EKSPERIMEN EFEK FOTO LISTRIK BERBASIS SIMULASI PhET

Transkripsi

1 9 EKSPERIME EFEK FOTO LISTRIK BERBASIS SIMULASI PhET (1 Kharl Anwar, ( M. Isnan, (3 Lnda Sekar Utam (1 Dosen Program Stud Penddkan Fska Unv. Muhammadyah Mataram (emal : harl_physc@yahoo.com ( (3 Dosen Program Stud Penddkan Fska Unv. Muhammadyah Mataram ABSTRAK Matakulah fska modern harus dtunjang dengan praktkum atau ekspermen. Banyak gejala fska yang sult damat secara langsung karena ersfat astrak, sepert efek foto lstrk. Selan tu peralatan-peralatan ekspermen yang dgunakan sangat mahal secara ekonom. Untuk mengatas hal terseut, dapat dgunakan eerapa alat antu ekspermen erupa meda smulas erass komputer, dantaranya PhET (Physcs Educaton Tecnology. Oleh karena tu telah dlakukan pengujan meda PhET dengan spesfkas smulas efek foto lstrk seaga alat ekspermen untuk menentukan konstanta Planck (h dan menunjukkan apakah energ knetk foto-elektron ergantung pada ntenstas cahaya atau tdak. Panjang gelomang dar suatu cahaya dtetapkan dar suatu panel pemlhan fungs cahaya pada perangkat lunak, kemudan data tegangan alk (V dtentukan sesua dengan laju energ knetk elektron yang ergerak menuju anoda. Selanjutnya untuk menngkatkan keteltan, data matemats elektronvolt (ev dengan seperpanjang gelomang cahaya ( 1/ danalss dengan metode regres lner. Perhtungan regres untuk memperoleh nla kemrngan grafk dlakukan dengan program Ms. excel. Hasl analss menunjukkan ahwa meda smulas PhET memerkan tngkat keteltan yang ak pada penentuan tetapan Planck seesar (6,8 ±, J.s. Sedangkan energ knetk foto-elektron dtunjukkan ahwa tdak ergantung pada ntenstas cahaya. Dapat dnyatakan ahwa dengan meda PhET dapat memuktkan nla tetapan Planck dan menngkatkan ketramplan proses dalam pemelajaran, sehngga dharapkan dapat mamantu dalam memaham konsep dan teor efek foto lstrk secara mudah, cepat, dan prakts. Kata Kunc : Smulas PhET, Efek foto lstrk, Konstanta Planck, dan Regres lner. Pendahuluan Pemelajaran fska dan sans tdak sa lepas dar teknolog yang semakn lama semakn erkemang. Sehuungan dengan hal tu metode pemelajaran fska harus dapat dsesuakan dengan keadaan dan sstem-sstem yang erass teknolog, salah satunya yang erhuungan dengan laoratorum khususnya dalam hal ekspermen. Seagamana Edgar Dale mengutarakan ahwa pengalaman yang palng ermakna adalah pengalaman langsung dan ertujuan, suatu pengalaman langsung melhat enda atau perstwa asl namun telah drencanakan terleh dahulu, sehngga para mahasswa akan mendapatkan hasl kelmuan, nla dan skap yang optmal (Supryad, :3. Ekspermen adalah salah satu cara yang tepat untuk memudahkan memaham suatu teor, sehngga mahasswa mampu mencar dan menemukan sendr eraga jawaan atas persoalan-persoalan yang dhadapnya melalu percoaan atau kegatan praktkum, sehngga kelak akan terasa untuk erfkr lmah (Roestyah, 8:35. Sesua dengan kurkulum perguruan tngg, matakulah fska modern harus dtunjang dengan praktkum atau ekspermen. Oleh karena dalam fska modern Dasar Teor terdapat teor tentang efek foto lstrk, maka ekspermen untuk menggamarkan prosesnya sangat dperlukan secara vsual atau nyata untuk mengatas teor-teor yang astrak. Dalam laoratorum, anyak fenomena alam (gejala fska yang sult untuk damat secara langsung karena ersfat astrak (sepert mengamat karakterstk gerak elektron dalam suatu konduktor, selan tu peralatan-peralatan ekspermen yang dgunakan sangat mahal secara ekonom. Untuk mengatas hal terseut, dapat dgunakan eerapa alat antu ekspermen atau meda smulas erass komputer, dantaranya PhET (Physcs Educaton Tecnolog. Meda pemelajaran yang erass teknolog yang secara umum termasuk dalam teknolog nformas, ak yang sederhana dan mudah dgunakan mash sangat dperlukan guna penngkatan ketramplan proses dalam penddkan. Meda pemelajaran IT (Tecnology Informaton dharapkan dapat mamantu dalam memaham konsep dan teor fska secara mudah, cepat dan prakts.

