, dan kita harus pula memaksakan diri untuk menghindari penggunaan satuan-satuan memudahkan yang telah lazim digunakan seperti atsmosfer (atm) sebagai satuan tekanan, gram per centimeter kubik (g/cm³) sebagai kesatuan massa, kalori (cal) sebagai satuan panas, dan sebagainya. Dalam fisika modern kita jumpaipula persoalan yang sama dalam memilih satuan yang akan kita gunakan, satuan SI terlalu besar untuk kita gunakan. Sebagai contoh , energy khas yang berkaitan dengan berbagai proses atom atau inti atom adalah sekitar hingga J dan begitu pula ukuran khas system atom dan inti berkisar dari hingga m. Beberapa tetapan dan variable yang akan kita pakai dibahas dibawah ini. 1. Panjang Satuan SI bagi panjang adalah meter (m),tetapi kita akan membutuhkan ukuran panjang yang lebih pendek dari pada meter bagi system atom dan inti. Kita akan menggunakan beberapa satuan panjang berikut:



Mikrometer = = m Nanometer = nm = m Femtometer = fm = m Panjang gelombang elektromagnetik biasanya diukur dalam satuan nanometer-cahaya tampak memiliki panjang gelombang dalam rentang 400-700 nm. Ukuran atom khasnya 0,1 nm dan inti sekitar 1-10 fm (satuan fm terkadang disebut dengan nama Fermi karena menghargai jasa Enrico Fermi seorang fisikawan perintis dalam bidang fisika inti eksperimen dan teori). Kita seringkali menjumpai satuan Angstrom A (m) sebagai satuan panjang gelombang. Ada kasusu khusus yang akan kita coba dengan menggunakan satuan SI, kita akan memakai nanometer ketimbang angstrom untuk mengukur panjang gelombang. 2. Energi Satuan SI bagi energi adalah joule (J) yang juga masih terlalu besar nilainya bagi fisika atom dan inti. Satuan yang lebih sesuai adalah electron-volt (eV), yang didefinisikan sebagai energy yang diperoleh sebuah muatan elektrik sebesar muatan electron setelah tertarik bebas melewati beda potensial elektrik satu volt. Karena sebuah electron memiliki muatan sebesar 1,602 x C dan karena 1 V = 1 J/C, maka kita peroleh kesetaraan : 1 eV = 1,602 x J Beberapa kelipatan electron-volt yang memudahkan adalah keV = kilo electron-volt = eV MeV = mega electron-volt = eV GeV = giga electron-volt = eV 3. Muatan Elektrik Satuan baku muatan elektrik adalah coulomb (C), sedangkan sebagai satuan dasarnya adalah muatan electron, yaitu e = 1,602 x C. kita akan lebih sering berkeinginan menghitung energy potensial dari dua muatan elektrik yang berjarak pisah dalam ukuran khas atom atau inti dan menyatakan hasilnya dalam electron-volt.berikut adalah salah satu cara mudah untuk menghitungnya. Misalnya untuk menghitung energy potensial dari dua electron yang berjarak pisah r = 1,00 nm : Besaran dapat dinyatakan dalam bentuk yang memudahkan sebagai berikut : = ( 8,988 x ) ( 1,602 x C )² N.m² Dengan gabungan tetapan-tetapan yang bermanfaat ini, persoalan menghitung energi potensial elektrik statik kini menjadi sangat mudah. Untuk dua muatan satuan yang berjarak pisah 1,00 nm, maka V = = = 1,440 eV.nm = 1,44 eV



Bagi perhitungan dalam orde ukuran khas inti atom, femtometer adalah satuan jarak yang lebih sesuai untuk digunakan : = 1,440 MeV.fm



Memang mudah diingat bahwa besaran tetap memiliki nilai 1,440 yang tidak bergantung pada apakah kita menggunakan ukuran dan energi khas atom ( eV.nm ) ataukah ukuran dan energi khas inti atom ( MeV.fm ). 4. Massa Kilogram (kg) adalah satuan SI dasar bagi massa, tetapi nilainya juga terlalu besar, teristimewa untuk digunakan dalam bidang fisika inti dan atom. Kesulitan lainnya, sebagaimana akan kita bahas dalam Bab 2 adalah bahwa kita seringkali tertarik untuk menggunakan persamaan Einsten, E= mc² untuk mengubah massa ke dalam energi dan sebaliknya karena c² adalah suatu bilangan yang besar sekali, maka pengubahan ini sama sekali tidak memudahkan, bahkan dapat menimbulkan kesalahan. Kesulitan ini kita atasi dengan membiarkan faktor c² di dalam pernyataan satuan massa dan mengingat bahwa m = E/c². Satuan massa lainnya yang kita dapati mudah untuk digunakan adalah satuan massa atom. Satuan ini terutama sangat memudahkan dalam perhitungan energi ikat atom dan inti atom. Satuan massa atom ini didefinisikan sedemikian rupa sehingga massa isotop karbon yang lebih banyak dijumpai di alam adalh tepat sama dengan 12 u. Massa atom lainnya diukur relatif terhadap nilai ini. 5. Laju Cahaya Salah satu tetapan alam mendasar lainnya adalah laju (speed) cahaya, c, yang akan sering anda gunakan dalam kajian fisika modern. Nilainya adalah C = 3,00 x Seringkali memudahkan bagi kita untuk menyatakan berbagai laju yang diukur dalam laju cahaya ; dalam Bab 2 kita akan menjumpai banyak contoh soal yang menyatakan laju sebagai suatu kelipatan pecahan dari c, seperti v = 0,6c. Untungnya sebagian besar persamaan teori relativitas khusus tidak mengandung v melainkan v/c, sehingga dengan demikian seringkali tidaklah perlu untuk mengubah 0,6c ke dalam suatu nilai angka laju dalam meter per detik.



