Optika (8)

PERTEMUAN VIII

OPTIKA GEOMETRI & OPTIKA FISIS

PETA KONSEP OPTIKA

Q.S. An-Nur: 35 spirit

dibedakan menjadi GEOMETRIS

FISIS

berdasarkan bidangnya dibedakan menjadi Bid. Datar

Bid. Sferis

Interferensi

Difraksi

Polarisasi Pemantulan

Pembiasan diimanfaatkan untuk Kesejahteraan Umat Manusia

SERAMBI “Allah (Pemberi) cahaya (kepada) langit dan bumi. Perumpamaan cahaya Allah, adalah seperti sebuah lubang yang tak tembus, yang di dalamnya ada pelita besar. Pelita itu di dalam kaca (dan) kaca itu seakan-akan bintang (yang bercahaya) seperti mutiara, yang dinyalakan dengan minyak dari pohon yang berkahnya, (yaitu) pohon zaitun yang tumbuh tidak di sebelah timur (sesuatu) dan tidak pula di sebelah barat(nya), yang minyaknya (saja) hampir-hampir menerangi, walaupun tidak disentuh api. cahaya di atas cahaya (berlapis-lapis), Allah membimbing kepada cahaya-Nya siapa yang dia kehendaki, dan Allah memperbuat perumpamaanperumpamaan bagi manusia, dan Allah Maha

Optik Geometris Bidang Datar, Bidang Sferis, yaitu bidang yaitu bidang yang yang permukaanny membentuk a datar sebagian dari bola

Pemantulan cahaya pada bidang datar

• Ketika cahaya mengenai suatu bidang yang tidak transparan dengan membentuk sudut datang θi terhadap garis normal, maka cahaya itu akan dipantulkan dengan membentuk sudut pantul θr terhadap garis normal. • Jika bidang tersebut merupakan bodang datar, yaitu bidang yang permukaannya rata, maka berkas sinar datang dan berkas sinar pantul, berada pada bidang yang sama dan besarnya sudut datang θi sama dengan besarnya sudut pantul θr. • Sudut datang (θi ) sama dengan sudut pantul (θ r.), disebut sebagai hukum pantulan.

Pembiasan cahaya pada bidang datar • Ketika cahaya mengenai bidang datar yang transparan (tembus pandang), selain berkas cahaya dipantulkan, sebagian berkas cahaya juga diteruskan. • Jika seberkas cahaya mengenai bidang dan membentuk sudut datang (θi) terhadap garis normal (garis yang tegak lurus bidang), maka berkas cahaya yang memasuki medium kedua akan dibelokkan. • Perisitiwa pembelokan cahaya inilah yang dinamakan pembiasan.

Pembiasan cahaya pada bidang datar • Apabila cahaya datang dari medium yang kurang rapat ke medium yang lebih rapat, maka cahaya tersebut akan dibiaskan mendekati garis normal • Sebaliknya jika cahaya datang dari medium yang lebih rapat ke medium yang kurang rapat, maka cahaya tersebut akan dibiaskan menjauhi

Pembiasan cahaya pada bidang datar

Pembiasan cahaya pada bidang datar

• Besarnya sudut bias (θr) tergantung pada sudut datang (θi ) dan indeks bias kedua medum. • Indeks bias suatu medium (n) adalah perbandingan kelajuan cahaya dalam ruang hampa (c) dan kelajuan cahaya pada medium tertentu (v). • Jika indeks bias medium pertama dilambangkan n1 dan indeks bias medium kedua dil;ambangkan n2, maka besaran-besaran di atas dapat dihubungkan n1 sin θ i dengan = n2 sinpersamaan θ yang dikenal sebagai hukum snellius,r yaitu;

Dari hukum snellius di atas, jika n2 > n1, maka θr < θi, artinya berkas cahaya dibiaskan mendekati gari normal. Jika n2 < n1, maka θr > θ

CONTOH SOAL Cahaya dengan frekuensi sebesar 5,8 x 1014 Hz merambat pada sebuah balok kaca (indeks bias = 1,52). Berapakah panjang gelombang cahaya pada kaca? Seberkas sinar cahaya mempunyai panjang gelombang 650 nm dalam ruang hampa. Berapakah laju cahaya tersebut dalam sebuah cairan yang indeks biasnya 1,47?

