Polarisasi Gelombang. Polarisasi Gelombang

Transkripsi

1 Polarisasi Gelombang Polarisasi Gelombang Gelombang cahaya adalah gelombang transversal, sedangkan gelombang bunyi adalah gelombang longitudinal. Nah, ada satu sifat gelombang yang hanya dapat terjadi pada gelombang transversal, yaitu polarisasi. Jadi, polarisasi gelombang tidak dapat terjadi pada gelombang longitudinal, misalnya pada gelombang bunyi. Pada umumnya, gelombang cahaya mempunyai banyak arah getar. Suatu gelombang yang mempunyai banyak arah getar disebut gelombang tak terpolarisasi, sedangkan gelombang yang memilki satu arah getar disebut gelombang terpolarisasi. Keterangan : Gelombang terpolarisasi linier pada arah vertical Gelombang terpolarisasi linier pada arah horizontal Gelombang tak terpolarisasi Fenomena polarisasi cahaya ditemukan oleh Erasmus Bhartolinus pada tahun Dalam fenomena polarisasi cahaya, cahaya alami yang getarannya ke segala arah tetapi tegak lurus terhadap arah merambatnya (gelombang transversal) ketika melewati filter polarisasi, getaran horizontal diserap sedang getaran vertikal diserap sebagian. Cahaya alami seperti cahaya matahari yang getarannya ke segala arah di sebut cahaya tak terpolarisasi, sedang cahaya yang melewati polaroid hanya memiliki getaran pada satu arah saja, yaitu arah vertikal, disebut cahaya terpolarisasi linear. Mengapa polarisasi hanya terjadi pada gelombang transversal? Dari penjelasan sebelumnya dapat kita nyatakan bahwa suatu gelombang terpolarisasi linear bila getaran dari gelombang tersebut selalu terjadi dalam satu arah saja. Arah ini disebut arah polarisasi. Untuk mengamati polarisasi ini, marilah kita ikat seutas tali pada titik O di dinding, kemudian masukkan ujung tali lain, yaitu ujung A ke sebuah celah, seperti pada gambar. Pasang celah dalam posisi vertikal, kemudian getarkan ujung tali di A sehingga gelombang transversal yang merambat dari A dapat menembus celah, dan sampai di titik O. Ubahlah posisi celah menjadi horisontal, kemudian getarkan kembali ujung tali A secara vertikal. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa gelombang vertikal tidak dapat menembus celah (tampak tidak ada gelombang diantara celah dan titik O). Jika kemudian tali di titik A digetarkan berputar, artinya digetarkan ke segala arah dan celah dipasang vertikal, apa yang terjadi? Ternyata, gelombang dapat menembus celah dengan arah getaran gelombang yang sama dengan arah posisi celah, yaitu arah vertikal Peristiwa tersebut menunjukkan terjadinya polarisasi pada gelombang tali yang melewati sebuah celah sempit, dengan arah polarisasi gelombang sesuai arah celahnya. Polarisasi dapat diartikan sebagai penyearah gerak getaran gelombang. Jika gelombang bergetar ke segala arah, seperti pada gambar setelah melewati sebuah celah, arah getaran gelombang menjadi satu arah getar saja, yang disebut dengan gelombang terpolarisasi linear. Jadi, hanya gelombang-gelombang yang memiliki arah getaran tegaklurus dengan arah rambatannya saja yang disebut sebagai gelombang transversal, yang dapat mengalami polarisasi. Oleh karena cahaya atau gelombang elektromagnet termasuk gelombang transversal, cahaya dapat mengalami polarisasi. Dari hasil di atas dapat di simpulkan bahwa Polarisasi adalah suatu peristiwa perubahan arah getar gelombang pada cahaya yang acak menjadi satu arah getar. Polarisasi adalah peristiwa penyerapan arah bidang getar dari gelombang. Polarisasi cahaya dapat disebabkan oleh empat

