LAPORAN PERCOBAAN FISIKA DASAR

Transkripsi

1 LAPORAN PERCOBAAN FISIKA DASAR Nama : Rita Yulianda NPM : Group Fakultas/Departemen Nomor Percobaan Nama Percobaan : B17 : Teknik/ Teknik Kimia : OR03 : Distribusi Intensitas Difraksi Unit Pelaksanaan Pendidikan Ilmu Pengetahuan Dasar (UUP-IPD) Universitas Indonesia 2010

2 Distribusi Intensitas Difraksi I. Tujuan Percobaan Mempelajari distribusi intensitas pola difraksi pada celah tunggal II. Teori Difraksi adalah penyebaran gelombang, contohnya cahaya, karena adanya halangan. Semakin kecil halangan, penyebaran gelombang semakin besar. Hal ini bisa diterangkan oleh prinsip Huygens. Pada animasi pada gambar sebelah kanan atas terlihat adanya pola gelap dan terang, hal itu disebabkan wavelet-wavelet baru yang terbentuk di dalam celah sempit tersebut saling berinterferensi satu sama lain. Untuk menganalisa atau mensimulasikan pola-pola tersebut, dapat digunakan Transformasi Fourier atau disebut juga dengan Fourier Optik. Difraksi cahaya berturut-turut dipelajari antara lain oleh: Isaac Newton dan Robert Hooke pada tahun 1660, sebagai inflexion dari partikel cahaya yang sekarang dikenal sebagai cincin Newton. [1] Francesco Maria Grimaldi pada tahun 1665 dan didefinisikan sebagai hamburan fraksi gelombang cahaya ke arah yang berbeda-beda. Istilah yang digunakan saat itu mengambil bahasa Latin diffringere yang berarti to break into pieces. [2][3][4] James Gregory pada tahun 1673 dengan mengamati pola difraksi pada bulu burung [5] yang kemudian didefinisikan sebagai diffraction grating. [6] Thomas Young pada tahun 1803 dan sebagai fenomena interferensi gelombang cahaya. Dari percobaan yang mengamati pola interferensi pada dua celah kecil yang berdekatan, [7] Thomas Young menyimpulkan bahwa kedua celah tersebut lebih merupakan dua sumber gelombang yang berbeda daripada partikel (en:corpuscles). [8] Augustin Jean Fresnel pada tahun 1815 [9] dan tahun 1818 [10], dan menghasilkan perhitungan matematis yang membenarkan teori gelombang cahaya yang dikemukakan

3 sebelumnya oleh Christiaan Huygens [11] pada tahun 1690 hingga teori partikel Newton mendapatkan banyak sanggahan. Fresnel mendefinisikan difraksi dari eksperimen celah ganda Young sebagai interferensi gelombang [12] dengan persamaan: mλ = asinθ dimana a adalah jarak antara dua sumber muka gelombang, θ adalah sudut yang dibentuk antara fraksi muka gelombang urutan ke-m dengan sumbu normal muka gelombang fraksi mula-mula yang mempunyai urutan maksimum m = 0. [13]. Difraksi Fresnel kemudian dikenal sebagai near-field diffraction, yaitu difraksi yang terjadi dengan nilai m relatif kecil. Richard C. MacLaurin pada tahun 1909, dalam monographnya yang berjudul Light [14], menjelaskan proses perambatan gelombang cahaya yang terjadi pada difraksi Fresnel jika celah difraksi disoroti dengan sinar dari jarak jauh. Joseph von Fraunhofer dengan mengamati bentuk gelombang difraksi yang perubahan ukuran akibat jauhnya bidang pengamatan. [15][16] Difraksi Fraunhofer kemudian dikenal sebagai far-field diffraction. Francis Weston Sears pada tahun 1948 untuk menentukan pola difraksi dengan menggunakan pendekatan matematis Fresnel [17]. Dari jarak tegak lurus antara celah pada bidang halangan dan bidang pengamatan serta dengan mengetahui besaran panjang gelombang sinar insiden, sejumlah area yang disebut zona Fresnel (en:fresnel zone) atau half-period elements dapat dihitung. Difraksi Fresnel Gambar 1. Geometri difraksi dengan sistem koordinat antara celah pada bidang halangan dan citra pada bidang pengamatan.