Pemantulan cahaya pada bidang sferis • Bidang sferis adalah bidang yang membentuk sebagian dari bola. • Bidang sferis dapat berupa cermin cembung dan juga cermin cekung. • Bidang pantul sferis disebut cermin cembung jika jika pantulannya terjadi pada bidang luar dari bentuk sferis tersebut, sedangkan bidang pantul yang pantulannya terjadi di permukaan dalam bidang tersebut, dinamakan cermin

Pemantulan cahaya pada bidang sferis • Ketika cahaya mengenai sebuah cermin cekung dimana jarak cermin tersebut kecil jika dibandingkan dengan jarijari kelengkungannya, maka berkas–berkas cahaya yang mengenai cermin cekung tersebut akan dipantulkan dengan karakter sebagai berikut: – Berkas cahaya yang sejajar dengan sumbu utama, akan dipantulkan melalui titik fokus. – Berkas cahaya yang melalui titik fokus, maka berkas cahaya tersebut akan dipantulkan sejajar dengan sumbu utama. – Berkas cahaya yang melalui titik pusat (tegak lurus terhadap cermin), maka akan dipantulkan melalui titik itu.

• Bayangan pada cermin cekung ini merupakan perpotongan dari berkas-berkas cahaya tersebut. Titiktitik bayangan suatu benda dapat ditentukan dengan menggunakan ketiga berkas cahaya di atas.

Pemantulan cahaya pada bidang sferis Kita tinjau sebuah cermin cekung dengan jarak benda (jarak benda dari pusat cermin) adalah do dan jarak bayangan (jarak bayangan dari pusat cermin) adalah di dan jarak fokusnya adalah f, maka berlaku persamaan: 1 1 1

do

+

di

=

f

dimana do dan di akan bernilai positif, manakala benda dan bayangan terletak di depan cermin cekung. Sebaliknya, jika benda dan bayangan terletak di belakang cermin cekung, maka do dan di bernilai negatif.

Pemantulan cahaya pada bidang sferis Perbesaran bayangan

d i hi m=− = d o ho dimana: hi adalah tinggi bayangan dan ho adalah tinggi benda. ho dianggap selalu bernilai positif. hi akan bernilai positif jika bayangannya tegak relatif terhadap benda. Sebaliknya jika bayangan berkebalikan terhadap benda, maka hi bernilai negatif

Pemantulan cahaya pada bidang sferis • Selain cermin cekung, bidang sferis dapat berupa cermin cembung. • Untuk cermin cembung, jarak fokus harus dianggap negatif, sehingga persamaan 1 + 1 = 1 do

menjadi

di

f

1 1 1 + =− do di f

CONTOH SOAL Berapa jauh dari cermin cekung ( radius 27,0 cm) sebuah benda harus diletakkan agar bayangannya berada pada jarak tak hingga?

Pembiasan cahaya pada bidang sferis • Salah satu contoh bidang sferis adalah lensa, terutama lensa tipis, yaitu lensa yang ketebalannya lebih kecil daripada radius kelengkungannya. • Bidang pada lensa tipis bisa berupa bidang cekung, cembung, atau datar.

Aneka lensa sferis

•

Pembiasan cahaya pada lensa cembung-cembung (cembung ganda)atau lensa Lensa cembung-cembung

cembung ganda, yaitu lensa yang bagian tengahnya lebih tebal daripada bagian tepinya. • Sumbu utama lensa tersebut adalah garis lurus yang melewati pusat lensa dan tegak lurus terhadap kedua permukaan lensa tersebut. • Semua berkas cahaya yang mengenai lensa tersebut dibelokkan menuju sumbu utama pada kedua bidang lensa. • Berkas-berkas cahaya yang sejajar dengan sumbu utama lensa, berkas-berkas cahaya tersebut difokuskan menuju titik fokus (F)

Pembiasan cahaya pada lensa cembung-cembung (cembung ganda) • Titik fokus (F) lensa cembung ganda dapat diketahui dengan cara menentukan titik dimana bayangan cahaya matahari paling tajam (fokus). • Jarak dari titik fokus (F) sampai dengan pusat lensa, disebut jarak fokus (f). • Lensa cembung ganda bersifat konvergen, yaitu mengumpulkan berkasberkas cahaya pada satu titik

