A. Sejarah dan Pengertian Cahaya.
Pada awalnya, ketika zaman Isac Newton (1642-1727), sebagian besar para ilmuwan masih mengartikan bahwa cahaya terdiri dari aliran partikel-partikel (dinamakan benda-benda kecil) yang dipancarkan oleh sumber cahaya. Hingga akhirnya pada tahun 1665, bukti mengenai sifat gelombang pada artikel mulai ditemukan oleh Galileo dan beberapa ilmuwan lain. Hingga pada permulaan abad ke-19 bukti nyata bahwa cahaya adalah sebuah gelombang telah tumbuh dengan meyakinkan
Cahaya merupakan gelombang transversal yang termasuk gelombang elektromagnetik. Cahaya adalah sesuatu yang memancar dari mata kemudian berkembang bahwa cahaya muncul dari objek yang terlihat dan memasuki mata.pada bidang fisika cahaya diartikan sebagai radiasi elektromagnetik, baik dengan panjang gelombang kasat mata maupun yang tidak. Akan tetapi pada akhirnya teori gelombang tidak berhasil menjelaskan semua sifat-sifat cahaya, khusunya tentang interaksi cahaya dengan materi. Hingga pada tahun 1887, di perkenalkan kembali sebuah model partike; cahaya yang partikel-partikel tersebut dengan foton. Dari sini cahaya memiliki 2 pengertian yakni cahaya merupakan gelombang elektromagnetik dan partikel. Sehingga dikenal dengan “Dualisme gelombang-partikel” . Paket cahaya yang disebut spektrum kemudian dipersepsikan secara visual oleh indera penglihatan sebagai warna.
Laju cahaya didapat dari pengamatan astronomis periode I. Yakni salah satu satelit dari Jupiter. Periode ini ditemukan dengan mengukur waktu antara dua gerhana yakni ketika bulan Io lenyap dibelakang Jupiter. Pada saat ini periode gerhana kira-kira 42,5 jam, dengan menggunakan pengukuran yang dibuat ketika bumi menjauhi ataupun mendekati Jupiter. Karena dari pengukuran didapat selisih yang hanya 15 menit dari nilai rata-rata, sehingga ketidakcocokannya sulit diukur secara akurat.
Cahaya ada 2 macam, yaitu: cahaya yang berasal dari benda itu sendiri, seperti matahari, senter, lilin, dan lampu. Dan cahaya yang memancar dari benda akibat memantulnya cahaya pada permukaan benda tersebut dari sumber cahaya
B. SIFAT- SIFAT DAN KARAKTERISTIK CAHAYA
Adapun sifat-sifat atau karakteristik cahaya secara umum adalah :
- Dapat terlihat oleh mata
- Memiliki arah rambat yang tegak lurus dengan arah getar (trasversal)
- Merambat menurut garis lurus
- Memiliki energi
- Dipacarkan dalam bentuk radiasi
- Dapat mengalami pemantulan, pembiasan, interferensi, difraksi (lenturan) dan polarisai (terserap sebagian arah getarnya).
Dari beberapa sifat-sifat umum cahaya di atas, kami akan menjelaskan beberapa dari sifat-sifat tersebut, meliputi ;
1. Sifat cahaya yang merambat lurus
Contohnya pada lampu senter dan lampu kendaraan bermotor. Oleh karenanya cahaya yang merambat digambarkan sebagai garis lurus berarah yang disebut sinar cahaya, sedangkan berkas cahaya terdiri dari beberapa garis berarah. Berkas cahaya bisa paralel, divergen (menyebar)atau konvergen (mengumpul).
2. Cahaya menembus benda bening.
Dapat terlihat jika kita mengarahkan senter atau sinar lampu pada sebuah kaca yang bening atau sebuah plastik. Sinar tersebut dapat kita lihat karena cahaya dapat menembus benda bening. Jika cahaya mengenai benda yang gelap (tidak bening) misalnya pohon, tangan, mobil, maka yang terbentuk adalah bayangan.
3. Cahaya dapat dipantulkan (refleksikan) dan biaskan (refraksikan)
Refleksi (pemantulan) adalah perubahan arah rambat cahaya ke arah sisi (medium) asalnya, setelah menumbuk antar muka dua medium . Pemantulan terjadi pada bidang batas antara dua medium berbeda seperti sebuah permukaan udara kaca yang mana sebagian energinya datang dipantulkan dan sebagian lagi ditrasmisikan.
