Cahaya dan Alat -alat Optik (CERMIN ) #Postingan1

Cahaya adalah gelombang elektromagnetik yang merambat tanpa memerlukan zat perantara. Oleh sebab itu, cahaya matahari dapat sampai ke bumi dan memberi kehidupan di dalamnya tanpa ada kendala dengan kecepatan 300.000.000 m/s.

Sifat-sifat Cahaya

Cahaya memiliki sifat-sifat khusus yang memang hanya dimiliki oleh cahaya, sifat-sifat cahaya yaitu:

• Cahaya merambat lurus
• Cahaya dapat dipantulkan (refleksi)
• Cahaya dapat dibiaskan (refraksi)
• Cahaya dapat mengalami pelenturan (difraksi)
• Cahaya dapat dijumlahkan (interferensi)
• Cahaya dapat diuraikan (dispersi)
• Cahaya dapat diserap arah getarannya (polarisasi)
• Cahaya bersifat sebagai gelombang dan partikel
• Cahaya merupakan gelombang elektromagnetik

A. Pembentukan Bayangan pada Cermin Datar

Pembentukan bayangan pada cermin datar, berlaku:

• Jarak benda = jarak bayangan
• Tinggi benda = tinggi bayangan
• Bayangan bersifat tegak, sama besar dan maya, dibelakang cermin
• Titik bayangan dihasilkan dari perpotongan sinar-sinar pantul yang digambarkan oleh garis putus-putus.

B. Pembentukan Bayangan pada Cermin Cekung

Untuk melukis bayangan yang dibentuk cermin cekung, digunakan sinar-sinar istimewa. Ada tiga jenis sinar istimewa pada cermin cekung, yaitu sebagai berikut:

• Sinar datang sejajar sumbu utama akan dipantulkan melalui titik fokus (F).
• Sinar datang melalui titik fokus (F) dipantulkan sejajar sumbu utama.
• Sinar datang melalui pusat kelengkungan cermin (P) dipantulkan lewat pusat kelengkungan itu juga.

Pembentukan bayangan pada cermin cekung minimal diperlukan dua buah sinar istimewa. Nantinya, sifat bayangan pada cermin cekung yang terbentuk bergantung pada posisi benda.

Sifat bayangan pada cermin cekung, yaitu:

• Apabila benda di ruang I, maka bayangan diruang IV bersifat maya, tegak, diperbesar.
• Apabila benda di ruang II, maka bayangan di ruang III bersifat nyata, terbalik, diperbesar.
• Apabila benda di ruang III, maka bayangan di ruang II bersifat nyata, terbalik, diperkecil.

Hubungan antara jarak benda, jarak bayangan, titik fokus cermin, dan perbesaran benda pada cermin cekung adalah sebagai berikut:

Keterangan:

f = Jarak fokus (cm)

s = Jarak benda ke cermin (cm)

s^’ = Jarak bayangan ke cermin (cm)

M = Perbesaran

h = Tinggi benda (cm)

h^’ = Tinggi bayangan (cm)

Catatan:

h^’ positif (+) menyatakan bayangan adalah tegak (dan maya)

h^’ negatif (-) menyatakan bayangan adalah terbalik (dan nyata)

Contoh soal:

Sebuah benda diletakkan 10 cm di depan cermin cekung. Jika jarak fokus cermin tersebut 6 cm, tentukan jarak bayangan yang dibentuk, nyatakan sifat-sifatnya dan buatlah diagram sinarnya!

Pembahasan:

Diketahui:

s = 10 cm

f  = 6 cm

Ditanyakan: 

s^’, sifat bayangan, dan gambar diagram sinar = ….?

Jawaban:

Sifat bayangan: nyata, terbalik, dan diperbesar.

Gambar diagram sinar:

C. Pembentukan Bayangan pada Cermin Cembung

Cermin cembung adalah cermin lengkung yang bagian luarnya dapat memantulkan cahaya. Cermin cembung disebut juga dengan cermin negatif (-) karena titik fokus cermin cembung terletak di belakang cermin yang merupakan titik potong perpanjangan sinar-sinar pantul dari berkas sinar datang yang sejajar. Oleh sebab itu, jarak fokus cermin cembung bernilai negatif (-).

Pada cermin cembung juga berlaku hukum-hukum pemantulan, yaitu besarnya sudut datang sama dengan besarnya sudut pantul. Sinar-sinar istimewa dan diagram sinar pada cermin cembung adalah sebagai berikut:

• Sinar datang sejajar sumbu utama dipantulkan seolah-olah berasal dari titik fokus.
• Sinar datang yang menuju titik fokus (F) dipantulkan sejajar sumbu utama.
• Sinar datang yang menuju ke titik pusat kelengkungan (P) dipantulkan kembali seolah-olah berasal dari titik pusat kelengkungan tersebut.

