Kurikulum 2013 FIika K e l a XI KARAKTERISTIK GELOMBANG Tujuan Pembelajaran Setelah mempelajari materi ini, kamu diharapkan memiliki kemampuan berikut. 1. Memahami pengertian gelombang dan jeni-jeninya. 2. Dapat menentukan bearan-bearan yang terlibat dalam pembahaan gelombang. 3. Memahami karakteritik gelombang yang meliputi pembiaan, difraki, pemantulan, diperi, interfereni, efek Doppler, dan polariai. 4. Dapat menyeleaikan permaalahan terkait karakteritik gelombang. A. Pengertian Gelombang Gelombang adalah gejala rambatan dari uatu getaran/uikan. Gelombang dapat diamati dengan mudah melalui gejala yang ditimbulkannya, mialnya pada gelombang air laut. Ketika angin berhembu dari lautan ke arah pantai, air laut akan teruik atau bergetar. Uikan yang terlihat merambat pada permukaan air laut inilah yang merupakan alah atu contoh gelombang. Jika di ata permukaan air laut yang edang teruik terebut terdapat perahu, medium air tidak akan merambatkan perahu terebut. Hal ini menunjukkan bahwa air ebagai medium dan perahu ebagai materi tidak ikut merambat berama gelombang. Pada gelombang, yang merambat hanyalah energinya. Berdaarkan penjelaan terebut, dapat diimpulkan bahwa gelombang adalah proe pemindahan energi dari uatu tempat ke tempat lainnya. Saat pemindahan energi, medium tidak ikut berpindah.
B. Macam-Macam Gelombang 1. Berdaarkan medium perambatannya, gelombang dibedakan menjadi dua, yaitu gelombang mekanik dan gelombang elektromagnetik. a. Gelombang mekanik Gelombang mekanik adalah gelombang yang dalam proe perambatannya memerlukan medium (zat perantara). Artinya, jika tidak ada medium, gelombang tidak akan terjadi. Contoh: gelombang bunyi yang zat perantaranya adalah udara. Jika tidak ada udara, bunyi tidak akan terdengar; gelombang tali yang zat perantaranya adalah tali itu endiri; dan gelombang air laut yang zat perantaranya adalah air. Gelombang mekanik memiliki beberapa ifat khuu, yaitu ebagai berikut. Gelombang mekanik memiliki frekueni yang terbata. Gelombang mekanik hanya dapat didengar oleh manuia pada frekueni tertentu (20 20.000 Hz). b. Gelombang elektromagnetik Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang dalam proe perambatannya tidak memerlukan medium. Contoh dari gelombang ini adalah gelombang cahaya, gelombang radio, inar-x, dan ebagainya. Gelombang elektromagnetik memiliki beberapa ifat khuu, yaitu ebagai berikut. Gelombang elektromagnetik memiliki frekueni antara 10 3 Hz ampai 10 20 Hz. Gelombang elektromagnetik dapat membentuk pektrum gelombang. Gelombang elektromagnetik tidak enitif terhadap pendengaran, tetapi ada yang enitif terhadap penglihatan, eperti cahaya tampak. 2. Berdaarkan arah getar dan arah rambatnya, gelombang dibedakan menjadi dua, yaitu gelombang tranveral dan gelombang longitudinal. a. Gelombang Tranveral Gelombang tranveral adalah gelombang yang arah getarnya tegak luru dengan arah rambatnya. Bentuk getaran pada gelombang ini berupa lembah dan bukit. Contohnya adalah gelombang tali, gelombang cahaya, gelombang air, gelombang eimik ekunder, gelombang Rayleigh (permukaan), dan ebagainya. 2