4 Difraksi Fresnel adalah pola gelombang pada titik (x,y,z) dengan persamaan: (1) dimana: (2) is the satuan imajiner. Difraksi Fraunhofer Dalam teori difraksi skalar (en:scalar diffraction theory), Difraksi Fraunhofer adalah pola gelombang yang terjadi pada jarak jauh (en:far field) menurut persamaan integral difraksi Fresnel sebagai berikut: (3) Persamaan di atas menunjukkan bahwa pola gelombang pada difraksi Fresnel yang skalar menjadi planar pada difraksi Fraunhofer akibat jauhnya bidang pengamatan dari bidang halangan. Difraksi celah tunggal Gambar 2. Pendekatan numerik dari pola difraksi

5 Sebuah celah panjang dengan lebar infinitesimal akan mendifraksi sinar cahaya insiden menjadi deretan gelombang circular, dan muka gelombang yang lepas dari celah tersebut akan berupa gelombang silinder dengan intensitas yang uniform. Secara umum, pada sebuah gelombang planar kompleks yang monokromatik dengan panjang gelombang &lambda yang melewati celah tunggal dengan lebar d yang terletak pada bidang x -y, difraksi yang terjadi pada arah radial r dapat dihitung dengan persamaan: (4) dengan asumsi sumbu koordinaat tepat berada di tengah celah, x akan bernilai dari hingga, dan y dari 0 hingga. Jarak r dari celah berupa: (5) (6) Sebuah celah dengan lebar melebihi panjang gelombang akan mempunyai banyak sumber titik (en:point source) yang tersebar merata sepanjang lebar celah. Cahaya difraksi pada sudut tertentu adalah hasil interferensi dari setiap sumber titik dan jika fasa relatif dari interferensi ini bervariasi lebih dari 2π, maka akan terlihat minima dan maksima pada cahaya difraksi tersebut. Maksima dan minima adalah hasil interferensi gelombang konstruktif dan destruktif pada interferensi maksimal. Difraksi Fresnel/difraksi jarak pendek yang terjadi pada celah dengan lebar empat kali panjang gelombang, cahaya dari sumber titik pada ujung atas celah akan berinterferensi destruktif dengan sumber titik yang berada di tengah celah. Jarak antara dua sumber titik tersebut adalah λ / 2.

6 Berkas sinar paralel yang monokromatik dengan panjang gelombang θ saat melewati suatu celah tunggal dengan lebar a dapat mengalami difraksi. Pola difraksi yang terjadi seperti ditunjukkan pada Gbr. 3 Gbr. 3. Pola distribusi intensitas difraksi untuk celah tunggal Distribusi intensitas cahaya dari pola difraksi yang terjadi dapat dinyatakan dengan persamaan Kirchoff dimana adalah intensitas difraksi pada sudut θ, adalah intensitas maksimum utama (m = 0) dan Intensitas minimum akan terjadi bila

7 sehingga dengan n=1,2,3... Dengan demikian letak intensitas minimum dapat ditentukan terjadi pada Untuk Intensitas maksimum selain maksimum utama (m = 0) akan terlatak disekitar pertengahan dua intensitas minimum sehingga dapat dinyatakan dengan m = 1,2,3,... Dengan demikian maka persamaan sebelumnya untuk pola difraksi yang menghasilkan intensitas maksimum dapat dituliskan menjadi

8 dengan m = 1,2,3,... Sebagai contoh, untuk m=1 diperoleh Iθ1 = Io sedangkan untuk m=2 akan diperoleh Iθ2 = Io, dan seterusnya. III. Peralatan 1 buah piranti laser dan catu daya 1 buah piranti pemilih otomatis celah tunggal ( a = (125 ± 1 ) x 10 ³ mm ) 1 buah piranti scaner beserta detektor fotodioda 1 buah camcorder 1 buah unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis Gambar 4. Peralatan Percobaan Distribusi Intensitas Difraksi IV. Cara Kerja

9 Eksperimen pengukuran panjang gelombang sinar laser dengan menggunakan kisi difraksi pada rlab ini dapat dilakukan dengan meng-klik tombol link rlab di halaman jadual. Langkah kerja eksperimen harus mengikuti prosedur yang telah ditentukan. Penyetingan peralatan rlab berlangsung secara otomatis ketika praktikan menjalankan prosedur kerja. V. Data Percobaan Posisi (mm) Intensitas