Bayangan yang terbentuk pada cermin cembung selalu bersifat maya, tegak, dan diperkecil. Rumus-rumus yang berlaku untuk cermin cekung juga berlaku untuk cermin cembung. Hanya saja, dalam menggunakan persamaan cermin cembung jarak fokus (f) dan jari-jari cermin (R) selalu dimasukkan bertanda negatif (-). Dengan catatan bahwa dalam cermin cembung harga f dan R bernilai negatif (-).

Contoh Soal:

Sebuah cermin cembung memiliki jari-jari kelengkungan 30 cm. Jika benda diletakkan pada jarak 10 cm di depan cermin cembung, tentukan jarak bayangan yang dibentuknya, nyatakan sifat-sifatnya, dan buatlah gambar diagram sinar!

Pembahasan:

Diketahui:

R = 30 cm

s = 10 cm

f = ½ R = ½ x 30 cm = 15 cm

Ditanyakan:

s^’, sifat bayangan, dan gambar diagram sinar = …?

Jawaban:

Sifat bayangan: maya, tegak, dan diperkecil

Gambar diagram sinar:

LAPISAN ATMOSFER

Bumi merupakan planet ketiga dalam sistem galaksi Bima Sakti. Berdasar gambar yang diambil dari teleskop Hubble yang diluncurkan National Aeronautic Special Administration (NASA), bumi berbentuk bulat seperti bola. Seperti yang kita ketahui, bola hanya memiliki selimut yang menyelubungi permukaan saja, sedangkan bagian dalamnya kosong. 

Bumi merupakan planet yang dapat dihuni makhluk hidup. Sebab, di bumi tersedia komponen – komponen pendukung seperti  air, udara dan tanah yang merupakan tempat tumbuhnya berbagai tanaman untuk mendukung kehidupan termasuk berbagai mineral dan hasil tambang. 

Bumi terdiri atas 3 komponen utama, yakni komponen gas (atmosfer), komponen padatan (litosfer) dan komponen air (hidrosfer). Selain itu, bumi memiliki komponen lainnya yaitu bumi bagian es (kriosfer) dan bagian bumi tempat di mana berlangsungnya kehidupan yang dinamakan (biosfer). 

Atmosfer 

Atmosfer berasal dari 2 kata Yunani, yakni atmos yang berarti uap dan sphaira yang berarti lapisan. Jadi, atmosfer adalah lapisan uap (udara) yang menyelimuti bumi. Atmosfer terdiri atas campuran gas, sedikit cairan dan padatan yang menyelimuti bumi mulai dari permukaan bumi hingga luar angkasa.

Atmosfer terbentuk dari letusan gunung berapi yang kaya nitrogen dan karbon dioksida, tetapi sedikit oksigen. Kemudian, organisme fotosintetik mengolah karbon dioksida menjadi oksigen dan melepaskan oksigen tersebut ke atmosfer sebagai hasil pengolahan makanan yang memanfaatkan cahaya matahari. 

Atmosfer tersusun atas gas nitrogen sebesar 78%, Oksigen 21%, Karbon dioksida, argon, dan beberapa gas lain menyusun sebagian kecil dari atmosfer. Berikut komponen penyusun atmosfer

Lapisan Atmosfer 

Atmosfer tersusun atas 2 bagian yaitu bagian bawah terdiri dari Troposfer dan Stratosfer, bagian bawah terdiri dari Mesosfer, Termosfer, dan Eksosfer. 

Troposfer merupakan lapisan atmosfer paling bawah. Ketinggiannya mulai dari permukaan laut (0 km) hingga 10 km di atas permukaan laut (dpl). Sebagian besar troposfer berbentuk uap air dan 75% terdiri atas gas-gas atmosfer. Troposfer merupakan tempat berlangsungnya sistem bumi, seperti hujan, angin, salju, awan dan aktivitas makhluk hidup, termasuk manusia. 

Stratosfer : pesawat yang melintas di udara berada di lapisan stratosfer. Stratosfer memiliki ketinggian antara 10 – 50 km dpl. Lapisan stratosfer memiliki sedikit awan, namun tidak ada aktivitas cuaca, sehingga tidak mengganggu penerbangan. Sebagian besar stratosfer terdiri atas gas ozon (O3). 

Mesosfer : ketika melihat meteor, terlihat seperti meteor melintasi bumi kemudian hilang. Namun sebenarnya meteor sedang menuju bumi dan terbakar habis di atmosfer. Lapisan atmosfer yang membakar meteor tersebut adalah mesosfer. Mesosfer memiliki ketinggian 50 – 85 km dpl dan menjadi lapisan pelindung bumi dari benda-benda luar angkasa. 

Termosfer : memiliki ketinggian antara 85-500 km dpl. Dinamakan termosfer karena suhu ang sangat panas yakni mencapai 1.982°C. Termosfer berfungsi sebagai tempat mengorbitnya teleskop Hubble dan pesawat ulang-alik, serta melindungi bumi dari radiasi ultraviolet. 