b. Gelombang Longitudinal Gelombang longitudinal adalah gelombang yang arah getarnya ejajar dengan arah rambatnya. Bentuk getaran pada gelombang ini berupa rapatan dan regangan. Contohnya adalah gelombang bunyi, gelombang pega, dan gelombang eimik primer. 3. Berdaarkan amplitudonya, gelombang dibedakan menjadi dua, yaitu gelombang berjalan dan gelombang taioner. a. Gelombang Berjalan Gelombang berjalan adalah gelombang yang amplitudonya tetap etiap aat. Artinya, etiap titik yang dilalui oleh gelombang bergetar ecara harmonik dengan amplitudo yang ama bear. Contohnya adalah gelombang bunyi. b. Gelombang Staioner Gelombang taioner merupakan hail perpaduan dua gelombang (gelombang datang dan gelombang pantul) yang amplitudo dan frekueninya ama, tetapi arah rambatnya berlawanan. Pada gelombang ini, tidak emua titik yang dilalui mempunyai amplitudo yang ama. Ada titik-titik yang bergetar dengan amplitudo makimum yang diebut perut (p) dan ada titik-titik yang bergetar dengan amplitudo minimum yang diebut impul (). C. Peramaan Daar Gelombang Perhatikan gambar berikut. Puncak λ Arah getaran A Arah rambatan λ Lembah Gelombang tranveral pada tali 3
Rapatan λ Regangan λ Gelombang longitudinal pada pega Bearan-bearan yang terlibat dalam pembahaan gelombang adalah ebagai berikut. 1. Amplitudo gelombang (A) Amplitudo gelombang (A) atau impangan makimum adalah jarak puncak gelombang ke titik acuan (biaanya titik nol). Satuan amplitudo gelombang adalah meter. 2. Panjang gelombang (λ) Pada gelombang tranveral, panjang gelombang didefiniikan ebagai jarak antara dua puncak atau dua lembah yang berdekatan. Sementara itu, pada gelombang longitudinal, panjang gelombang didefiniikan ebagai jarak antara dua rapatan atau dua regangan yang berdekatan. Satuan panjang gelombang adalah meter. 3. Frekueni gelombang (f) Frekueni gelombang (f) adalah banyaknya gelombang tiap atuan waktu. Satuan frekueni gelombang adalah hertz (Hz). Keterangan: f= n n = jumlah gelombang yang terbentuk; t t = waktu yang ditempuh gelombang (); dan f = frekueni gelombang (Hz). 4. Periode gelombang (T) Periode gelombang (T) adalah waktu yang dibutuhkan oleh gelombang untuk menempuh atu panjang gelombangnya. Satuan periode gelombang adalah ekon (). T= n t f = 1 T Keterangan: n = jumlah gelombang yang terbentuk; t = waktu yang ditempuh gelombang (); f = frekueni gelombang (Hz); dan T = periode gelombang (). 4
5. Cepat rambat gelombang (v) Cepat rambat gelombang (v) adalah jarak yang ditempuh gelombang tiap ekon. Satuan cepat rambat gelombang adalah m/. Keterangan: v = λ v = cepat rambat gelombang (m/); T λ = panjang gelombang (m); f = frekueni gelombang (Hz); dan v = λ. f T = periode gelombang (). Contoh Soal 1 Gelombang air laut mendekati perahu dengan cepat rambat 10 m/. Jika jarak antara dua puncak gelombang yang berdekatan adalah 2 meter, periode dan frekueni gelombang terebut adalah... Pembahaan: Diketahui: v =10 m/ λ = 2 m Ditanya: T dan f =...? Dijawab: Berdaarkan rumu cepat rambat gelombang, diperoleh: v = λ T λ = v T 2 = 10 T T = 0,2 Oleh karena frekueni kebalikan dari periode, maka: f = 1 = 1 =5 Hz T 0,2 Jadi, periode gelombangnya adalah 0,2 dan frekueni gelombangnya adalah 5 Hz. 5
