OPTIK GEOMETRIK
Pengertian Optika
Optika
merupakan cabang ilmu fisika yang mempelajari tentang konsep cahaya.
Bahasan optika terbagi ke dalam 2 bagianm yaitu Optika Geometris dan
Optika Fisis.
Optika Geometris membahas tentang
pemantulan dan pembiasan. Sedangkan Optika Fisis membahas tentang
Sifat-sifat cahaya, interferensi cahaya, hakikat cahaya dan pemanfaatan
sifat-sifat cahaya.
Sifat cahaya sama dengan sifat
gelombang elektromagnetik. Cahaya dan gelombang elektromagnetik dapat
merambat dalam ruang vakum (ruang hampa).
Pemantulan (Refleksi)
Ada 3 buah bentuk cermin pemantul, yaitu : cermin datar, cermin cekung dan cermin cembung. Pada
ketiga cermin itu berlaku persamaan umum yang digunakan untuk
menghitung jarak bayangan (s`) dari suatu benda yang terletak pada jarak
tertentu (s) dari cermin itu.
s = jarak benda
s’ = jarak bayangan
f = jarak titk api (fokus)
sedang pembesarannya :
h’ = tinggi (besar) bayangan
h = tinggi (besar) benda
Catatan :
- Pemakaian persamaan umum tersebut, harus tetap memperhatikan perjanjian tanda.
- Bila s` menghasilkan harga negatip, berarti bayangan maya, sebaliknya jika positip, berarti bayangan nyata.
- Bila bayangan benda bersifat maya, berarti bayangan tegak terhadap bendanya.
a. Cermin Datar
Permukaan datar dapat dianggap permukaan sferis dengan R = ∞
Jadi, jarak titik api (focus) untuk permukaan datar ialah :
Sehingga pemakaian persamaan umum menjadi sebagai
Sedang pembesarannya:
Sifat-sifat bayangan pada cermin datar :
1. Bayangan bersifat maya, terletak di belakang cermin bayangan tegak
2. Jarak bayangan = jarak benda
3. Tinggi benda = tinggi bayangan
4. Bayangan tegak
b. Cermin cekung (cermin konkaf) (+)
Beberapa hal yang harus diingat tentang cermin cekung adalah:
- Titik focus di depan cermin, maka disebut cermin positif
- Sinar pantul bersifat mengumpul (konvergen)
- sifat bayangan tergantung leta
c. Cermin cembung (cermin konveks) (-)
Beberapa hal yang harus diingat tentang cermin cembung adalah:
- Titik focus di belakang cermin, maka disebut cermin negatif
- Sinar pantul bersifat menyebar (divergen)
- sifat bayangan : diperkecil, maya, tegak
b. Cermin gabungan
Bila
kita letakkan dua cermin, cermin I dan cermin II dengan bidang
pemantulan saling berhadapan dan sumbu utamanya berimpit dan bayangan
yang dibentuk oleh cermin I merupakan
benda oleh cermin II maka kita dapatkan hubungan :
d = jarak antara kedua cermin
1. Pembiasan (Refraksi)
“Pembelokan cahaya sehubungan dengan perubahan kecepatan rambat dari suatu medium ke medium lain disebut pembiasan (refraksi)”
Indeks bias (n)
Indeks bias mutlak satu medium
c = laju cahaya di hampa
= laju cahaya di medium
= panjang gelombang di hampa
= panjang gelombang di medium
Indeks bias relatif medium 2 terhadap medium 1
n1 = indeks bias mutlak medium 1
n2 = indeks bias mutlak medium 2
Hukum Pembiasan
- sinar datang, garis normal, dan sinar bias terletak pada
suatu bidang datar.
- sesuai dengan hukum Snellius
Pembiasan pada bidang lengkung
Suatu benda sejauh s dari bidang lengkung akan menghasilkan bayangan sejauh s’ dari bidang yang sama.
Cembung : R > 0
Cekung : R <>
SUHU DAN KALOR
Sebagaimana kita ketahui bahwa suatu benda bisa berada dalam wujud padat, cair dan gas.
