WAVES AND OPTICS

GELOMBANG DAN OPTIKA

Objectives
Tujuan

After learning this chapter, you are expected to be able to explain the development of light theoris; explain the light reflection in mirrors; explain the the mechanism of image formation in the mirrors and determine its characteristic; analysze the light reflection quantitatively; explain the light refraction in various transparent objects; explain the image formation in the lenses and determine its characteristics; analyze the light refraction quantitatively; explain the work principle of optical instruments; analyze the optical instrument quantitatively; explain the elektomagnetic waves spectrum based on the their frequencies and wavelengths; explain the special characteristic of each electromagnetic wave spectrum; and give the example of electromagnetic wave application in everyday life.

Setelah mempelajari bab ini, anda diharapkan dapat menjelaskan perekembangan teori cahaya; menjelaskan pemantulan cahaya pada cermin; menjelaskan mekanisme pembentukan cahaya pada cermin dan menentukan sifatnya; menganalisa pemantulan cahaya secara kuantitatif; menjelaskan pembiasan cahaya pada berbagai benda transparan; menjelaskan pembentukan bayangan pada lensa dan menentukan sifatnya; menganalisa pembiasan cahaya secara kuantitatif; menjelaskan prinsip kerja alat-alat optik; menganalisa alat-alat optik secara kuantitatif; menjelaskan spektrum gelombang elektromagnetik; mengelompokan spektrum gelombang elektromagnetik berdasarkan frekuensi dan panjang gelombangnya; menjelaskan karakteristik khusus masing-masing spectrum gelombang elektromagnetik; dan memberikan contoh penerapan gelombang elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari.

In physics there is a branch of knowledge concerning the propagation and behavior of light, that is optics. The study of opticsis divided into geometric optics and physical optics. Geometric optics is the branch of optics cncerningof light, while the physical optics is a branch of optics of interference, diffraction, and polarization of light. The subjects covered in this chapter are as follows:

Dalam fisika terdapat cabang ilmu mengenai perambatan dan sifat-sifat cahaya, yaitu optika. Kajian optika dibagi ke dalam optika geometrid an optika fisis. Optika geometri merupakan cabang optika mengenai pemantulan dan pembiasan cahaya, sedangkan optika fisis merupakan cabang optika mengenai interferensi, difraksi, dan polarisasi cahaya. Materi-materi yang tercakup dalam bab ini adalah sebagai berikut :

1. Nature of Light
    Sifat Dasar Cahaya
2. Reflection of Light
    Pemantulan Cahaya
3. Refraction of Light
    Pembiasan Cahaya
4. Optical Instruments
    Alat-alat Optic
5. Elektromagnetic Waves Spectrum
    Spektrum Gelombang Elektromagnetic



Nature of Light
Sifat Dasar Cahaya

In a general definition, light is part of the electromagnetic wave spectrum that extends from the X-rays to microwaves and includes radiant energy that produces the sensation of vision. The essence of light has been the debate among scientists since age-old which brings a question is light of a wave or a particles? In fact, light exhibits the characteristic of both mentioned, that is, as waves and particles.

Dalam pengertian umum, cahaya merupakan bagian dari spectrum gelombang elektromagnetik yang meluas dari sinar-X sampai gelombang mikro dan termasuk pancaran energi yang menghasilkan sensasi penglihatan. Hakekat cahaya telah menjadi perdebatan diantara para ahli sains sejak zaman dahulu yang memunculkan sebuah pertanyaan apakah cahaya suatu gelombang atau berkas partikel? Pada kenyataannya, cahaya menunjukan sifat keduanya, yaitu sebagai gelombang dan partikel.


1. Emission of Light
    Pancaran Cahaya

An atom consists of nucleus that charged positively and electrons wich revolve the nucleus at a certain energy level (orbit). The electrons of an atom may jump to a higher energy level, when they obtain more energy, and in that state, they are said in the excited state.

Sebuah atom terdiri dari inti atom yang bermuatan posistif dan electron-elektron yang mengelilingi inti pada tingkat energi (orbit) tertentu. Electron-elektron sebuah atom dapat melompat ke tingkat energi yang lebih tinggi, ketika memperoleh tambahan energi, dan pada keadaan tersebut electron dikatakan dalam keadaan tereksitasi.

The excitation will not last for long, and the electron will back to initial energy level at the same time they emit energy in the form of electromagnetic wave radiation (light). The return of electrons to their initial state from excited is called atomic spectrum.

Keadaan eksitasi tidak akan berlangsung lama, dan electron akan berlangsung lama, dan electron akan kembali pada tingkat energi semula sambil memancarkan energi dalam bentuk radiasi gelombang elektromagnetik (cahaya). Kembalinya electron ke keadaan semula dari keadaan eksitasi disebut transisi.

Radiation of light emitted by electrons in the atom has a certain energy and it depends on the electrons orbit. The characteristics of light emitted by an atom is called the atomic spectrum.