2 1 PhET (Physcs Educaton Technology Dalam Okmustava, (8:38, Physcs Educaton Technology (PhET adalah software (perangkat lunak atau program smulas fska yang mudah untuk dpelajar. Kta dapat mengamat, menghtung, mengukur, menghuungkan ruang dan waktu, memuat hpotess, merancang ekspermen, mengendalkan varael, memuat kesmpulan sementara, menerapkan, mengkomunkaskan data dan mengajukan pertanyaan. Physcs Educaton Technology juga merupakan program aplkas yang terdr dar Java dan Flash yang saat n sedang dkemangkan dalam duna penddkan. Dalam perangkat lunak n terdapat eerapa smulas fska, dantaranya adalah moton, work, energy and power, heat and thermo, electrcty and crcuts, lght and radaton, quantum phenomena, serta match and tools, yang dgunakan seaga meda pemelajaran prakts, nteraktf dan mencakup eerapa konsep fska. Smulas yang dgunakan dalam makalah n adalah efek foto lstrk dengan entuk programnya sepert yang dtunjukkan pada Gamar 1. Physcs Educaton Technology menyedakan fasltas yang memungknkan kta untuk melakukan percoaan sepert ekspermen fska sesungguhnya, juga menyedakan eraga kemudahan dalam melakukan ekspermen. Penggunaan PhET smulas secara umum dapat mempermudah pengajar, mahasswa, dan pelajar khususnya tentang penjelasan mater efek foto lstrk. Gamar 1. Smulas efek foto lstrk dengan perangkat lunak PhET. Efek Foto Lstrk Efek fotolstrk adalah suatu proses dmana suatu cahaya dengan frekuens cukup tngg mengena permukaan seuah logam, sehngga dar permukaan logam tu terpancar elektron. Gamar. memer lustras jens alat yang dpaka dalam ekspermen efek foto lstrk. Gamar. Rangkaan ekspermen efek foto lstrk. Taung yang dvakumkan ers dua elektroda yang dhuungkan dengan rangkaan eksternal, dengan kepng logam yang permukaannya mengalam radas dpaka seaga anoda. Seagan dar elektron yang muncul dar permukaan yang mengalam radas mempunya energ yang cukup untuk mencapa katoda. Ketka potensal perntang V dtamah, leh sedkt elektron yang mencapa katoda dan arusnya menurun. Seterusnya ketka V sama atau meleh suatu harga V, maka tdak ada elektron yang mencapa katoda dan arus terhent (nol. In merupakan suatu temuan dmana pada masa tu tahun 1887 Henrch Rudolf Hertz menemukan fenomena efek Fotolstrk yang memngungkan para fskawan waktu tu. amun serngnya waktu, fenomena tu dapat djawa oleh seorang fskawan Ensten yang kemudan dekspermenkan kemal oleh Mlkan pada tahun Seuah logam ketka der cahaya akan melepaskan elektron, yang akan menghaslkan arus lstrk jka dsamung ke rangkaan tertutup. Jka cahaya adalah gelomang sepert yang telah dpredkskan oleh fska klask, maka seharusnya semakn tngg ntenstas cahaya yang derkan maka semakn esar arus yang terdeteks. amun hasl ekspermen menunjukkan ahwa walaupun ntenstas cahaya yang derkan maksmum, elektron tdak muncul juga dar plat logam. Tetap ketka derkan cahaya dengan panjang gelomang yang leh pendek (frekuens leh tngg, ke arah warna ungu dar spektrum cahaya dar seelumnya, ta-ta elektron lepas dar plat logam sehngga terdeteks arus lstrk, padahal ntenstas yang derkan leh kecl dar ntenstas seelumnya. In erart energ yang