D. Karakteritik Gelombang Ada beberapa karakteritik/ifat gelombang yang berlaku umum, baik pada gelombang mekanik, gelombang elektromagnetik, gelombang tranveral, maupun gelombang longitudinal. Sifat-ifat gelombang terebut antara lain pembiaan, difraki, pemantulan, diperi, interfereni, efek Doppler, dan polariai. 1. Pembiaan (Refraki) Pembiaan adalah peritiwa pembelokan arah lintaan gelombang. Pembiaan terjadi karena gelombang melewati bidang bata antara dua medium dengan indek bia yang berbeda. Indek bia adalah uatu bearan yang menyatakan kerapatan uatu medium. Indek bia dapat didefiniikan ebagai perbandingan antara cepat rambat cahaya dalam ruang hampa dan cepat rambat cahaya dalam uatu medium tertentu. Secara matemati, indek bia dirumukan ebagai berikut. n= c v Keterangan: n = indek bia; v = cepat rambat cahaya di medium tertentu (m/); dan c = cepat rambat cahaya dalam ruang hampa (3 10 8 m/). Peritiwa pembiaan dapat diamati ketika cahaya merambat dari udara ke air. Oleh karena udara dan air memiliki indek bia yang berbeda, maka arah lintaan gelombang akan mengalami pembelokan (pembiaan). Gejala pembiaan ini euai dengan hukum Snelliu. Untuk lebih lebih jelanya, perhatikan gambar berikut. Sinar datang Gari normal λ 1, v 1 i Udara (n 1 ) Bidang bata dua medium Air (n 2 ) r λ 2, v 2 Sinar bia Bunyi hukum I Snelliu : Sinar datang, inar bia, dan gari normal terletak pada atu bidang datar, dan ketiganya aling berpotongan. 6
Bunyi hukum II Snelliu : Sinar yang datang dari medium kurang rapat menuju medium lebih rapat akan dibiakan mendekati gari normal. Sebaliknya, inar yang datang dari medium lebih rapat menuju medium kurang rapat dibiakan menjauhi gari normal. Hukum Snelliu juga menyatakan bahwa perbandingan antara inu udut datang dan udut bia adalah ekuivalen terhadap perbandingan kecepatan dan panjang gelombang dalam 2 medium. Selain itu, perbandingan antara inu udutnya juga merupakan kebalikan dari perbandingan indek bianya. ini in = n2 = v1 = λ1 r n v λ 1 2 2 Keterangan: i = udut datang; r = udut bia; n 1 = indek bia medium pertama; n 2 = indek bia medium kedua; v 1 = cepat rambat cahaya di medium pertama (m/); v 2 = cepat rambat cahaya di medium kedua (m/); λ 1 = panjang gelombang cahaya di medium pertama (m); dan λ 2 = panjang gelombang cahaya di medium kedua (m). Contoh Soal 2 Suatu gelombang cahaya datang dengan udut 60 dari medium yang berindek bia 1,5 menuju medium yang berindek bia 3 4 Pembahaan: Diketahui: i = 60 6. Berapakah bear udut bia yang terjadi? n 1 = 1,5 = 3 2 n 2 = 3 4 6 Ditanya: r =...? 7
Dijawab: Berdaarkan hukum Snelliu, diperoleh: ini in = n2 r n 1 in60 inr o 1 3 2 3 in r = 3 = 4 6 3 2 3 4 6 3 2 in r = 1 2 2 r = arc in 1 2 2=45o Jadi, bear udut bia yang terjadi adalah 45 o. 2. Difraki (Pelenturan) Difraki adalah pelenturan/penyebaran gelombang ketika melewati ebuah celah. Peritiwa difraki pada gelombang cahaya dapat diamati melalui ebuah ekperimen. Hail ekperimen akan menunjukkan pola terang dan gelap pada layar. Pada peritiwa difraki, emakin bear panjang gelombang cahaya yang melewati celah, emakin kuat pula cahaya terebut dilenturkan. Gejala difraki akan emakin tampak jela apabila celah yang dilewati emakin empit. Contoh difraki dalam kehidupan eharihari adalah aat kamu mendengar uara mobil di tikungan jalan. Mekipun kamu belum melihat mobil karena terhalang oleh bangunan atau pepohonan, tetapi uara mobil terebut udah dapat terdengar. 