Pancaran cahaya yang dipancarkan oleh electron-elektron pada atom mempunyai energi tertentu dan tergantung orbit electron tersebut. Sifat cahaya yang dipancarkan oleh sebuah atom disebut dengan spectrum atom.


2. Elektromagnetic Waves
Gelombang Elektromagnetik

Lights is the electromagnetic waves anitted into any wavelength and frequency. The light that consists of several wavelengths and frequencies is called polychromatic light, one example is sunshine. While the light that only consists of one wavelength and frequency is called monochromatic light, one example is laser.

Cahaya merupakan gelombang elektromagnetik yang dipancarkan dalam berbagai panjang gelombang dan frekuensi. Cahaya yang terdiri dari berbagai panjang gelombang dan frekuensi tersebut dinamakan cahaya polikromatik, salah satu contohnya adalah cahaya matahri. Sedangkan cahaya yang hanya terdiri dari satu panjang gelombang dan frekuensi dinamakan cahaya monokromatik, contoh cahaya monokromatik adalah laser.

The relationship of wavelength and frequency of an electromagnetic wave can be expressed by the equation as follows.

Hubungan panjang gelombang dan frekuensi sebuah gelombang elektromagnetik dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut :

v = α . f

Where
Dengan
v=light speed (m/s) laju cahaya (m/s)
α= Wavelength (m) Panjang gelombang (m)
f = Frequency (Hz) Frekuensi (Hz)

The lightspeed is usually expressed by c and the value is
Laju cahaya biasanya dinyatakan dengan c dan besarnya adalah

C = 3 x 108 m/s


3. Photon
Foton

Photon is packets of light energy or energy that is produce from the moving electrical charges (electromagnetic radiation). All kinds of elektromagnetic radiation sometimes behave like a wave and the other time a particle.

Foton merupakan paket – paket energi cahaya atau energi yang dibangkitkan oleh gerakan muatan – muatan listrik (radiasi elektromagnetic). 
Semua jenis radiasi elektromagnetik kadang – kadang berprilaku seperti sebuah gelombang dan di lain waktu sebagai sebuah partikel.

According to that, then the scientists use the concept of photon to describe the effects of radiation when it behaves as a particle. Photon is assumed as an elementaru particle that cannot be devided into smaller parts. Beside that, photon is a particle with no electrical charges and mass, but it has energy and momentum. Photon travels at the speed of light, that is about 300.000 km/s or 3 x 108 m/s.

Berdasarkan hal tersebut, maka para ahli menggunakan konsep foton untuk menggambarkan efek radiasi ketika berprilaku seperti sebuah partikel. Foton diasumsikan sebagai sebuah partikel dasar yang tidak dapat dibagi menjadi sesuatu yang lebih kecil. Selain itu, foton merupakan partikel – partikel yang tidak bermuatan listrik dan tidak bermassa, tetapi mempunyai energi dan momentum. Foton bergerak pada kecepatan cahaya, yaitu sekitar 300.000 km/s atau 3 x 108 m/s.


Sample problem 6.1
Contoh soal 6.1

Calculate the amount of photon emited by a 100 watt lamp in2 seconds, if the light that radiated by the lamp has wavelength of 600 nm!

Hitunglah jumlah foton yang dipancarkan oleh sebuah lampu 100 watt dalam waktu 2 sekon, jika cahaya yang dupancarkan oleh lampu mempunyai panjang gelombang 600 nm!

Solution
Penyelesaian

Photon Energy
Energi Foton

E = hf
Because f = v = c , then :
. λ λ
Karena f = v = c , maka :
. λ λ

E = h c
. λ

= (6,63x10-34 Js) (3 x 10-8 m/s)
(600 x 10-9 m)
= 3,315 x 10-19 Joule

Lamp Energy
Energi Lampu
W = p.t
= (100W) (2s)
= 200 J

Therefore :
Sehingga :

N = E lampu = W
E foton E
= 200J
3,315 x 10-19 J
= 6,0 x 1020





4. Interaction of Light with Substances
    Interaksi Cahaya dengan Bahan

If a stream of light strikes a substance, it will cause the substence electrons to vibrate. The electron vibrations strength depends on the light frequency and atomic structure of the substence. The light that hits any substance may be transmitted, reflected, or absorbed. According to that, substances can be distinguished into transparent, opaque, and translucent substances.

Jika seberkas cahaya mengenai suatu bahan, maka akan menyebabkan elektron – elektron bahan tersebut bergetar. Kekuatan getaran – getaran elektron bahan tersebut tergantung pada frekuensi cahaya dan struktur atom bahan. Cahaya yang menumbuk suatu bahan akan diteruskan, dipantulkan, atau diserap oleh bahan. Sesuai dengan hal tersebut, maka bahan – bahan dapat dibedakan menjadi bahan tembus cahaya, bahan tak tembus cahaya dan bahan buram.

Sumber: Fisika Bilingual Untuk SMA/MA Kelas X, Penulis: Sunardi, S.Pd. & Etsa Indra Irawan, S.Si, Penrbit Yrama Widya