Sekarang malah telah diketahui pula bahwa suatu benda bisa berada dalam wujud �plasma�
yaitu suatu keadaan dimana benda gas, atom-atomnya sudah terionisasi semua dalam keadaan
bebas. Disini wujud plasma itu tidak akan diuraikan karena seluk-beluknya cukup luas dan
merupakan salah satu cabang ilmu fisika yang cukup berkembang.
Selanjutnya kita mendefinisikan suatu besaran yang dinamakan �kalor� yang merupakan suatu kuantitas
panas dinyatakan dalam satuan kalori. Dalam hal ini satu kalori didefinisikan sebagai
)kuantitas panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu satu gram air murni (H2o
dari 19,5oC.Selanjutnya menurut penyelidikan yang dilakukan oleh Joule bila tenaga
mekanik yang diberikan pada suatu sistem dapat diisolir sedemikian rupa sehingga
tak ada tenaga yng hilang, maka dari hasil eksperimen itu tenaga mekanik 4,2 joule
setara dengan 1 kalori.Jadi kalau kita mengubah satuan tenaga kedalam satuan kalori
maka perbandingannya adalah 4,2 joule = 1 kalori.
Setelah definisi satuan panas kita
definisikan maka segera kita dapat merumuskan sangkutan antara kuantitas kalor dengan
perubahan suhu.Dalam hal ini andaikan kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu m gram
suatu benda dari t0 ke t1 = t0 + t, kita lambangkan dengan Q, maka:
Dengan demikian kita dapat mendefinisikan
Sebagai "kalor jenis" suatu benda.Jadi nyatalah bahwa besarnya klor yang diserap
suatu benda jika suhunya dinaikan sebesar t adalah:
(9.4)
Perlu kita catat disini bahwa besaran mc pada persamaan (9.4) sering
dinamakan �harga air kalorimeter� yang mempunyai satuan.
Gambar 9.1 Grafik Perubahan Wujud Air
Sekarang kalau kita tinjau grafik perubahan wujud air (H2O) dalam
bidang ( t, Q ) maka diagramnya akan tampak seperti Gambar 9.1. Pada diagram
tersebut tampak dengan jelas bahwa suhu benda tidak berubah namun terjadi perubahan kalor.
Pada peralihan tersebut jumlah kalor (Q) sebanding dengan massa benda (m) dengan demikian menurut
grafik diatas.
Qo � Qc = Q ( penguapan air )= u m (9.5)
Dimana u = panas penguapan / pengembunan air, dan
Q1 � Qo = Q ( peleburan es ) = L m
Dimana L = panas peleburan / pembekuan air.
Perlu dicatat disini bahwa dalam praktek untuk keperluan perhitungan yang tidak teliti
biasanya diambil u = 540 kalori/gram dan L = 80 kalori/gram. Patut dicatat disini bahwa
dalam proses perubahan benda dari fasa yang satu kefasa lain ditandai dengan jumlah kalor
tertentu. Hal ini perlu diperingatkan bahwa dalam suatu proses yang berlangsung secara
sinambung (seperti pada proses pembuatan garam) perubahan wujud itu sebenarnya tidak mesti
dikaitkan dengan suhu tertentu. Yang penting jumlah kalor yang telah diserap dalam proses
yang bersangkutan sesuai dengan keperluan perubahan wujud tersebut.
Selain itu seperti telah disinggung
pada uraian lalu bahwa dua buah sistem yang mempunyai
kalor yang berbeda, maka apabila kedua sistem dalam keadaan berkontakan
satu sama lain akan ternyata bahwa keadaan setimbang kedua sistem
tersebut akan mempunyai kalori yang sama. Menurut pernyataan ini suatu
sistem yang kalornya besar akan memberikan kalornya kepada sistem yang
lain yang lebih rendah kalornya bila keduanya berkontakan. Perpindahan
kalor tersebut akan berlangsung terus kepihak yang rendah kalornya
sampai pada akhirnya kedua sistem sudah sama kalornya. Azaz ini penting
sekali artinya dalam kalorimetri. Tentu saja dalam proses kontakan
antara kedua sistem yang berkontakan itu haruslah terisolir terhadap
sistem lainnya sedemikian tidak ada proses perpindahan kalor kecuali
antara kedua sistem yang bersangkutan.