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38 VI. Pengolahan Data 1. Grafik Intensitas terhadap posisi (mm) dari data percobaan yaitu

39 2. Posisi terang pusat dengan intensitas 4,16 terletak pada posisi 181,72 mm (lihat pada table data percobaan). Posisi intensitas minimum ( menggunakan persamaan Dimana panjang gelombang dapat kita hitung dari data-data percobaan. Dari terang pusat (intensitas 4,16) kita dapat melihat dua intensitas berdekatan (di atas dan di bawah terang pusat), yaitu pada posisi 183,48 mm dan 179,96 mm. Jarak dua tempat tersebut dengan terang pusat juga sama-sama 1,76 mm (183,48 mm - 181,72 mm = 181,72 mm 179,96

40 mm = 1,76 mm). Kita dapat menetukan basis 1,76 sebagai x, yaitu jarak orde pertama ke terang pusat. Dengan begitu kita dapat mencar panjang gelombang dengan persamaan Dimana, karena Maka panjang gelombang, pada orde pertama (basis) adalah Jarak intensitas minimum orde pertama ( ) Jarak intensitas minimum orde kedua ( ) Jarak intensitas minimum orde ketiga ( )

41 Jarak intensitas minimum orde keempat ( ) Jarak intensitas minimum orde kelima ( ) Jarak intensitas minimum orde keenam ( ) Jarak intensitas minimum orde ketujuh ( ) Jarak intensitas minimum orde kedelapan ( ) Jarak intensitas minimum orde kesembilan ( )

42 Jarak intensitas minimum orde kesepuluh ( ) Perhitungan posisi orde selanjutnya dapat dihitung dengan cara yang sama. 3. Dari data percobaan kita mengambil data-data sekitar terang pusat Posisi (mm) Intensitas Orde

43

44 Dari tabel terlihat (rata-rata orde yang sama) Intensitas terang pusat = 4,16 Intensitas maksimum orde pertama = 3,515 Intensitas maksimum orde kedua = 2,06 Intensitas maksimum orde ketiga = 0,8 Intensitas maksimum orde keempat = 0,25 Intensitas maksimum orde kelima = 0,19 Intensitas maksimum orde keenam = 0,185 Intensitas maksimum orde ketujuh = 0,11 4. Intensitas maksimum secara teoritis dapat dihitung dengan persamaan Intensitas maksimum orde pertama ( m = 1)

45 Intensitas maksimum orde kedua ( m = 2) Intensitas maksimum orde ketiga ( m = 3) Intensitas maksimum orde keempat ( m = 4) Intensitas maksimum orde kelima ( m = 5) Intensitas maksimum orde keenam ( m = 6)

46 Intensitas maksimum orde ketujuh ( m = 7) Sehingga dapat dibuat tabel intensitas maksimum orde pertama sampai orde ke tujuh Orde Intensitas Maksimum Percobaan Intensitas Maksimum Teoritis 1 3,515 0, ,06 0, ,8 0, ,25 0, ,19 0, ,185 0,01 7 0,11 0,0075 VII. Analisa a. Analisa Percobaan Percobaan Distribusi Intensitas Difraksi ini menggunakan system r-lab, percobaan menggunakan sitem online dimana kamera perekam langsung terhubung pada alat eksperimen dan praktikan mengaksesnya melalui jaringan internet. Eksperimen pengukuran panjang gelombang sinar laser dengan menggunakan kisi difraksi pada rlab ini dapat dilakukan dengan meng-klik tombol link rlab di halaman jadual. Langkah kerja