2 cara, yaitu refleksi (pemantulan), absorbsi (penyerapan), pembiasan (refraksi) ganda dan hamburan. 1. Polarisasi karena refleksi Pemantulan akan menghasilkan cahaya terpolarisasi jika sinar pantul oleh benda bening dan sinar biasnya membentuk sudut 90 o. Di mana cahaya yang dipantulkan merupakan cahaya yang terpolarisasi sempurna, sedangkan sinar bias merupakan sinar terpolarisasi sebagian. Arah getar sinar pantul yang terpolarisasi akan sejajar dengan bidang pantul. Oleh karena itu sinar pantul tegak lurus sinar bias, berlaku i p + r = 90 atau r = 90 i p. Dengan demikian, berlaku pula Menurut Hukum Snellius tentang pembiasan: Jadi, diperoleh persamaan Persamaan ini disebut : HUKUM BREWSTER Ditemukan oleh : David Brewster ( ) Dengan n 2 adalah indeks bias medium tempat cahaya dating, n 1 adalah medium tempat cahaya terbiaskan, sedangkan i p adalah sudut pantul yang merupakan sudut terpolarisasi. Persamaan di atas merupakan bentuk matematis dari Hukum Brewster. Gambar 1. Polarisasi karena refleksi 2. Polarisasi karena absorbsi selektif Polarisasi jenis ini dapat terjadi dengan bantuan kristal polaroid. Bahan polaroid bersifat meneruskan cahaya dengan arah getar tertentu dan menyerap cahaya dengan arah getar yang lain. Cahaya yang diteruskan adalah cahaya yang arah getarnya sejajar dengan sumbu polarisasi polaroid. Polaroid banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari, antara lain untuk pelindung pada kacamata dari sinar matahari (kacamata sun glasses) dan polaroid untuk kamera. Suatu cahaya tak terpolarisasi datang pada lembar polaroid pertama disebut POLARISATOR (Polarisator berfungsi untuk menghasilkan cahaya terpolarisasi), dengan sumbu polarisasi ditunjukkan oleh garis-garis pada polarisator. Kemudian dilewatkan pada polaroid kedua yang disebut ANALISATOR (Analisator untuk mengetahui apakah cahaya sudah terpolarisasi atau belum). Maka intensitas sinar yang diteruskan oleh analisator I, dapat dinyatakan sebagai : I= I 0 cos 2 q Dengan I 0 adalah intensitas gelombang dari polarisator yang datang pada analisator. Sudut q adalah sudut antara arah sumbu polarisasi dan polarisator dan analisator. Persamaan di atas dikenal dengan HUKUM MALUS, diketemukan oleh Etienne Louis Malus pada tahun Dari persamaan hukum Malus ini dapat disimpulkan : Intensitas cahaya yang diteruskan maksimum jika kedua sumbu polarisasi sejajar (q = 0 0 atau q = ). Intensitas cahaya yang diteruskan = 0 (nol) (diserap seluruhnya oleh analisator) jika kedua sumbu polarisasi tegak lurus satu sama lain. Gambar 2. Skema polarisasi selektif menggunakan filter polaroid. Hanya cahaya dengan orientasi sejajar sumbu polarisasi polaroid yang diteruskan. 3. Polarisasi karena pembiasan ganda Polarisasi karena bias kembar dapat terjadi apabila cahaya melewati suatu bahan yang mempunyai indeks bias ganda atau lebih dari satu, Jika berkas kaca dilewatkan pada kaca, kelajuan cahaya yang keluar akan sama ke segala arah. Hal ini karena kaca bersifat homogen,