Contoh 2 :
Sepotong aluminium ( C = 0,21 kal/groC) dengan massa 20 gram bersuhu 90oC dijatuhkan pada balok es besar bersuhu 0oC. Berapakah es dapat dilebur oleh potongan aluminium itu?
Jawab :
Kalor lebur es = 80 kal/gr.
Kalor yang dilepaskan aluminium :
Q1 = (m Ct)Al
= ( 20 gr )(0,21 kal/groC)(90oC) = 378 kalori
Kalor yang diterima es :
Q2 = L m = ( 80 kal/gr)(m)
Azaz Black :
Q1 = Q2
378 kal = 80 m kal
m = 378/80 = 4,7 gram
LISTRIK DINAMIS
Listrik Dinamis adalah listrik
yang dapat bergerak. cara mengukur kuat arus pada listrik dinamis adalah
muatan listrik dibagai waktu dengan satuan muatan listrik adalah
coulumb dan satuan waktu adalah detik. kuat arus pada rangkaian
bercabang sama dengan kuata arus yang masuk sama dengan kuat arus yang
keluar. sedangkan pada rangkaian seri kuat arus tetap sama disetiap
ujung-ujung hambatan. Sebaliknya tegangan berbeda pada hambatan. pada
rangkaian seri tegangan sangat tergantung pada hambatan, tetapi pada
rangkaian bercabang tegangan tidak berpengaruh pada hambatan. semua itu
telah dikemukakan oleh hukum kirchoff yang berbunyi "jumlah kuat arus
listrik yang masuk sama dengan jumlah kuat arus listrik yang keluar".
berdasarkan hukum ohm dapat disimpulkan cara mengukur tegangan listrik
adalah kuat arus × hambatan. Hambatan nilainya selalu sama karena
tegangan sebanding dengan kuat arus. tegangan memiliki satuan volt(V)
dan kuat arus adalah ampere (A) serta hambatan adalah ohm.
Hukum Ohm
Aliran arus listrik dalam suatu rangkaian tidak berakhir pada alat
listrik. tetapi melingkar kernbali ke sumber arus. Pada dasarnya alat
listrik bersifat menghambat alus listrik. Hubungan antara arus listrik,
tegangan, dan hambatan dapat diibaratkan seperti air yang mengalir pada
suatu saluran. Orang yang pertama kali meneliti hubungan antara arus
listrik, tegangan. dan hambatan adalah
Georg Simon Ohm (1787-1854) seorang ahli fisika Jerman. Hubungan tersebut lebih dikenal dengan sebutan hukum Ohm.
Setiap
arus yang mengalir melalui suatu penghantar selalu mengalami hambatan.
Jika hambatan listrik dilambangkan dengan R. beda potensial V, dan kuat
arus I, hubungan antara R, V, dan I secara matematis dapat ditulis:
Sebuah penghantar dikatakan mempunyai nilai hambatan 1 Ω jika
tegangan 1 V di antara kedua ujungnya mampu mengalirkan arus listrik
sebesar 1 A melalui konduktor itu. Data-data percobaan hukum Ohm dapat
ditampilkan dalam bentuk grafik seperti gambar di samping. Pada
pelajaran Matematika telah diketahui bahwa kemiringan garis merupakan
hasil bagi nilai-nilai pada sumbu vertikal (ordinat) oleh nilai-nilai
yang bersesuaian pada sumbu horizontal (absis). Berdasarkan grafik,
kemiringan garis adalah α = V/T Kemiringan ini tidak lain adalah nilai
hambatan (R). Makin besar kemiringan berarti hambatan (R) makin besar.