Pembiasan cahaya pada lensa cekung-cekung (cekung ganda) • Lensa cekung-cekung (cekung ganda), yaitu lensa yang bagian tengahnya lebih tipis daripada bagian tepinya. • Titik fokus (F) sebuah lensa cekung ganda adalah titik darimana berkas-berkas cahaya bias, berasal/muncul. • Jarak fokus (f) adalah jarak dari titik fokus (F) sampai dengan pusat lensa. • Lensa cekung ganda bersifat divergen, yaitu menyebarkan berkas-berkas cahaya yang mengenainya

Kekuatan Lensa • Kekuatan lensa merupakan kebalikan dari jarak fokus (f), melalui persamaan: 1 P= f • Satuan untuk kekuatan lensa adalah dioptri (D), yang merupakan kebalikan dari meter, yaitu 1 D = 1 m-1.

OPTIKA FISIS

Optika Fisis • Efek cahaya yang bergantung pada sifat cahaya sebagai gelombang, dikelompokkan dalam optika fisis (physical optics). • Beberapa efek cahaya tersebut: interferensi difraksi polarisasi

Interferensi • Mengapa permukaan gelembung sabun terlihat warna-warni? • Warna-warni yang telihat pada gelembung sabun karena terjadinya interferensi gelombanggelombang cahaya yang dipantulkan oleh permukaan depan dan permukaan belakang gelembung sabun. • Interferensi tidak hanya terjadi pada gelombang cahaya, tetapi juga terjadi pada gelombang lain, seperti gelombang air dan gelombang bunyi

Interferensi • Interferensi akan terjadi manakala dua atau lebih gelombang, bergabung dalam satu ruang. • Pada interferensi, berlaku prinsip superposisi, yaitu: “Bila dua atau lebih gelombang tumpang tindih, maka pergeseran resultan di sebarnag titik dan pada sebarang saat, dapat dicari dengan menambahkan pergeseran sesaat yag akn dihasilkan di titik itu oleh gelombanggelombang itu seandainya setiap gelombang itu hadir sendirian(Young & Freedman Jilid 2, 2003: 587-588)”. • Pembahasan mengenai fenomena interferensi, akan lebih mudah jika kita bekerja pada gelombang monokromatik

Interferensi konstruktif • Kedua sumber (S1 dan S2) menghasilkan gelombang yang mempunyai amplitude dan panjang gelombang sama, serta keduanya sefasa. • Karena sefasa maka akan terbentuk gelombang baru yang amlitudonya dua kali dari gelombang semula (gabungan dari dua amplitudo).

Interferensi konstruktif • Peristiwa diatas dikenal sebagai interferensi konstruktif. • Interferensi komnstruktif akan terjadi jika selisih lintasan antara gelombang pertama dan gelombang kedua (r2-r1) merupakan kelipatan bulat dari panjang gelombang (λ).

r2 − r1 = mλ ;(m = 0, ± 1, ± 2, ± 3,…..)

Interferensi destruktif • Apabila puncak dari gelomabag pertama dan lembagh dari gelombang kedua, tiba pada saat yang sama dan pada tempat yang sama, maka akan terjadi interferensi destruktif. • Interferensi destruktif akan terjadi manakala selisih lintasan antara gelombang pertama dan gelombang kedua (r2-r1) merupakan kelipatan 1 2 1 gelombang2 (λ). dari panjang 1

m+

r − r = ( m + )λ

2

Interferensi •

•

Cahaya monokromatik yang jatuh pada celah ganda dengan jarak 0,042 mm, menghasilkan pinggiran orde lima pada sudut 7,8º. Berapakah panjang gelombang cahaya yang digunakan? Jika cahaya 480 nm dan 620 nm melewati celah ganda yang berjarak 0,54 mm satu sama lain, berapa jarak pinggiran-pinggiran orde kedua untuk kedua panjang gelombang ini pada layar yang jauhnya 1,6 m?

Difraksi • Difraksi adalah pembelokan gelombang di sekitar sebuah rintangan atau melalui sebuah celah (Young & Freedman Jilid 2, 2003: 616). • Difraksi cahaya akan terjadi manakala cahaya mengenai sebuah rintangan yang mempunyai celah atau tepi. • Banyak manfaat yang kita peroleh dari fenomena difraksi cahaya, antara lain tentang kajian ukuran struktur atom dari benda padat dan cair yang dapat dilakukan dengan difraksi sinar X.