Eksosfer : terdapat pada ketinggian lebih dari 500 km dpl. Kandungan utama dari eksosfer adalah hidrogen. Jika melihat video atau film penjelajahan luar angkasa, terlihat bahwa pesawat luar angkasa dan satelit yang mengorbit di eksosfer tidak dapat bergerak bebas seperti pesawat biasa. 

Satelit-satelit buatan yang mengitari bumi tersebut berada dalam atmosfer bumi, yaitu lapisan eksosfer.

Teleskop Hubble adalah teleskop luar angkasa yang diciptakan oleh Edwin Hubble tahun 1985, tahun 1990 di”angkasakan” oleh NASA, memiliki massa 11.110 kg, mengorbit pada ketinggian 559 km. Dengan ini, ilmuwan mengobservasi dan mempelajari jagad raya, objek luar angkasa seperti lubang hitam (black hole), galaksi, bintang, dan sebbagainya.

Tekanan Udara di Atmosfer

Udara yang ada di atmosfer memiliki sebuah tekanan udara yang menekan permukaan bumi. Besarnya tekanan udara menurun seiring dengan bertambahnya ketinggian suatu tempat. Di atmosfer terdapat lapisan ozon yang melindungi bumi dari radiasi sinar ultraviolet. 

Perlu diingat bahwa sifat zat adalah memiliki massa. Gas di atmosfer juga memiliki massa. Atmosfer menyelubungi bumi hingga ratusan kilometer di atas permukaan bumi. Gravitasi Bumi akan menghasilkan gaya tarik molekul gas mengarah ke permukaan bumi, sehingga berat molekul suatu gas akan menekan udara di bawahnya. 

Akibatnya, molekul udara di dekat permukaan bumi lebih rapat. Udara yang memiliki kerapatan tinggi ini akan menghasilkan gaya tekan yang besar pula. Gaya yang diberikan pada suatu daerah disebut tekanan. 

Suhu di Atmosfer 

Energi Matahari dipancarkan dengan radiasi ke seluruh sistem galaksi Bima Sakti. Sebelum mencapai permukaan bumi, radiasi energi Matahari akan melewati atmosfer, oleh atmosfer sebagian energi Matahari akan diserap dalam bentuk kalor atau panas. 

Lapisan troposfer memiliki suhu antara -52°C hingga 17°C. Bagian terendah dari stratosfer memiliki suhu paling hangat, karena permukaan bumi menyerap energi radiasi Matahari kemudian menyalurkannya ke udara di atasnya. 

Pada lapisan mesosfer, semakin tinggi maka temperaturnya semakin rendah, karena mesosfer tersusun atas molekul gas yang sulit menyerap energi Matahari. 

Lapisan termosfer dan eksosfer merupakan lapisan pertama yang menerima radiasi energi Matahari dan memiliki jumlah molekul yang sedikit. Namun, molekul pada 2 lapisan ini sangat efektif menyerap energi Matahari. Akibatnya, semakin tinggi ketinggiannya semakin besar pula temperaturnya. 

 

MANFAAT PRINSIP HUKUM ARCHIMEDES DAN HUKUM PASCAL

 

Hukum Archimedes

Apabila kamu berdiri di dalam kolam renang yang sedang diisi air, semakin penuh air kolam tersebut, kamu akan merasakan seolah-olah badan kamu semakin ringan.

Bahkan apabila air kolam sudah sampai kepala, maka kamu akan dapat terapung. Prinsip tersebut juga biasa digunakan agar kapal laut terapung di permukaan air.

Ketika suatu benda dimasukkan ke dalam air, ternyata beratnya seolah-olah berkurang. Peristiwa tersebut tentu bukan karena ada massa benda yang hllang, akan tetapi disebabkan oleh suatu gaya yang mendorong benda yang arahnya berlawanan dengan arah berat benda.

Seorang ahli fisika yang bernama Archimedes mempelajari hal ini dengan cara memasukkan dirinya ke dalam bak mandi.

Ternyata Archimedes merasakan beratnya menjadi lebih ringan ketika di dalam air. Gaya ini disebut dengan gaya apung (Fa). Gaya apung sama dengan berat benda di udara dikurangi dengan berat benda di dalam air.

Fa = wu – wa

dengan :

• Fa = gaya apung (N)
• wu = gaya berat benda di udara (N)
• wa = gaya berat benda di air (N)

Besarnya gaya apung tergantung pada banyaknya air yang didesak oleh benda. Semakin besar air yang didesak, maka semakin besar pula gaya apungnya. Hasil penemuan ini dikenal dengan Hukum Arcihemedes, yang menyatakan :

“jika suatu benda dicelupkan ke dalam zat cair, baik sebagian atau seluruhnya, maka benda akan mendapatkan gaya apung (gaya ke atas) yang besarnya sama dengan berat zat cair yang desak oleh benda tersebut.”