Artinya, jika ada suatu bahan dengan kemiringan grafik besar. bahan
tersebut makin sulit dilewati arus listrik. Komponen yang khusus dibuat
untuk menghambat arus listrik disebut resistor (pengharnbat). Sebuah
resistor dapat dibuat agar mempunyai nilai hambatan tertentu. Jika
dipasang pada rangkaian sederhana, resistor berfungsi untuk mengurangi
kuat arus. Namun, jika dipasang pada rangkaian yang
rumit, seperti
radio, televisi, dan komputer, resistor dapat berfungsi sebagai pengatur
kuat arus. Dengan demikian, komponen-komponen dalam rangkaian itu dapat
berfungsi dengan baik. Resistor sederhana dapat dibuat dari bahan
nikrom (campuran antara nikel, besi. krom, dan karbon). Selain itu,
resistor juga dapat dibuat dari bahan karbon. Nilai hambatan suatu
resistor dapat diukur secara langsung dengan ohmmeter. Biasanya,
ohmmeter dipasang hersama-sama dengan amperemeter dan voltmeter dalam
satu perangkat yang disebut multimeter. Selain dengan ohmmeter, nilai
hambatan resistor dapat diukur secara tidak langsung dengan metode
amperemeter voltmeter.
Hambatan Kawat Penghantar
Berdasarkan percobaan di atas. dapat disimpulkan bahwa besar hambatan
suatu kawat penghantar 1. Sebanding dengan panjang kawat penghantar.
artinya makin panjang penghantar, makin besar hambatannya, 2. Bergantung
pada jenis bahan kawat (sebanding dengan hambatan jenis kawat), dan 3.
berbanding terbalik dengan luas penampang kawat, artinya makin kecil
luas penampang, makin besar hambatannya. Jika panjang kawat dilambangkan
ℓ, hambatan jenis ρ, dan luas penampang kawat A. Secara matematis,
besar hambatan kawat dapat ditulis :
Nilai hambatan suatu penghantar tidak bergantung pada beda
potensialnya. Beda potensial hanya dapat mengubah kuat arus yang melalui
penghantar itu. Jika penghantar yang dilalui sangat panjang, kuat
arusnya akan berkurang. Hal itu terjadi karena diperlukan energi yang
sangat besar untuk mengalirkan arus listrik pada penghantar panjang.
Keadaan seperti itu dikatakan tegangan listrik turun. Makin panjang
penghantar, makin besar pula penurunan tegangan listrik.
Hukum Kirchoff
Arus listrik yang melalui suatu penghantar dapat kita pandang sebagai
aliran air sungai. Jika sungai tidak bercabang, jumlah air di setiap
tempat pada sungai tersebut sama. Demikian halnya dengan arus listrik.
Jumlah kuat arus yang masuk ke suatu titik percabangan sama
dengan jumlah kuat arus yang keluar dari titik percabangan tersebut.
Pernyataan itu sering dikenal sebagai hukum I Kirchhoff karena
dikemukakan pertama kali oleh Kirchhoff.
Maka diperoleh persamaan :
I1 + I2 = I3 + I4 + I5
I masuk = I keluar
Rangkaian Hambatan
Berdasarkan hukum Ohm: V = IR, pada hambatan R
1 terdapat teganganV
1 =IR
1 dan pada hambatan R
2 terdapat tegangan V
2 = IR
2. Karena arus listrik mengalir melalui hambatan R
1 dan hambatan R
2, tegangan totalnya adalah V
AC = IR
1 + IR
2.
Mengingat
VAC merupakan tegangan total dan kuat arus listrik yang mengalir pada
rangkaian seperti di atas (rangkaian tak bercabang) di setiap titik sama
maka
V
AC = IR
1 + IR
2I R
1 = I(R
1 + R
2)
R
1 = R
1 + R
2 ; R
1 = hambatan total
Rangkaian seperti di atas disebut rangkaian seri. Selanjutnya, R
1 ditulis R
s (R seri) sehingga R
s = R
1 + R
2 +...+R
n,
dengan n = jumlah resistor. Jadi, jika beberapa buah hambatan dirangkai
secara seri, nilai hambatannya bertambah besar. Akibatnya, kuat arus
yang mengalir makin kecil. Hal inilah yang menyebabkan nyala lampu
menjadi kurang terang (agak redup) jika dirangkai secara seri. Makin
banyak lampu yang dirangkai secara seri, nyalanya makin redup. Jika satu
lampu mati (putus), lampu yang lain padam.