3. Pemantulan (Refleki) Pemantulan gelombang adalah peritiwa pengembalian eluruh atau ebagian gelombang ketika bertemu dengan bidang bata antara dua medium. Pada peritiwa pemantulan gelombang cahaya oleh uatu bidang bata, berlaku hukum pemantulan gelombang berikut. Bear udut datang (i) gelombang ama dengan udut pantul (i') gelombang. Sudut datang adalah udut yang dibentuk oleh inar datang dan gari normal. Sementara udut pantul adalah udut yang dibentuk oleh inar pantul dan gari normal. Gelombang datang, gelombang pantul, dan gari normal terletak pada atu bidang datar. 8
Gari normal i i' Selain pada gelombang cahaya, peritiwa pemantulan juga dapat terjadi pada gelombang tali. Saat gelombang tali ampai di ujung tali (bata antara tali dan medium lain), gelombang akan dipantulkan kembali ke dalam tali terebut. Contoh Soal 3 Perhatikan gambar tiga buah cermin berikut! θ o 135 o 65 o 120 o Bearnya udut pantul pada cermin ketiga (θ o ) adalah... Pembahaan: SUPER "Solui Quipper" 120 65 = 55 135 55 = 80 Jadi, bearnya udut pantul pada cermin ketiga adalah 80 o. 9
4. Diperi Diperi adalah penyebaran/penguraian bentuk gelombang ketika merambat melalui uatu medium. Diperi tidak terjadi pada gelombang bunyi yang merambat melalui udara. Hal ini terjadi karena udara merupakan medium yang dapat mempertahankan bentuk gelombang. Medium eperti ini diebut ebagai medium nondiperi. Peritiwa diperi dapat diamati ketika cahaya putih (polikromati) melalui ebuah kaca prima. Cahaya putih terebut akan terurai menjadi cahaya monokromati. Dalam hal ini, kaca prima adalah medium diperi untuk cahaya. β δ m δ u Polikromati ϕ Sinar merah Sinar ungu Penguraian cahaya pada prima Sudut deviai (δ) adalah udut yang dibentuk antara inar datang dan inar yang keluar dari prima. Bearnya udut deviai inar merah dan inar ungu adalah ebagai berikut. δ m = (n m 1)β δ u = (n u 1)β Keterangan: n m = indek bia inar merah; n u = indek bia inar ungu; β = udut pembia prima (derajat); δ m = deviai inar merah (derajat); dan δ u = deviai inar ungu (derajat). Berdaarkan gambar, tampak bahwa udut deviai inar ungu lebih bear daripada udut deviai inar merah. Seliih antara udut deviai inar ungu dan inar merah ini diebut ebagai udut diperi (ϕ). Sudut diperi dirumukan ebagai berikut. ϕ = (n u n m )β 10
Contoh Soal 4 Seberka cahaya polikromati menembu prima yang udut pembianya 15. Jika indek bia untuk cahaya merah dan ungu maing-maing adalah 1,48 dan 1,51, bear udut diperinya adalah... Pembahaan: Diketahui: β = 15 n m = 1,48 n u = 1,51 Ditanya: ϕ =...? Dijawab: Berdaarkan rumu udut diperi, diperoleh: ϕ = (n u n m )β = (1,51 1,48)15 = 0,45 Jadi, bear udut diperinya adalah 0,45. 