3 11 dutuhkan oleh plat logam untuk melepaskan elektronnya tergantung pada panjang gelomang. Fenomena n tdak dapat djelaskan oleh para fskawan pada waktu tu. Kalau cahaya tu memang enar-enar gelomang, yang memlk sfat kontnyu, ukankah seharusnya energ yang sa dserap darnya sa ernla erapa saja?, tap ternyata hanya jumlah energ tertentu saja yang sa dserap untuk melepaskan elektron eas. Teka-tek n akhrnya djawa oleh Alert Ensten, yang mengemukakan ahwa cahaya terkuantsas dalam gumpalangumpalan partkel cahaya yang dseut foton. Energ yang dawa oleh foton seandng dengan frekuens cahaya dan tetapan yang dseut konstanta Planck (E = h f. Dutuhkan seuah foton dengan energ yang leh tngg dar energ katan elektron untuk melepaskan elektron keluar dar plat logam. Ketka frekuens cahaya yang derkan mash rendah, maka walaupun ntenstas cahaya yang derkan maksmum, foton tdak memlk cukup energ untuk melepaskan elektron dar katannya. Tap ketka frekuens cahaya yang derkan leh tngg, maka walaupun terdapat hanya satu foton saja (ntenstas rendah dengan energ yang cukup, foton terseut mampu untuk melepaskan satu elektron dar katannya. Intenstas cahaya dnakkan erart akan semakn anyak jumlah foton yang dlepaskan, akatnya semakn anyak elektron yang akan lepas. Menurut teor gelomang, gelomang cahaya menyear dar suatu sumer dengan meramatkan energ secara kontnyu ke seluruh pola gelomang. Sealknya, menurut teor kuantum, cahaya menyear dar sumernya dengan meramatkan energ secara terkuantsas, erupa paket-paket gelomang. Pada awal mulanya, teor kuantum dawal dengan fenomena radas enda htam. Apala seuah enda dpanaskan akan mengeluarkan radas (msalnya dtanda dengan terpancarnya snar yang erwarna-warn. Dalam keadaan setmang maka cahaya yang akan dpancarkan akan tersear pada seluruh spektrum frekuens (f dan panjang gelomang ( per satuan luas per satuan waktu. Tahun 1887, Hertz dalam ukunya Sregar menyatakan ahwa apa la suatu cahaya dkenakan pada suatu lapsan logam tertentu maka akan terjad lucutan elektron dar permukaan logam terseut. Gejala n dkenal dengan efek foto lstrk (Sregar, 1 :3. Sehuungan dengan pemkran Ensten untuk fenomena n erdasarkan rumusan Planck, telah menguatkan gagasan kuantsas energ Planck untuk dterma sacara luas. Perstwa terlepasnya elektron dar permukaan logam (katoda karena pengaruh energ foton dar luar dseut dengan gejala foto lstrk atau gejala foto elektron (Oktova, 1: 315. Efek fotolstrk damat melalu prosedur dalam Gamar, seaga erkut; dua uah pelat logam (lempengan logam tps yang terpsah dtempatkan d dalam taung hampa udara. D luar taung kedua pelat n dhuungkan satu sama lan dengan kawat yang terpasang amperemeter. Mulamula tdak ada arus yang mengalr karena kedua plat terpsah, ketka cahaya yang sesua dkenakan kepada salah satu pelat, arus lstrk terdeteks pada amperemeter atau galvanometer ( G. In terjad akat adanya elektron-elektron yang lepas dar satu pelat dan menuju ke pelat lan secara ersamasama mementuk arus lstrk. Alran elektronelektron nlah yang menmulkan arus lstrk. Elektron yang terlepas dar permukaan katoda memlk energ knetk yang cukup untuk sampa d anoda. Pada perstwa efek foto lstrk n dseut foto elektron. Aplkas Efek fotolstrk merupakan prnsp dasar dar eraga prant fotonk (photonc devce sepert lampu LED (lght emttng devce dan prant detektor cahaya (photo detector. Cahaya mengena lempeng logam d katoda Elektron dpermukaan katoda terlepas Menuju anoda, ergerak dengan E k (erart ada arus, Grafk ev dengan 1 /, h dtentukan dar sloope grefk hf = E + ev Pasang tegangan perntang!, atur hngga elektron tertahan dan menjad statk/ setmang dalam medum (V =V sehngga =. Gamar 3. Skema proses terjadnya efek foto lstrk.