Mengingat hukum Ohm: I = V/R dan I = I
1+ I
2, maka
Pada rangkaian seperti di atas (rangkaian bercabang), V
AB =V
1 = V
2 = V. Dengan demikian, diperoleh persamaan
Rangkaian yang menghasilkan persamaan seperti di atas disebut rangkaian paralel. Oleh karena itu, selanjutnya R
t ditulis R
p (R
p = R
paralel). Dengan demikian, diperoleh persamaan
Berdasarkan persamaan di atas, dapat disimpulkan bahwa dalam rangkaian paralel, nilai hambatan total (R
p) lebih kecil dari pada nilai masing-masing hambatan penyusunnya (R
1 dan R
2).
Oleh karena itu, beberapa lampu yang disusun secara paralel sama
terangnya dengan lampu pada intensitas normal (tidak mengalami
penurunan). Jika salah satu lampu mati (putus), lampu yang lain tetap
menyala.
GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
SPEKTRUM
GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
Susunan semua bentuk gelombang elektromagnetik berdasarkan panjang gelombang
dan frekuensinya disebut spektrum elektromagnetik. Gambar spectrum
elektromagnetik di bawah disusun berdasarkan panjang gelombang (diukur dalam
satuan _m) mencakup kisaran energi yang sangat rendah, dengan panjang gelombang
tinggi dan frekuensi rendah, seperti gelombang radio sampai ke energi yang
sangat tinggi, dengan panjang gelombang rendah dan frekuensi tinggi seperti
radiasi X-ray dan Gamma Ray.
Contoh spektrum elektromagnetik:
Gelombang Radio
Gelombang radio dikelompokkan menurut panjang gelombang atau frekuensinya. Jika
panjang gelombang tinggi, maka pasti frekuensinya rendah atau sebaliknya.
Frekuensi gelombang radio mulai dari 30 kHz ke atas dan dikelompokkan
berdasarkan lebar frekuensinya. Gelombang radio dihasilkan oleh muatan-muatan
listrik yang dipercepat melalui kawat-kawat penghantar. Muatan-muatan ini
dibangkitkan oleh rangkaian elektronika yang disebut osilator. Gelombang radio
ini dipancarkan dari antena dan diterima oleh antena pula. Kamu tidak dapat
mendengar radio secara langsung, tetapi penerima radio akan mengubah terlebih
dahulu energi gelombang menjadi energi bunyi.
Gelombang mikro
Gelombang mikro (mikrowaves) adalah gelombang radio dengan frekuensi paling
tinggi yaitu diatas 3 GHz. Jika gelombang mikro diserap oleh sebuah benda, maka
akan muncul efek pemanasan pada benda itu. Jika makanan menyerap radiasi
gelombang mikro, maka makanan menjadi panas dalam selang waktu yang sangat
singkat. Proses inilah yang dimanfaatkan dalam microwave oven untuk memasak
makanan dengan cepat dan ekonomis.
Gelombang mikro juga dimanfaatkan pada pesawat RADAR (Radio Detection and
Ranging) RADAR berarti mencari dan menentukan jejak sebuah benda dengan
menggunakan gelombang mikro. Pesawat radar memanfaatkan sifat pemantulan
gelombang mikro. Karena cepat rambat glombang elektromagnetik c = 3 X 108 m/s,
maka dengan mengamati selang waktu antara pemancaran dengan penerimaan.
Sinar Inframerah
Sinar inframerah meliputi daerah frekuensi 1011Hz sampai 1014 Hz atau daerah
panjang gelombang 10-4 cm sampai 10-1 cm. jika kamu memeriksa spektrum yang
dihasilkan oleh sebuah lampu pijar dengan detektor yang dihubungkan pada
miliampermeter, maka jarum ampermeter sedikit diatas ujung spektrum merah.
Sinar yang tidak dilihat tetapi dapat dideteksi di atas spektrum merah itu
disebut radiasi inframerah.
Sinar infamerah dihasilkan oleh elektron dalam molekul-molekul yang bergetar
karena benda diipanaskan. Jadi setiap benda panas pasti memancarkan sinar
inframerah. Jumlah sinar inframerah yang dipancarkan bergantung pada suhu dan
warna benda.