5. Interfereni (Perpaduan) Jika dua buah gelombang bertemu pada uatu tempat, reultan kedua gelombang di tempat terebut ama dengan jumlah dari kedua gelombangnya. Gelombanggelombang yang bertemu atau berpadu ini akan memengaruhi medium. Pengaruh yang ditimbulkan oleh gelombang-gelombang yang berpadu ecara umum diebut interfereni gelombang. Interfereni dibedakan menjadi dua, yaitu interfereni kontruktif dan interfereni detruktif. Interfereni kontruktif (aling menguatkan) terjadi jika kedua gelombang yang berpadu memiliki fae yang ama. Amplitudo gelombang hail paduan ini ama dengan dua kali amplitudo maing-maing gelombang. Interfereni detruktif (aling melemahkan) terjadi jika kedua gelombang yang berpadu memiliki fae yang berlawanan. Amplitudo gelombang hail paduan ini ama dengan nol. Interfereni kontruktif dan detruktif lebih mudah dipahami dengan menggunakan ilutrai berikut. 11
(a) Interfeni Kontruktif (b) Interfeni Detruktif 6. Efek Doppler Efek Doppler merupakan gejala umum dari gelombang. Pada gelombang bunyi, jika pendengar dan umber bunyi bergerak aling mendekati, frekueni yang didengar akan lebih bear daripada frekueni umber bunyinya, begitu juga ebaliknya. Efek Doppler juga dapat didefiniikan ebagai efek berubahnya frekueni uara yang terdengar akibat adanya kecepatan relatif antara umber bunyi dan pendengar. Rumu yang berlaku pada efek Doppler adalah ebagai berikut. f P f = P v v = ± v ± v ( a) ( ) P f Jika ada pengaruh angin: v ± v ± v v ± v ± v a p f Keterangan: f p = frekueni pendengar (Hz); f = frekueni umber bunyi (Hz); v = cepat rambat bunyi di udara (m/); v p = kelajuan pendengar (m/); v = kelajuan umber (m/); dan v a = kelajuan angin (m/). Perjanjian tanda efek Doppler: v p dan v bernilai nol jika keduanya diam; v p bertanda poitif (+) jika pendengar mendekati umber bunyi; v p bertanda negatif ( ) jika pendengar menjauhi umber bunyi; v bertanda poitif (+) jika umber bunyi menjauhi pendengar; dan v bertanda negatif ( ) jika umber bunyi mendekati pendengar. Contoh Soal 5 Sebuah ambulan bergerak menjauhi pendengar yang diam dengan kelajuan 20 m/. Saat itu, ambulan membunyikan irene dengan frekueni 360 Hz. Jika cepat rambat bunyi di udara 340 m/, panjang gelombang irene dan frekueni yang didengar oleh orang yang diam terebut adalah... 12
Pembahaan: Diketahui: v = 20 m/ v P = 0 (pendengar dalam poii diam) f = 360 Hz v = 340 m/ Ditanya: λ dan f P =...? Dijawab: Berdaarkan rumu cepat rambat gelombang, diperoleh: λ v = = 340 f 360 =0,94 m Berdaarkan peramaan efek Doppler dan perjanjian tandanya, diperoleh: f P v v = + v + v P f 340 +0 = 340 +20 360 = 340 Hz Jadi, panjang gelombang irene adalah 0,94 m, edangkan frekueni yang didengar oleh orang yang diam terebut adalah 340 Hz. 7. Polariai Ada atu karakteritik gelombang yang hanya dapat terjadi pada gelombang tranveral, yaitu polariai. Polariai adalah peritiwa tererapnya ebagian arah getar gelombang ehingga hanya memiliki atu arah aja. Perhatikan ilutrai berikut! arah getar arah getar A A arah getar a A b 13
Peritiwa terebut menunjukkan terjadinya polariai pada gelombang tali yang melewati ebuah celah empit. Arah polariai gelombang terebut euai dengan arah celahnya. Secara ederhana, polariai dapat diartikan ebagai penyearah gerak getaran gelombang. Mialkan ada gelombang yang bergetar ke egala arah. Setelah melewati ebuah celah, arah getaran gelombang terebut akan menjadi atu arah aja. Gelombang yang dihailkan ini diebut ebagai gelombang terpolariai linear. 14