Secara matematis ditulis :

Fa = wf

Karena

wf = mf x g

dan

mf = ρf x V

maka

 wf = ρf x V x g

dengan :

• Fa = gaya apung (N)
• ρf = massa jenis za cair (kg/m3)
• V = volume air yang didesak atau volume benda yang tercelup (m3)
• g = percepatan gravitasi (m/s2)

Benda di dalam zat cair dapat berada pada tiga keadaan, yaitu mengapung, melayang, dan tenggelam.

• Benda mengapung, jika massa jenis benda lebih kecil daripada massa jenis zat cair (ρb < ρa)
• Benda melayang, jika massa jenis benda sama besar dengan massa jenis zat cair (ρb = ρa)
• Benda tenggelam, jika massa jenis benda lebih besar daripada mass jenis zat cair (ρb > ρa)

Beberapa teknologi yang memanfaatkan prinsip hukum Archimedes adalah sebagai berikut.

a. Kapal selam

Kapal selam adalah kapal yang dapat bergerak dalam tiga keadaan, yaitu mengapung, melayang, dan tenggelam.

Pada badan kapal selam, terdapat bagian yang dapat diisi udara dan air. Ketika kapal selam ingin terapung, maka bagian tersebut harus diisi udara.

Ketika akan melayang,  udaranya akan dikeluarkan dan disi air, sehingga mencapai keadaan melayang. Jika ingin tenggelam, maka airnya harus lebih diperbanyak lagi.

b.  Hidrometer

Hidrometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur massa jenis zat cair. Cara menggunakan hidrometer adalah dengan mencelupkannya pada zat cair yang akan diukur massa jenisnya.

Setelah itu dilihat skala permukaan zat cair. Nilai yang tampak merupakan skala massa jenis dari zat cair tersebut.

c.  Jembatan ponton

Di pelabuhan, kita dapat melihat jembatan yang terbuat dari drum-drum besar yang mengapung di atas air. Jembatan itu dinamakan jembatan ponton.

Drum-drum tersebut biasanya terbuat dari besi dan didalamnya diisi dengan udara sehingga massa jenisnya lebih kecil dari massa jenis zat cair.

d. Balon udara

Balon udara adalah penerapan prinsip Archimedes di udara. Balon udara harus diisi dengan gas yang massa jenisnya lebih kecil dari massa jenis udara di atmosfer sehingga dapat terbang karena mendapatkan gaya ke atas.

Hukum Pascal

Pernahkah kamu melihat mobil yang dicuci di tempat pencucian kendaraan? Mobil yang akan dicuci tersebut diangkat dengan menggunakan alat pengangkat yang dinamakan pompa hidrolik. Pompa hidrolik adalah salah satu alat yang bekerjanya menggunakan prinsip hukum Pascal.

Hukum Pascal menyatakan bahwa :

“Tekanan yang diberikan pada zat cair di ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan sama rata.”

Mengapa gaya yang lebih kecil dapat mengangkat gaya berat beban yang lebih besar? Pada pompa hidrolik, terdapat dua luas penampang yang berbeda, yaitu luas penampang kecil (A1) dan luas penampang besar (A).

Jika penampang dengan luas A1 diberi gaya dorong F1, maka akan dihasilkan tekanan P1.

Menurut hukum Pascal, tekanan P1 tersebut diteruskan ke segala arah dengan sama besar, termasuk ke luas penampang A2. Dengan demikian, pada penampang A akan muncul gaya angkat F2 dengan tekanan P2.

Secara matematis akan diperoleh persamaan pada dongkrak hidrolik sebagai berikut.

dengan :

P1 dan P2 = tekanan (N/m2)

F1 dan F2 = gaya yang diberikan (Newton)

A1 dan A2 = luas penampang (m2)

Contoh soal :

Sebuah alat pengangkat mobil menggunakan luas penampang pengisap kecil 10 cm2 dan pengisap besar 50 cm2.

Berapakah gaya yang harus diberikan agar dapat mengangkat sebuah mobil dengan berat 20.000 N?

Pembahasan :

Diket : A1 = 10 cm2, A2 = 50 cm2, F2 = 20.000 N

Dit : F1 = … ?

Jawab :

F1 = (F2/A2) x A1

= 4.000 N

Jadi dapat disimpulkan bahwa dengan gaya 4.000 N dapat mengangkat sebuah mobil 20.000 N menggunakan konstruksi mesin pengangkat mobil tersebut.

Beberapa peralatan lainnya yang menerapkan hukum Pascal, antara lain rem hidrolik pada kendaraan bermotor, kempa hidrolik, dan alat berat untuk mengeruk tanah dan pasir.