4 1 Supaya dapat terjad efek foto lstrk (Gamar 3, maka harus dkena erkas cahaya dar luar dan memenuh eerapa persyaratan, dantaranya frekuens erkas cahaya yang menynar katoda harus leh esar dar frekuens amang ahan atau panjang gelomang erkas cahaya yang menynar katoda harus leh kecl dar panjang gelomang amang ahan logam (katoda. Frekuens amang adalah frekuens terkecl yang dperlukan untuk melepaskan elektron dar permukaan logam yang dlamangkan dengan f o, sedangkan panjang gelomang amang adalah panjang gelomang teresar yang dperlukan untuk melepaskan elektron dar permukaan logam. Logam-logam yang erlanan jens akan mempunya frekuens amang dan panjang gelomang amang yang ereda-eda. Bla erkas cahaya yang pengena permukaan logam katoda memlk energ foton hf dan energ amang ahan katodanya adalah hf o maka elektron akan terlepas dar permuakaan logam dengan energ knetk seesar = hf (1 E k hf o dmana, E k : energ knetk elektron yang terlepas hf : energ foton erkas cahaya dar luar hf o : energ amang ahan logam (katoda Persamaan (1 dapat pula dtulskan menjad E k = hf W, dengan W = hf o (seaga fungs kerja. Jad ssa energ hf hf seesar ( dapat dpaka untuk melepaskan elektron dar permukaan logam, yang dgunakan menjad energ knetk elektron. Dar penjelasan Ensten dperoleh, Bla hf = hf o maka E k =, untuk f < f o, elektron tdak akan lepas dar katan on permukaan ahan logam. Sehngga supaya dapat terjad efek foto lstrk, maka f > f o atau haruslah < o. Beda potensal antara katoda dan anoda (V seandng dengan energ knetk elektron yang terlepas. Jad, ev = E. Untuk cahaya dengan frekuens f, kenakan ntenstas penynaran hanya erart kenakan jumlah foton yang masng-masng mempunya energ hf, karena satu foton hanya dapat dserap oleh satu elektron, maka kenakan jumlah foton n sama sekal tdak mempengaruh esarnya E k, malankan hanya menamah jumlah elektron yang terlepas dar permukaan keepng logam. k Bla yang dketahu adalah panjang gelomang amang logam, dan panjang gelomang erkas cahaya dar luar, maka persamaan (1 dapat menjad hc hc = ( E k o Dalam (Sregar, 1 : 4, hasl percoaan Mlkan untuk efek fotoelektrk pada natrum dperoleh kemrngan gars adalah h/e, penentuan ekspermental dar kemrngan n memerkan suatu cara untuk menentukan tetapan Planck. Perpotongannya dengan sumu datar memerkan frekuens puncak, tetap pada saat Mlkan melakukan percoaannya, potensal kontak elektrodaelektroda tdak dketahu secara tepat sehngga skala vertkal tergeser eerapa persepuluh volt, namun kemrngan kurva tdak terpengaruh oleh koreks n. Menurut Planck, cahaya terdr atas catu-catu energ yang dseut foton (photon dmana energ tap fotonnya adalah: E p = h f, (3 dengan h konstanta Planck dan f frekuens cahaya. Menurut Ensten, tap foton ernteraks dengan satu elektron dan erlaku, E = E + E (4 p k dmana E energ elektron pada logam, dan E k energ knetk maksmum elektron foto untuk ergerak menuju anoda. Dar persamaan tu dapat dsmpulkan ahwa energ knetk elektron tdak ergantung pada ntenstas cahaya, melankan pada frekuens cahaya. Jka dkenakan tegangan alk V maka tdak semua elektron dapat mencapa anoda akatnya kuat arus yang dtunjukkan amperemeter akan turun, jka tegangan alk dperesar sampa ke suatu nla V (yatu, V = V dan ternyata amperemeter menujukkan nol (I =, n erart esarnya tegangan alk elektron sama dengan esarnya energ knetk yang memawa elektron menuju anoda, yatu ev = E k (5 untuk e = 1, C. Karena energ knetk tdak ergantung pada ntenstas, n erart V ergantung pada frekuens atau panjang gelomang saja, maka Pers. (4 menjad c h = E + ev (6