47 eksperimen harus mengikuti prosedur yang telah ditentukan. Penyetingan peralatan rlab berlangsung secara otomatis ketika praktikan menjalankan prosedur kerja. Percobaan ini dilakukan dengan melewatkan sinar laser ke sebuah kisi tunggal yang dengan luas a yaitu sebesar 125 x 10-3 mm. Cahaya laser yang berupa cahaya monokromatik itu sebagian diteruskan (dengan sejajar) dan sebagan lagi dibelokkan ke atas atau bawah (dapat juga ke kiri atau kanan, tergantung posisi alat). Pada layar terbentuk pola gelap terang yang intensitasnya pada jarak tertentu (dari ujung layar) ditampilkan otomatis pada system r-lab ini. b. Analisa Hasil Hasil dari percobaan ini adalah letak intensitas minimum atau pita gelap pada orde tertentu dan juga intensitas maksimum pada orde tertentu. Praktikan terlebih dahulu memplot data percobaan ke dalam grafik intensitas terhadap posisi (mm). Dari grafik ini kita dapat melihat terdapat titik maksimum (intensitas paling besar) pada posisi 181,72 mm. Intensitas maksimumnya 4,16 dan kita dapat memastikan ini adalah terang pusat karena sesuai dengan teori intensitas paling maksimum terletak pada terang pusat karena pada posisi terang pusat yang sejajar dengan kisi, cahaya tidak dibelokkan, cahaya diteruskan sehingga intensitasnya paling besar. Untuk mencari jarak pita gelap (intensitas minimum) kita menggunakan persamaan Praktikan menghitung jarak intensitas minimum orde pertama hingga orde 10. Untuk Intensitas maksimum sesuai data percobaan praktikan mencari intensitas 2 titik berdekatan (di atas dan di bawah terang pusat) dan sekaligus dua titik ini memiliki jarak simetris dari terang pusatnya. Intensitas maksimum secara teoritik dapat diukur dengan menggunakan persamaan

48 Praktikan mencari intensitas maksimum pada tiap orde dari orde pertama hingga orde ke tujuh dan embandikan hasilnya pada tabel yang terdapat di pengolahan data nomor 4. Dari tabel terlihat keakuratan pengukuran terjadi pada orde yang lebih besar. Kita tidak dapat menyimpulkan intensitas percobaankah atau intensitas dari perhitungan teoritis yang lebih benar. Percobaan berdasarkan hasil eksperimen yang tentunya terdapak beberapa kesalahan eksperimen sedangkan rumus yang digunakan untuk mengukur intensitas maksimum teoritis berdasarkan beberapa pendekatan. Walaupun begitu kita dapat menganalisa bahwa intensitas maksimum pada terang pusat akan berkurang pada intensitas maksimum di orde satu, lalu berkurang pada intensitas maksimum di orde kedua dan seterusnya ( semakin besar sudut pembelokan cahaya semakin habis daya rambatnya). Pengukuran pada orde yang lebih tinggi menghasilkan hasil yang lebih teliti karena pendekatan pada persamaan semakin dekat seiring dimasukkannya variable m (orde) pada persamaan tersebut, c. Analisa Kesalahan Kesalahan yang terjadi pada percobaan Distribusi Intensitas Difraksi ini diakibatkan kurang pahamnya praktikan dalam mekanisme difraksi pada lat percobaan karena video proses percobaan yang ditampilkan pada r lab tidak terlalu jelas. Kurangya detail informasi proses percobaan dan juga data percobaan yang terlalu banyak menimbulkan kesulitan tersendiri dan akhirnya menimbulkan kesalahan perhitungan. Kesalaan perhitungan tentu saja menyebabkan hasil percobaan tidak begitu mendekati tujuan dan teoritis. VIII. KESIMPULAN 1. Pada pengukuran lebar celah untuk difraksi, dipenagruhi oleh beberapa factor, yaitu : jarak celah- layar, jarak pola minimum/maksimum dari terang pusat/sekunder, konstanta untuk maksimum sekunder (yang terakhir khusus untuk pola terang sekunder). 2. Pada difraksi, intensitas terang pusat lebih besar daripada terang-terang selanjutnya (terang 1, 2, 3, dst).

49 3. Difraksi adalah peristiwa pelenturan cahaya dengan sumber cahaya tunggal. 4. Besarnya pola difraksi berlawanan dengan lebar celah. Jika celah dilebarkan maka pola difraksi akan mengecil, demikian pula sebaliknya. 5. Pola difraksi dapat diamati bila sumber cahaya monokromatis dan koheren. IX. REFERENSI Alonso, Mercelo, Edward J. Finn Dasar-Dasar Fisika Universitas (Terjemahan). Jakarta: Penerbit Erlangga Halliday dan Resnick Fisika Jilid 2 (Terjemahan). Jakarta: Erlangga Kanginan, Marthen Fiska SMA. Jakarta: Penerbit Erlangga Tipler, P.A Fisika Untuk Sains dan Teknik Jilid 2 ( Terjemahan). Jakarta: Penerbit Erlangga (waktu akses :!4 Oktober 2010 pukul 23.00)