Persiapan UN SMP 2017 fisika CAHAYA DAN OPTIK A. Sifat-Sifat Cahaya Cahaya merupakan suatu gelombang elektromagnetik sehingga cahaya dapat merambat di dalam ruang hampa udara. Kecepatan cahaya merambat dalam ruang hampa udara adalah 3 10 8 m/s. Cahaya memiliki beberapa sifat, yaitu sebagai berikut. 1. Merambat lurus. 4. Dapat dilenturkan (difraksi). 2. Dapat dipantulkan. 5. Dapat digabungkan. 3. Dapat dibelokkan. 6. Dapat merambat dalam ruang hampa. SUPER "Solusi Quipper" Untuk mengingat sifat-sifat cahaya, gunakan cara SUPER "Solusi Quipper" berikut. LUPA BELI GARAM APA Maksudnya: LUrus, PAntul, BElok, Lentur/dIfraksI, GAbung, RAMbat pada ruang hampa. Selain sifat-sifat tersebut, cahaya juga dapat dilihat oleh mata, dipancarkan dalam bentuk radiasi, dan memiliki energi. B. Bayang-Bayang Bayang-bayang atau biasa disebut dengan bayangan adalah daerah gelap yang terbentuk karena cahaya tidak dapat menembus suatu benda. Bayangan dibedakan menjadi dua, yakni bayangan nyata dan bayangan maya. Bayangan nyata adalah bayangan yang dapat ditangkap layar, sedangkan bayangan maya (semu) adalah bayangan yang dapat dilihat mata, tetapi tidak dapat ditangkap pada layar.
Berdasarkan bayangan yang terbentuk di belakang benda, bayang-bayang dibagi menjadi dua, yaitu umbra dan penumbra. Umbra adalah daerah gelap di belakang benda yang tidak menerima cahaya sama sekali, sedangkan penumbra adalah daerah remangremang di belakang benda yang masih menerima sedikit cahaya. Apabila ukuran sumber cahaya lebih besar daripada benda yang dikenai cahaya, maka akan terbentuk umbra dan penumbra. Akan tetapi, apabila ukuran sumber cahaya lebih kecil daripada benda yang dikenai cahaya, maka yang terbentuk hanya umbra. Umbra dan penumbra dapat dilihat pada peristiwa berikut. Umbra dan penumbra. C. Pemantulan Cahaya Setiap benda di sekeliling kita bersifat memantulkan cahaya. Itulah sebabnya kita bisa melihat benda tersebut. Peristiwa pemantulan cahaya ini dapat dijelaskan dengan hukum Snellius berikut. 1. Sinar datang, garis normal, serta sinar pantul terletak pada satu bidang dan berpotongan di satu titik. 2. Besar sudut datang (i) sama dengan sudut pantul (r). i r datang normal pantul Peristiwa pemantulan. 2
Pemantulan cahaya dibedakan menjadi dua, yaitu pemantulan baur dan pemantulan teratur. 1. Pemantulan baur atau difus terjadi jika berkas sinar yang sejajar jatuh pada bidang yang tidak rata sehingga sinar dipantulkan ke segala arah. 2. Pemantulan teratur terjadi jika berkas sinar yang sejajar jatuh pada bidang yang rata sehingga sinar dipantulkan pada arah yang sejajar. Pemantulan baur (difus) Pemantulan teratur Pemantulan baur dan teratur. D. Pembiasan Cahaya (Refraksi) Pembiasan cahaya adalah pembelokan berkas cahaya yang merambat dari satu medium ke medium lainnya yang berbeda kerapatan optiknya. Peristiwa pembiasan cahaya ini dapat dijelaskan dengan hukum Snellius berikut. 1. Sinar datang, garis normal, serta sinar bias terletak pada satu bidang dan berpotongan di satu titik. 2. Sinar datang dari medium kurang rapat ke medium lebih rapat akan dibiaskan mendekati garis normal. Sebaliknya, sinar datang dari medium lebih rapat ke medium kurang rapat akan dibiaskan menjauhi garis normal. normal air udara Pembelokan cahaya ketika melintasi dua medium yang berbeda kerapatan optiknya. 3