3 indeks biasnya hanya memiliki satu nilai. Namun, pada bahan-bahan kristal tertentu misalnya kalsit, mika, Kristal gula, Kristal es dan kuarsa, kelajuan cahaya di dalamnya tidak seragam karena bahan-bahan itu memiliki dua nilai indeks bias (birefringence). Cahaya yang melalui bahan dengan indeks bias ganda akan mengalami pembiasan dalam dua arah yang berbeda. Sebagian berkas akan memenuhi hukum Snellius (disebut berkas sinar biasa yang arah cahayanya Lurus dan cahaya ini tidak terpolarisasi), sedangkan sebagian yang lain tidak memenuhi hukum Snellius (disebut berkas sinar istimewa yang cahayanya di belokan dan cahaya ini cahaya yang terpolarisasi). Gambar 3. Skema polarisasi akibat pembiasan ganda. 4. Polarisasi karena hamburan Polarisasi cahaya karena peristiwa hamburan dapat terjadi pada peristiwa terhamburnya cahaya matahari oleh partikel-partikel debu di atmosfer yang menyelubungi Bumi. Cahaya matahari yang terhambur oleh partikel debu dapat terpolarisasi. Itulah sebabnya pada hari yang cerah langit kelihatan berwarna biru karena cahaya biru memiliki panjang gelombang lebih pendek daripada cahaya merah. Hal itu disebabkan oleh warna cahaya biru dihamburkan paling efektif dibandingkan dengan cahaya-cahaya warna yang lainnya. Jika cahaya dilewatkan pada suatu medium, partikel-partikel medium akan menyerap dan memancarkan kembali sebagian cahaya itu. Penyerapan dan pemancaran kembali cahaya oleh partikel-partikel medium ini dikenal sebagai fenomena hamburan. Pada peristiwa hamburan, cahaya yang panjang gelombangnya lebih pendek cenderung mengalami hamburan dengan intensitas yang besar. Hamburan ini dapat diamati pada warna biru yang ada di langit kita. Gambar 4. Warna biru langit akibat fenomena polarisasi karena hamburan 5. Polarisasi Karena Pemantulan Berkas sinar alami (sinar yang belum terpolarisasi) dijatuhkan dari medium udara, ke medium kaca (cermin datar). Dengan sudut datang i = 57 o, maka sinar yang dipantulkan sudah terpolarisasi, seperti pada gambar berikut: Cahaya yang berasal dari cermin I adalah cahaya terpolarisasi akan dipantulkan ke cermin. Apabila cermin II diputar sehingga arah bidang getar antara cermin I dan cermin II saling tegak lurus, maka tidak akan ada cahaya yang dipantulkan oleh cermin II. Peristiwa ini menunjukkan terjadinya peristiwa polarisasi. Cermin I disebut polarisator, sedangkan cermin II disebut analisator. Polarisator akan menyebabkan sinar yang tak terpolarisasi menjadi sinar yang terpolarisasi, sedangkan analisator akan menganalisis sinar tersebut merupakan sinar terpolarisasi atau tidak. 6. Pemutaran Bidang Polarisasi Seberkas cahaya tak terpolarisasi melewati sebuah polarisator sehingga cahaya yang diteruskan terpolarisasi. Cahaya terpolarisasi melewati zat optik aktif, misalnya larutan gula pasir, maka arah polarisasinya dapat berputar. Contoh Soal

4 1) Ujung seutas tali digetarkan harmonik dengan periode 0,5 s dan amplitudo 6 cm. Getaran ini merambat ke kanan sepanjang tali dengan cepat rambat 200 cm/s. Tentukan: a. Persamaan umum gelombang b. Simpangan, kecepatan, dan percepatan partikel di P yang berada 27,5 cm dari ujung tali yang digetarkan pada saat ujung getar telah bergetar 0,2 s c. Sudut fase dan fase partikel di P saat ujung getar telah bergetar 0,2 s d. Beda fase antra dua partikel sepanjang tali yang berjarak 25 cm Penyelesaian: a) T = 0,5 s ; A = 6 cm=0,06m ; v = 200 cm/s =2 