6. Tetapan Planck Tetapan alam mendasar lainnya adalah tetapan planck, h, yang memiliki nilai h = 6,63 x



Tetapan planck jelas memiliki dimensi energi x waktu, tetapi dengan sedikit perhitungan, anda dapat memperlihatkan bahwa dia juga memiliki dimensi momentum linier x perpindahan yang adalah dimensi momentum sudut. Karena telah dikemukakan bahwa kita hendak menggunakan satuan energi dalam elektron-volt ketimbang joule, jadi ada manfaatnya utnuk menyatakan tetapan Planck dengan menggunakan satuan eV, yaitu : h = 4,14 x Dalam berbagai hasil peritungan nanti, akan kita jumpai pula tetapan hasil kali hc. Dalam satuan di atas kita dapat menurunkan bahwa nilainya adalah Hc = 1240 eV.nm = 1240 MeV.fm Amat menarik untuk dicatat bahwa hc dan memiliki dimensi yang sama dan kita memang telah menghitung keduanya dalam satuan yang sama eV.nm. nilai banding kedua besaran ini dengan demikian adalah sebuah bilangan murni yang tidak bergantung pada sistem satuan yang kita pilih. Kelak akan kita pelajari bahwa nilai banding ini ternyata sangat mendasar dalam bidang fisika atom. Tetapan tidak berdimensi yang disebut tetapan struktur halus, ternyata 2 kali nilai berbanding diatas, yaitu : = 2π = 0,00729 C. TEORI, PERCOBAAN DAN HUKUM Ketika pertama kali mempelajari IPA saat di SMP dan SMA kita telah mempelajari tentang “metode ilmiah”yang dinggap merupakan semacam tata kerja (prosedur ) yang dengannya kemajuan ilmu tercapai. Gagasan dasar metode ilmiah ini adalah saat kita berusaha memahami suatu aspek alam tertentu para ilmuan akan menciptakan suatu hipotesis atau teori yang kemudian akan diuji kebenarannya lewat percobaan dan jika berhasil lulus akan ditingkatkan setatusnya menjadi hukum. Tata kerja ini bertujuan menekannkan pentingnya dilakukan berbagai percobaan sebagai cara untuk menguji kebenaran kebenaran berbagai hippotesis dan menolak yang tidak lulus. Fisika modern merupakan suatu contoh ekstrem yang membutuhkan percobaan. Dengan demikian dalam studi kita tentang fisika modern kita akan berusaha menonjolkan berbagai percobaan yang telah dilakukan untuk mempelajari teori relativitas dan fisika kuantum.



Namun terdapat persoalan yang berkaitan dengan fisika modern yang tetap tidak terpecahkan dan sering kali membingungkan,yaitu mengenai kata “metode ilmiah”. Ini mengenai kata “teori”. Terdapat dua definisi tentang perkataan “teori” yang berbeda dan bertentangan dalam kamus : 1. Suatu hipotesis atau dugaan. 2. Suatu kumpulan fakta atau penjelasan. “metode ilmiah” merujuk ke “teori” menurut definisi pertama. Sedangkan ketika kita berbicara tentang “teori relativitas” maka kita merujuk kedefinisi yang kedua. Teori relativitas dan fisika kuantum kadang-kadang dipandang para siswa sebagai hipotesis belaka dimana buktibukti percobaan pendukungnya masih tetap dihimpun dengan harapan bahwa suatu hari buktibukti ini akan diajukan kesemacam mahkamah internasional yang akan merubah status “teori” menjadi “hukum”. Padahal teori relativitas dan teori kuantum, seperti halnya teori atom atau teori evolusi,



benar-benar suatu kumpulan fakta dan penjelasan, bukan hipotesis. Oleh karena itu tidak relevan memperdebatkan apakah kedua “teori” itu kelak menjadi hukum. Apakah fakta-fakta itu disebut teori atau hukum hanyakah masalah arti kata (semantik) belaka dan tidak ada sangkut pautnya dengan jasa ilmiah kedua teori ini. Seperti yang berlaku bagi semua asas ilmiah, kedua teori ini akan terus berkembang dan berubah begitu diperoleh penemuan-penemuan baru dan yang harus diingat pula bahwa usaha mencari bebagai kebenaran terakhir atau hukum-hukum abadi bukanlah tujuan ilmu pengetahuan. Selain mengenai teori masih ada dua pertannyaan lain yang mungkin akan anda temukan ketika mempelajari fisika modern.pertama mengenai “bagaimana” dari teori-teori ini. Berbagai bukti percobaan yang membentuk dasar fisika modern hampir selalu bersifat tidak langsung, tidak seorang pun yang pernah “melihat” sebuah kuantum atau meson pi atau bahkan sebuah inti atom dan tidak ada yang pernah bergerak dengan laju mendekati laju cahaya dan yang lainnya. Walaupun demikian bukti-bukti percobaan ini begitu menyakinkan sehingga tidak seorang pun yang meragukannya. Hendaklah diingat bahwa sebagian besar gagasan fisika modern didukung oleh bukti-bukti percobaan secara tidak langsung yang diperoleh secara analis dan penafsiran hasil-hasil percobaan bukan dari pengamatan langsung.