Indeks bias medium adalah nilai perbandingan antara cepat rambat di udara dan cepat rambat di dalam medium. n = c v Keterangan: n = indeks bias medium; c = cepat rambat cahaya di ruang hampa (3 10 8 m/s); dan v = cepat rambat cahaya dalam medium (m/s). E. Cermin 1. Cermin Datar a. Sifat Bayangan Sifat bayangan pada cermin datar adalah sebagai berikut. 1.) Sama tegak. 2.) Bersifat maya (semu). 3.) Jarak bayangan ke cermin sama dengan jarak benda ke cermin (s = s). 4.) Tinggi bayangan sama dengan tinggi benda (h = h). 5.) Besar bayangan sama dengan besar benda (M = M). 6.) Posisi bayangan (orientasi kanan kiri) berlawanan dengan bendanya. b. Macam-Macam Bayangan Macam-macam bayangan pada cermin datar adalah sebagai berikut. 1.) Bayangan nyata adalah bayangan yang terjadi karena perpotongan sinar-sinar pantul. 2.) Bayangan maya (semu) adalah bayangan yang terjadi karena perpotongan perpanjangan sinar pantul. Jika dua buah cermin datar saling membentuk sudut α, banyaknya bayangan yang terbentuk dapat ditentukan dengan rumus berikut. Keterangan: n = banyaknya bayangan; dan α = sudut antara 2 cermin datar. n = 360 1 α Penggunaan cermin datar dalam kehidupan sehari-hari adalah untuk berkaca. 4
2. Cermin Cembung Cermin cembung (cermin negatif) adalah cermin yang permukaannya melengkung ke luar. Sinar-sinar istimewa pada cermin cembung dapat dijelaskan sebagai berikut. a. Sinar datang sejajar sumbu utama, seolah-olah dipantulkan dari titik fokus. b. Sinar datang menuju titik fokus, dipantulkan sejajar sumbu utama. c. Sinar datang menuju jari-jari M atau pusat kelengkungan, dipantulkan kembali melalui pusat kelengkungan tersebut. B a c B' A f A' R 4 R f 1 R M 2 R 3 b Sinar istimewa cermin cembung. Sifat bayangan pada cermin cembung selalu maya, tegak, dan diperkecil. Salah satu contoh penggunaan cermin cembung adalah untuk kaca spion kendaraan bermotor. 3. Cermin Cekung Cermin cekung (cermin positif) adalah cermin yang permukaannya melengkung ke dalam. Cermin cekung ini bersifat mengumpulkan cahaya (konvergen). Sinar-sinar istimewa pada cermin cekung dapat dijelaskan sebagai berikut. a. Sinar datang sejajar dengan sumbu utama akan dipantulkan melalui titik fokus (F). b. Sinar datang melalui titik fokus (F) akan dipantulkan sejajar sumbu utama. c. Sinar datang yang melalui pusat kelengkungan (M) akan dipantulkan kembali melalui pusat kelengkungan tersebut. a b c Benda Pusat Fokus Sumbu Utama Sinar istimewa cermin cekung. 5
Salah satu contoh penggunaan cermin cekung adalah pada lampu senter. Sementara itu, sifat bayangan yang dibentuk oleh cermin cekung dapat dijelaskan sebagai berikut. Letak Benda dan Bayangan Ruang Sifat Bayangan Benda ruang III, bayangan ruang II R III B R II R I R IV Nyata, terbalik, diperkecil A' A M F O B' Benda ruang II, bayangan ruang III R III R II R I R IV B Nyata, terbalik, diperbesar A' M A F O B' Benda ruang I, bayangan ruang IV R III R II R I R IV B' B Maya, tegak, diperbesar M F A O A' Tabel 9.1. Tabel Letak Benda dan Bayangan pada Cermin Cekung Lantas, bagaimanakah jika benda diletakkan tepat pada titik fokus dan pusat kelengkungan cermin? Untuk mengetahuinya, perhatikan penjelasan berikut. a. Benda diletakkan di titik F M F Benda di titik F cermin cekung. Jika benda diletakkan di titik F, bayangan yang dihasilkan terletak di tak terhingga. 6