Difraksi • Pada dasarnya, difraksi cahaya merupakan efek interferensi cahaya yang dihasilkan dari penggabungan gelombang-gelombang cahaya. • Pola difraksi dapat dianalisis dengan menggunakan prinsip Huygens, yaitu “tiap-tiap titik dari sebuah muka gelombang dapat ditinjau sebagai sumber sekunder yang menyebar ke semua arah dengan laju yang sama dengan laju perlambatan gelombang itu” (Young & Freedman Jilid 2, 2003: 617).

Difraksi • Difraksi cahaya dapat terjadi pada celah tungggal, celah ganda maupun banyak celah. • Pembahasan kali ini akan difokuskan pada difraksi cahaya oleh celah tunggal dengan menganggap cahaya yang digunakan adalah cahaya monokromatis. • Apabila cahaya monokromatis mengenai celah sempit horisontal, maka cahaya yang melewati celah tersebut akan menyebar secara vetikal, seperti diperlihatkan pada gambar berikut:

Difraksi

Difraksi • Misalkan kita tetapkan lebar celah sempit adalah a dan sudut yang terbentuk antara bidang horizontal dan pola difraksi maksimum adalah θ, maka daerah gelap akan terjadi jika:

a λ sin θ = ± 2 2

atau

sin θ = ±

λ a

Difraksi • Kita dapat juga membagi layar menjadi empat bagian, enam bagian dan seterusnya, dan berlaku persaamanan: (m = ±1, ±2, ±3, …..) mλ sin θ = a

• untuk panjang gelombang (λ) yang jauh lebih kecil dari lebar celah (a), maka sin θ = θ, sehingga persamaan di atas dapat kita tuliskan: mλ (m = ±1, ±2, ±3, …..) θ= a

CONTOH SOAL • Jika cahaya 520 nm jatuh pada celah yang lebarnya 0,0440 mm, maka berapakah lebar anguler puncak difraksi pusat? • Cahaya dengan panjang gelombang 440 nm jatuh pada celah yang lebarnya 3,50 x 10-3 mm. Berapa jauh dari maksimum pusat akan terdapat pinggiran maksimum difraksi yang pertama jika layar berjarak 10,0 m?

Polarisasi • Salah satu fenomena cahaya yang penting dan bermanfaat dalam kehidupan kita adalah polarisasi. • Polarisasi hanya terjadi pada gelombang transversal, dan tidak terjadi pada gelombang longitudinal. • Gelombang cahaya dapat terpolarisasi karena gelombang cahaya adalah gelombang transversal, sedangkan gelombang bunyi tidak dapat terpolarisasi karena gelombang bunyi termasuk gelombang longitudinal

Polarisasi • Teori Maxwell mengenai cahaya, yaitu cahaya sebagai gelombang elektromagnetik (EM) meramalkan bahwa cahaya dapat terpolarisasi karena gelomabang EM merupakan gelombang transversal. • Arah polarisasi pada gelombang EM yang terpolarisasi bidang diambil sebagai arah vektor medan listrik.

Polarisasi • Cahaya terpolarisasi bidang, bisa kita peroleh dari cahaya yang tidak terpolarisasi dengan menggunakan polaroid. • Jika satu berkas cahaya terpolarisasi bidang, jatuh pada polaroid yang sumbunya membentuk sudut θ terhadap arah polarisasi datang, maka berkas cahaya akan terpolarisasi bidang yang pararel dengan sumbu polaroid dan amplitudonya berkurang sebesar cos θ

Polarisasi

Polarisasi Intensitas cahaya sebanding dengan kuadarat amplitudo, sehingga intensitas cahaya terpolarisasi bidang yang diteruskan oleh polaroid adalah

I = I o cos θ 2

dimana θ adalah sudut antara sumbu polaroid dengan bidang polarisasi, sedangkan Io adalah intensitas cahaya datang.

Polarisasi Ketika dua polaroid disilangkan, cahaya yang tidak terpolarisasi dapat diberhentikan sama sekali

CONTOH SOAL • Sumbu–sumbu dua alat polarisasi membentuk sudut 70º satu sama lain. Cahaya yang tidak terpolarisasi jatuh pada keduanya. Berapa bagian intensitas cahaya yang ditransmisikan? • Dua polaroid diatur sedemikian rupa sehingga cahaya yang melewati mereka, maksimum. Dengan sudut berapa salah satunya harus diletakkan sehingga intensitas sesudahnya diperkecil menjadi setengahnya?