Cahaya tampak
Cahaya tampak sebagai radiasi elektromagnetik yang paling dikenal oleh kita
dapat didefinisikan sebagai bagian dari spektrum gelombang elektromagnetik yang
dapat dideteksi oleh mata manusia. Panjang gelombang tampak nervariasi
tergantung warnanya mulai dari panjang gelombang kira-kira 4 x 10-7 m untuk
cahaya violet (ungu) sampai 7x 10-7 m untuk cahaya merah. Kegunaan cahaya salah
satunya adlah penggunaan laser dalam serat optik pada bidang telekomunikasi dan
kedokteran.
Sinar ultraviolet
Sinar ultraviolet mempunyai frekuensi dalam daerah 1015 Hz sampai 1016 Hz atau
dalam daerah panjang gelombagn 10-8 m 10-7 m. gelombang ini dihasilkan oleh
atom dan molekul dalam nyala listrik. Matahari adalah sumber utama yang
memancarkan sinar ultraviolet dipermukaan bumi,lapisan ozon yang ada dalam
lapisan atas atmosferlah yang berfungsi menyerap sinar ultraviolet dan
meneruskan sinar ultraviolet yang tidak membahayakan kehidupan makluk hidup di
bumi.
Sinar X
Sinar X mempunyai frekuensi antara 10 Hz sampai 10 Hz . panjang gelombangnya
sangat pendek yaitu 10 cm sampai 10 cm. meskipun seperti itu tapi sinar X
mempunyai daya tembus kuat, dapat menembus buku tebal, kayu tebal beberapa
sentimeter dan pelat aluminium setebal 1 cm.
Sinar Gamma
Sinar gamma mempunyai frekuensi antara 10 Hz sampai 10 Hz atau panjang
gelombang antara 10 cm sampai 10 cm. Daya tembus paling besar, yang menyebabkan
efek yang serius jika diserap oleh jaringan tubuh.
Contoh penerapan gelombang elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari :
a. Radio
Radio energi adalah bentuk level energi elektromagnetik terendah, dengan
kisaran panjang gelombang dari ribuan kilometer sampai kurang dari satu meter.
Penggunaan paling banyak adalah komunikasi, untuk meneliti luar angkasa dan
sistem radar. Radar berguna untuk mempelajari pola cuaca, badai, membuat peta
3D permukaan bumi, mengukur curah hujan, pergerakan es di daerah kutub dan
memonitor lingkungan. Panjang gelombang radar berkisar antara 0.8 – 100cm
b. Microwave
Panjang gelombang radiasi microwave berkisar antara 0.3 – 300 cm. Penggunaannya
terutama dalam bidang komunikasi dan pengiriman informasi melalui ruang
terbuka, memasak, dan sistem PJ aktif. Pada sistem PJ aktif, pulsa microwave
ditembakkan kepada sebuah target dan refleksinya diukur untuk mempelajari
karakteristik target. Sebagai contoh aplikasi adalah Tropical Rainfall
Measuring Mission’s (TRMM) Microwave Imager (TMI), yang mengukur radiasi
microwave yang dipancarkan dari Spektrum elektromagnetik Energi elektromagnetik
atmosfer bumi untuk mengukur penguapan, kandungan air di awan dan intensitas
hujan.
c. Infrared
Kondisi-kondisi kesehatan dapat didiagnosis dengan menyelidiki pancaran
inframerah dari tubuh. Foto inframerah khusus disebut termogram digunakan untuk
mendeteksi masalah sirkulasi darah, radang sendi dan kanker. Radiasi inframerah
dapat juga digunakan dalam alarm pencuri. Seorang pencuri tanpa
sepengetahuannya akan menghalangi sinar dan menyembunyikan alarm. Remote
control berkomunikasi dengan TV melalui radiasi sinar inframerah yang
dihasilkan oleh LED ( Light Emiting Diode ) yang terdapat dalam unit, sehingga
kita dapat menyalakan TV dari jarak jauh dengan menggunakan remote control.
d. Ultraviolet
Sinar UV diperlukan dalam asimilasi tumbuhan dan dapat membunuh kuman-kuman
penyakit kulit.
e. Sinar X
Sinar X ini biasa digunakan dalam bidang kedokteran untuk memotret kedudukan
tulang dalam badan terutama untuk menentukan tulang yang patah. Akan tetapi
penggunaan sinar X harus hati-hati sebab jaringan sel-sel manusia dapat rusak
akibat penggunaan sinar X yang terlalu lama.