m/s; gel. merambat ke kanan ω=2π/t = 2π/0,5 = 4p rad/s f=1/t = 1/0,5s = 2 Hz λ=v/f = 2/2 = 1m k = = 2π ω = 2π/T = 2π/0,5 = 4π rad/s. Persamaan umum gelombang: y= A sin 2π( )= A sin (ωt kx) y = 0,06 sin 2π y= 0,06 sin 2π(2t x) b) x = 27,5 cm = 0,275 m ; t = 0,2 s Simpangan gelombang: y = 0,06 sin 2π(2t x) =0,06 sin 2π(2. (0,2) 0,275) y=0,06 sin 2π(0,4 0,275) = 0,06 sin 2π(0,125) = 0,06 sin (0,25π) y = 0,06 sin(45 o ) = 0,06 (1/2 )= 0,03 m Kecepatan gelombang: v y = ω.a. cos (ωt kx) = 4π (0,06) cos 45 o = 0,12 m/s Percepatan gelombang: A y = - ω 2.A. sin (ωt kx) = - (4π) 2 (0,06) sin 45 o A y = - 0,96π 2 (1/2 )= - 0,48π 2 m/s 2 c) Sudut fase, θ=2πφ = 2π(2t x)= 0,25π ; Fase, φ=θ/2π= 0,25π/2π =1/8. d) x = 25 cm =0,25m Beda fase, Δφ=Δx/λ = 0,25/1 =0,25 2) Suatu gelombang sinusoidal dengan frekuensi 500 Hz memiliki cepat rambat 350 m/s. a. Berapa jarak pisah antara dua titik yang berbeda fase π/3 rad? b. Berapa beda fase pada suatu partikel yang berbeda waktu 1 ms? Penyelesaian: f=500 Hz, v=350 m/s, λ = v/f = 350/500= 7/10 m/s a) Jarak pisah antara dua titik yang berbeda fase π/3 rad: Δθ= π/3; Δφ=Dθ/2π = 1/6; Δφ=Dx/λ Δx=Δφ.λ =(1/6)(7/10) = 7/60 b) Beda fase suatu partikel: t = t 2 t 1 = 1 ms = 1 x 10-3 s Dφ =φ 2 - φ 1 = (t 1 t 2 ) f = - (1 x 10-3 s) 500 Hz = - ½. 3) Seutas kawat yang panjangnya 100 cm direntangkan horizontal. Salah satu ujungnya digetarkan harmonik naik-turun dengan frekuensi 1/8 Hz dan amplitudo 16 cm, sedangkan ujung lain terikat. Getaran harmonik tersebut merambat ke kanan sepanjang kawat dengan cepat rambat 4,5 cm/s. Tentukan letak simpul ke-4 dan perut ke-3 dari titik asal getaran! L = 100 cm ; f = 1/8 Hz ; A = 16 cm ; v = 4,5 cm/s; λ = v/f = 4,5/1/8 = 36 cm Simpul ke 4 (n + 1) = 4, n = 3

5 X n+1 = (2n)( λ/4), x 4 = (2)(3) (36/4) = 54 cm Letak simpul ke 4 dari titik asal = L x 4 = = 46 cm Perut ke 3 (n + 1) = 3, n = 2 X n+1 = (2n+1)( λ/4), x 3 = (5)(36/4) = 45 cm Letak perut ke 3 dari titik asal = = 55 cm 4) Salah satu ujung dari seutas tali yang panjangnya 115 cm digetarkan harmonik naik-turun, sedang ujung lainnya bebas bergerak. a. Berapa panjang gelombang yang merambat pada tali jika perut ke-3 berjarak 15 cm dari titik asal getaran? b. Di mana letak simpul ke-2 diukur dari titik asal getaran? a. x 3 = 15 cm ; ke-3 (n + 1) = 3, n = 2 x n+1 = 2n (λ/4) x 3 = 4(λ/4) 15 =1 λ, jadi λ = 15/1 =15 cm b. ke-2 n + 1 = 2, n = 1 x n+1 = (2n+1) (λ/4) x 2 = 3(λ/4) = 3(15/4) = 11,25 cm Letak simpul ke-2 dari titik asal getar = L x 2 = ,25 = 103,75 cm 5) Getaran dari sebuah pegas yang panjangnya 60 cm dan diikat pada kedua ujungnya sesuai dengan: y= 4sin(πx/15)cos(96πt) dengan x dan y dalam cm dan t dalam s. I. Berapakah simpangan maksimum suatu titik pada x = 5 cm? II. Berapakah letak simpul-simpul sepanjang pegas? III. Berapakah kelajuan partikel pada x = 7,5 cm saat t = 0,25 s? I. Nilai y maksimum jika nilai cos 96πt maksimum, yaitu cos 96 πt = 1: y = 4 sin (π.5/15).1 = 4 sin(π./3) = 4. ½ =2 II. Simpul memiliki simpangan (y) = 0 III. Sin (π.x/15) = 0 Sin (π.x/15) = (0+nπ) (π.x/15) = nπ x= 15n Dengan demikian, x=15(1), (15(2), 15(3), 15(4) = 15, 30, 45, 60. Kelajuan adalah turunan dari simpangan: v = = = 4sin(π.x/15)(-96π)sin(96πt) kelajuan partikel pada x = 7,5 cm saat t = 0,25 s: v= 4 sin(π.7,5/15)(-96π)sin(96π.0,25) = 0