b. Benda diletakkan di titik M F Benda di titik M cermin cekung. Jika benda diletakkan di titik M, bayangan yang dihasilkan juga terletak di titik M dan bersifat nyata, terbalik, dan sama besar. 4. Rumus-Rumus pada Cermin Lengkung (Cembung dan Cekung) Berikut ini adalah rumus-rumus yang berlaku pada cermin lengkung. 1 1 1 2 + = = s s f R M s h = = s h R = 2f Keterangan: s = jarak benda dari cermin (cm); s = jarak bayangan dari cermin (cm); f = jarak fokus dari cermin (cm); f bernilai negatif ( ) untuk cermin cembung dan positif (+) untuk cermin cekung; R = jari-jari (cm); M = perbesaran bayangan (kali); h = tinggi benda (cm); dan h = tinggi bayangan (cm). Pada cermin lengkung, berlaku: a. R benda + R bayangan = 5 (lihat ruang masing-masing cermin: R 1, R 2, R 3, R 4, dan R 5 ) b. R bayangan = 1 atau 4 Bayangan maya dan tegak R bayangan = 2 atau 3 Bayangan nyata dan terbalik 7
c. R bayangan > R benda = diperbesar d. R bayangan < R benda = diperkecil F. Lensa Lensa adalah benda tembus cahaya yang dibatasi oleh dua bidang lengkung. Lensa dibedakan menjadi lensa cekung dan lensa cembung. 1. Lensa Cekung Lensa cekung (konkaf, lensa negatif ( )) terdiri atas 3 bentuk, yaitu lensa bikonkaf (cekung rangkap), lensa plankonkaf (cekung datar), dan lensa konveks-konkaf (cekung cembung). Sifat lensa cekung adalah dapat menyebarkan cahaya (divergen). a b c (a) bikonkaf; (b) plankonkaf; (c) konveks-konkaf. Adapun sifat-sifat sinar istimewa pada lensa cekung dapat digambarkan sebagai berikut. depan belakang F 2 F 1 O Sifat-sifat sinar istimewa pada lensa cekung. Sifat bayangan: maya, tegak, diperkecil. 8
2. Lensa Cembung Lensa cembung (konveks, lensa positif (+)) terdiri atas lensa cembung-cembung (bikonveks), lensa cembung datar (plankonveks), dan lensa cekung cembung (konkafkonveks). a b c (a) bikonveks (b) plankonveks(c) konkaf- konveks Adapun sifat-sifat sinar istimewa pada lensa cembung dapat digambarkan sebagai berikut. depan + belakang F 1 F 2 O Sifat-sifat sinar istimewa pada lensa cembung. Sifat bayangan: nyata dan terbalik jika di belakang lensa serta maya dan diperbesar jika di depan lensa. 3. Rumus pada Lensa Cekung dan Cembung 1 1 1 = + f s s M s h = = s h Keterangan: s = jarak benda dari lensa (cm); s = jarak bayangan dari lensa (cm); f = jarak fokus dari lensa (cm); M = perbesaran bayangan (kali); 9
h = tinggi benda (cm); dan h = tinggi bayangan (cm). Catatan: f bernilai positif untuk lensa cembung dan f bernilai negatif untuk lensa cekung; Jarak benda s bernilai positif jika terletak di depan lensa; dan Jarak bayangan s bernilai positif jika berada di belakang lensa. G. Alat Optik Alat optik adalah alat yang prinsip kerjanya menggunakan cahaya. Alat optik biasanya berupa benda bening yang digunakan untuk menghasilkan bayangan melalui pemantulan atau pembiasan. Ada beberapa macam alat optik, di antaranya adalah mata, kamera, lup, mikroskop, teleskop, dan sebagainya. 