5 13 Metode Peneltan Suatu cahaya dengan ntenstas tertentu dan panjang gelomang ( yang d uah-uah dtetapkan dar suatu panel pemlhan fungs cahaya pada perangkat lunak PhET, kemudan data tegangan alk (V datur sedemkan hngga setmang dengan laju energ knetk elektron yang ergerak menuju anoda. Selanjutnya data matemats elektronvolt (ev dengan seperpanjang gelomang cahaya ( 1/ danalss dengan metode regres lner, seagamana dtunjukkan dalam Gamar 3. Dengan menguah Persamaan (6 ke entuk persamaan gars lurus, menjad: 1 ev = h c, (7 E maka esarnya konstanta Planck h dperoleh erdasarkan kemrngan (graden grafk antara ev dengan 1. Dar persaman (7 yang sesua persamaan y ˆ = ax +, dmana y = ev ; x = 1/ ; dan a = h c. Maka, h = a / c (8 eserta ralatnya seesar sh sa / c =. (9 dmana a adalah kemrngan grafk yang drumuskan dengan = ( y ( a, (1 y dan ttk potong grafknya adalah: y ( ( y = (11 harga a dan yang telah dperoleh selanjutnya dgunakan untuk mementuk persamaan gars lurus estmas ˆ. y = a + Kesalahan yang muncul saat melakukan estmas adalah ralat aku estmas s ( y ˆ y = y (1 dan ralat aku koefsen a dan adalah sa = s y, (13 x dan, ( s = s y (14 x ( Berdasarkan kemrngan kurva antara ev dengan 1 /, maka konstanta Planck dapat dhtung dengan menggunakan Pers (8, dengan ralat dhtung dengan menggunakan prnsp peramatan ralat pada persamaan (9. Dan rata-rata nla konstanta Planck dar masng-masng cahaya dhtung dengan prnsp rata-rata eroot. 4. Hasl dan Pemahasan Tael 1. Analss data untuk cahaya UV (Ultra Volet, Elektroda : Sodum, dan Intenstas : 1 %.!

6 14 1.4E-18 Grafk huungan tegangan alk elektron Vs seperlamda tegangan alk elektron, ev (C.volt 1.E-18 1E-18 8E-19 6E-19 4E-19 E-19 y = E-5x - 4E-19 R = seperlamda (m -1 Gamar 4. Grafk huungan tegangan alk terhadap seperpanjang gelomang snar UV. Sehngga, Jad,!" #!$ % h = (6,81 ±, &!" #!$ % Tael. Hasl analss data untuk tga jens cahaya (Bahan Plat : Sodum, Intenstas 1%. "#"" % %&' (' " # $ '!" $!(!%" '!" $!(!%" '!" $!(!%" # $ $!(!%" Logam dengan ahan sodum yang dradas oleh snar UV dengan ntenstas 1 % dalam range panjang gelomang seesar (15-35 nm, dmana tanpa derkan tegangan alk menunjukkan semakn esar panjang gelomang yang derkan maka elektron ergerak semakn lamat menuju anoda. Sedangkan pada snar ungu makn esar panjang gelomang yang derkan maka elektron ergerak semakn cepat, akan tetap jumlah elektron yang ergerak semakn erkurang yang dtunjukkan juga pada arus yang semakn kecl. Untuk snar ru dengan panjang gelomang dmula dar 43 nm elektron ergerak dengan sedang, dan ketka panjang gelomang seesar 475 nm elektron ergerak dengan lamat serta eerapa elektron tdak sampa pada anoda dan jumlah elektron sangat sedkt. In dseakan karena energ knetk maksmum pada elektron ergantung pada panjang gelomang, tulah yang menyeakan elektron yang dpancarkan kehlangan energ ketka panjang gelomang dtamahkan karena semakn esar panjang gelomang maka semakn esar energ yang dutuhkan. Hal n sesua dengan fakta ekspermental yang dterangkan teor gelomang cahaya. Dar percoaan n, fakta fakta ternc efek fotolstrk dantaranya ; Jumlah pemancaran elektron ergantung pada ntenstas cahaya.; Laju pemancaran elektron tak ergantung pada panjang gelomang cahaya d awah suatu panjang gelomang tertentu, d atas nla tu harus