1. Mata Mata normal dapat melihat benda secara dekat dan jauh. Hal ini terjadi karena mata mempunyai daya akomodasi (emetropi). a. Bagian-bagian mata dan fungsinya retina bagian yang peka terhadap cahaya otot mata mengatur gerakan kedua bola mata saraf mata menghubungkan saraf dalam retina dengan otak lensa mata memfokuskan dan meneruskan cahaya agar jatuh di retina kornea melindungi lensa mata dan memfokuskan cahaya pupil mengatur banyaknya cahaya yang masuk ke mata iris mengatur ukuran pupil Bagian-bagian mata dan fungsinya. b. Daya akomodasi adalah kemampuan mata untuk mencembungkan atau memipihkan lensa mata sesuai dengan jarak benda. c. Titik dekat mata (punctum proximum = PP) adalah jarak terdekat yang masih dapat dilihat oleh mata dengan berakomodasi maksimum. d. Titik jauh mata (punctum remotum = PR) adalah jarak terjauh yang masih dapat dilihat oleh mata dengan tidak berakomodasi maksimum. 10
SUPER "Solusi Quipper" Punctum Remotum (PR) Ingat saja Remote TV untuk jarak jauh/ titik jauh mata e. Emetropi adalah mata normal yang masih dapat melihat benda dengan jelas pada jarak antara 25 cm sampai tak terhingga (~). Untuk mata normal, PP = 25 cm dan PR = tak terhingga. f. Cacat mata/kelainan pada mata 1.) Miopi (rabun jauh) adalah cacat mata yang menyebabkan penderita tidak dapat melihat benda secara jauh. Hal ini terjadi karena bayangan benda jatuh di depan retina. Penderita miopi dapat ditolong dengan kacamata negatif (cekung). 2.) Hipermetropi (rabun dekat) adalah cacat mata yang menyebabkan penderita tidak dapat melihat benda secara dekat. Hal ini terjadi karena bayangan benda jatuh di belakang retina. Penderita hipermetropi dapat ditolong dengan kacamata positif (cembung). 3.) Presbiopi (mata tua) adalah cacat mata yang disebabkan oleh menurunnya daya akomodasi mata karena usia lanjut. Penderita presbiopi dapat ditolong dengan kacamata berlensa rangkap (bifokal). SUPER "Solusi Quipper" Untuk menghafal kelainan pada mata dan lensa penolongnya, gunakan cara SUPER "Solusi Quipper" berikut. HIPER PENDEK-BUNG, MIOPI PANJANG-JANGKUNG Maksudnya: Hipermetropi, bola mata pendek sehingga bayangan melewati retina, lensa penolong: cembung. Miopi, bola mata panjang sehingga bayangan tidak sampai ke retina (di depan retina), lensa penolong: cekung. 11
Hipermetropi Lensa cembung Miopi Lensa cekung g. Rumus-rumus yang digunakan Untuk mata miopi: Cacat pada mata dan lensa penolongnya. P = 100 PR Untuk mata hipermetropi: 1 100 1 P = = f sn PP 100 P f cm = ( ) Keterangan: P = kekuatan lensa (dioptri); PR = titik jauh mata (cm); PP = titik dekat mata (cm); dan s n = jarak baca normal (cm). 2. Lup (Kaca Pembesar) Lup terbuat dari sebuah lensa cembung yang memiliki jarak fokus tertentu. Sifat bayangan yang dibentuk oleh lup adalah maya, tegak, dan diperbesar. Pengamatan dengan lup dapat dilakukan dengan 2 cara, yaitu sebagai berikut. 12
a. Mata berakomodasi maksimum Perbesaran: M = s +1 fn b. Mata tidak berakomodasi Perbesaran: M = s fn Keterangan: M = perbesaran (kali); f = jarak fokus (cm); dan S n = jarak normal (cm). 3. Mikroskop Mikroskop digunakan untuk mengamati benda-benda yang berukuran sangat kecil. Mikroskop terdiri atas 2 lensa positif (lensa cembung). a. Lensa objektif adalah lensa yang berada dekat dengan objek. b. Lensa okuler adalah lensa yang berada dekat dengan mata. Lensa objektif Lensa okuler Jalan cahaya ketika melewati mikroskop. Perbesaran mikroskop adalah hasil kali perbesaran lensa objektif dan perbesaran lensa okuler, sehingga diperoleh: M mik = M ob M ok 13
Oleh karena lensa okuler mikroskop berfungsi seperti lup, maka perbesaran mikroskop juga dapat dirumuskan sebagai berikut. a. Perbesaran mikroskop pada saat mata berakomodasi maksimum s ob sn Mmik = Mob Mok = + 1 sob fok Agar mata berakomodasi maksimum, jarak lensa objektif dan lensa okuler dapat ditentukan dengan rumus berikut. s d = s ob + sok = s ob + s n n f + f ok ok b. Perbesaran mikroskop pada saat mata tidak berakomodasi s ob sn Mmik = Mob Mok = sob fok Agar mata tidak berakomodasi, jarak lensa objektif dan lensa okuler dapat ditentukan dengan rumus berikut. d = s + f ob ok Keterangan: M mik = perbesaran mikroskop (kali); M ob = perbesaran oleh lensa objektif (kali); M ok s n f ok = perbesaran oleh lensa okuler (kali); = titik dekat mata (cm); = jarak fokus lensa okuler (cm); s ob = jarak bayangan oleh lensa objektif (cm); s ob d = jarak benda di depan lensa objektif (cm); dan = jarak lensa objektif dan lensa okuler (cm). Sifat bayangan yang terbentuk dari lensa objektif adalah nyata, terbalik, dan diperbesar. Sementara bayangan dari lensa okuler adalah maya, tegak, dan diperbesar. 14
4. Kamera Kamera merupakan alat optik yang sering digunakan untuk mengabadikan berbagai peristiwa dalam kehidupan. Pada dasarnya, kamera memiliki prinsip kerja yang sama dengan mata. Kamera terdiri atas beberapa bagian seperti gambar berikut. 2 1 3 Bagian-bagian kamera. 1. Lensa positif adalah bagian dari kamera yang berfungsi untuk menempatkan bayangan agar jatuh di pelat film. 2. Diafragma adalah bagian yang berfungsi untuk mengatur banyak sedikitnya cahaya yang diterima oleh film. 3. Layar shutter adalah bagian yang berfungsi untuk menutup jalannya cahaya menuju ke film. Bayangan yang terbentuk pada kamera bersifat nyata, terbalik, dan diperkecil. Bayangan tersebut akan terekam dalam pelat film. 5. Teleskop (Teropong) Teleskop adalah alat optik yang digunakan untuk melihat benda-benda yang letaknya sangat jauh agar kelihatan lebih dekat dan jelas. Teropong dibedakan menjadi beberapa jenis, yaitu sebagai berikut. a. Teropong bintang, digunakan untuk mengamati benda-benda langit. b. Teropong bumi, digunakan untuk mengamati benda-benda di permukaan bumi yang letaknya jauh. 6. Periskop Periskop adalah alat optik yang digunakan oleh kapal selam untuk melihat benda-benda yang berada di permukaan laut. Periskop terdiri atas 2 lensa cembung dan 2 prisma sikusiku sama kaki. Jalannya sinar pada periskop dapat dijelaskan sebagai berikut. 15
a. Sinar sejajar dari benda yang jauh menuju ke lensa objektif. b. Prisma P 1 memantulkan sinar dari lensa objektif menuju ke prisma P 2. c. Oleh prisma P 2, sinar tersebut dipantulkan lagi dan bersilangan di depan lensa okuler, tepat di titik fokus lensa okuler. P 1 L 1 P 2 Mata L 2 Periskop. 16