7 15 secara erangsur-angsur menurun hngga menjad pada suatu panjang gelomang pancung. Panjang gelomang n c asanya terdapat pada spektrum daerah ru dan ultravolet.; Energ knetk maksmum elektron yang dpancarkan tdak ergantung pada ntenstas cahaya, tetap hanya ergantung pada panjang gelomangnya, energ knetk n ddapat secara lner terhadap frekuens sumer cahaya. Hasl pengamatan terhadap gejala efek fotolstrk memunculkan sejumlah fakta yang merupakan karakterstk dar efek fotolstrk, yatu : 1 Hanya cahaya yang sesua (yang memlk frekuens yang leh esar dar frekuens tertentu saja yang memungknkan lepasnya elektron dar pelat logam atau menyeakan terjad efek fotolstrk (yang dtanda dengan terdeteksnya arus lstrk pada kawat. Frekuens tertentu dar cahaya dmana elektron terlepas dar permukaan logam dseut frekuens amang logam. Frekuens n ereda-eda untuk setap logam dan merupakan karakterstk dar logam tu. Ketka cahaya yang dgunakan dapat menghaslkan efek fotolstrk, penamahan ntenstas cahaya dareng pula dengan pertamahan jumlah elektron yang terlepas dar pelat logam (yang dtanda dengan arus lstrk yang ertamah esar. Tetap, Efek fotolstrk tdak terjad untuk cahaya dengan frekuens yang leh kecl dar frekuens amang meskpun ntenstas cahaya dperesar. 3 Ketka terjad efek fotolstrk, arus lstrk terdeteks pada rangkaan kawat segera setelah cahaya yang sesua dsnar pada pelat logam. In erart hampr tdak ada selang waktu elektron tereas dar permukaan logam setelah logam dsnar cahaya (kurang dar 1-9 detk. Adapun eraga macam snar dan ahan yang dpaka semuanya tdak mempengaruh nla h, atau dengan kata lan nla h sama untuk setap ahan dan snar serta ntenstas yang dpaka. Smpulan dan Saran Berdasarkan hasl ekspermen, nla rata-rata konstanta Planck (h yang dperoleh dengan menggunakan PhET adalah (6,8 ±, J.s, dengan penympangan seesar,55% terhadap nla acuan 6, J.s. Dengan demkan, percoaan dengan menggunakan program PhET dapat memuktkan nla tetapan Planck dengan ak, dan dapat menunjukkan ahwa energ knetk foto-elektron tdak ergantung pada ntenstas cahaya. Untuk tu meda PhET c dapat dgunakan seaga salah satu cara menngkatan ketramplan proses dalam pemelajaran fska, sehngga dharapkan dapat mamantu dalam memaham konsep dan teor fska secara mudah, cepat dan prakts. Daftar Pustaka E. Sregar, Rustam. 1. Teor dan Aplkas Fska Kuantum. Bandung : Wdya Padjadjaran. C. Weman, W. Adams, P. Loelen, and K. Perkns. 9. Teachng physcs usng PhET smulatons. Daml pada tanggal ovemer 11 dar lassroom-use.php. Kamajaya Penuntun Belajar FISIKA 3. Bandung : Ganeca Exact Bandung Krane, Kenneth. 8. Fska Modern. Jakarta : Unverstas Indonesa Press. Okmustava. 8. Pengaruh Cooperatve Learnng Terhadap Prestas Belajar Sswa dalam Pokok Bahasan Hukum Ohm d SMA eger 1 Majenang Tahun Ajaran 7/8. Skrps tdak dtertkan. Program Stud Penddkan Fska. Unverstas Ahmad Dahlan : Yogyakarta. Oktova. 1. Rngkasan Fska Untuk Persapan Seleks Masuk Perguruan Tngg. Jurusan FMIPA : Unverstas Ahmad Dahlan. Roestyah. 8. Strateg Belajar Mengajar. Jakarta : Rneka Cpta. Supryad.. Panduan untuk Merancang Ekspermen Fska Sederhana. Jurdk Fska FMIPA : UY. S. B. McKagan, W. Handley, K. K. Perkns, and C. E. Weman. 8. A Research- Based Currculum for Teachng the Photoelectrc Effect. Amercan Journal of Physcs, n press. Daml pada tanggal ovemer 11 dar php.