· pemantulan bias (tidak teratur). Pemantulan ini terjadi dalam bidang yang kasar atau tidak rata, sehingga sinarnya dipantulkan secara acak.
· pemantulan sempurna. Terjadi apabila permukaan yang digunakan datar, licin dan rata. Sehingga pantulan yang dihasilkan dalam bentuk yang sejajar
Hukum pemantulan cahaya.
Pada saat sinar mendatangi permukaan cermin datar, cahaya akan dipantulkan . Garis yang tegak lurus bidang pantul disebut garis normal. Pengukuran sudut datang dan sudut pantul dimulai dari garis ini. Sudut datang, adalah sudut yang dibentuk oleh garis normal dan sinar datang, sedangkansudut pantul (r) adalah sudut yang dibentuk oleh garis normal dan sinar pantul.
Refraksi (pembiasan) dapat didefinisikan dengan ketika sebuah berkas cahaya mengenai sebuah permukaan bidang batas yang memisahkan dua medium yang berbeda dengan perubahan arah dari sinar yang ditransmasikan. Gelombang yang ditransmasikan adalah hasil interferensi dari gelombang datang dan gelombang yang dihasilkan oleh penyerapan dan radiasi ulang energy cahaya oleh atom-atom dalam medium tersebut.
Arah pembiasan cahaya dibedakan menjadi dua macam yaitu :
a. mendekati garis normal
Cahaya dibiaskan mendekati garis normal jika cahaya merambat dari medium optik kurang rapat ke medium optik lebih rapat, contohnya cahaya merambat dari
udara ke dalam air.
b. menjauhi garis normal
Cahaya dibiaskan menjauhi garis normal jika cahaya merambat dari medium optik lebih rapat ke medium optik kurang rapat, contohnya cahaya merambat dari dalam air ke udara.
Syarat-syarat terjadinya pembiasan :
Γ Haya melalui dua medium yang berbeda kerapatan optiknya
Γ Cahaya datang tidak tegaklurus terhadap bidang batas (sudut datang lebih kecil dari 90 derajat
4. Dapat mengalami pelenturan (difraksi)
Difraksi adalah penyebaran gelombang, contohnya cahaya, karena adanya halangan. Semakin kecil halangan, penyebaran gelombangsemakin besar. Hal ini bisa diterangkan oleh prinsip Huygens. Pada animasi pada gambar sebelah kanan atas terlihat adanya pola gelap dan terang, hal itu disebabkan wavelet-wavelet baru yang terbentuk di dalam celah sempit tersebut saling berinterferensi satu sama lain. Ada dua macam difraksi: difraksi celah tunggal dan difraksi celah majemuk.
5. Dapat dijumlahkan (interferensi)
Interferensi adalah interaksi antar gelombang didalam suatu daerah. Interferensi dapat bersifat membangun dan merusak. Bersifat membangun jika beda fase kedua gelombang sama sehingga gelombang baru yang terbentuk adalah penjumlahan dari kedua gelombang tersebut. Bersifat merusak jika beda fasenya adalah 180 derajat, sehingga kedua gelombang saling menghilangkan.
6. Dapat diuraikan (dispersi)
Dispersi adalah kebergantungan laju gelombang dan indeks refraksi pada panjang gelombang. Dispersi sering juga disebut chromatic dispersion merupakan suatu fenomena saat phase velocitysuatu gelombang bergantung kepada frekuensinya atau pada saatgroup velocity gelombang tersebut bergantung pada frekuensi.Dispersi terjadi karena cahaya dengan berbagai macam frekuensimempunyai phase velocity yang berbeda-beda, hal ini dapat disebabkan oleh material dispersion dan waveguide dispersion.
7. Dapat diserap arah getarnya (polarisasi)
Polarisasi cahaya atau polarisasi optik adalah salah satu sifat cahaya yakni jika cahaya itu bergerak beroscillasi dengan arah tertentu. Cahaya juga dikategorikan sebagai gelombang transversal; yang berarti bahwa cahaya merambat tegak lurus terhadap arah rambatannya. Adapun syaratnya adalah bahwa gelombang tersebut mempunyai arah rambatan tegak lurus terhadap bidang rambatannya.Gelombang bunyi misalkan tidak dapat terpolarisasi karena dia bukan gelombang transversal. Suatu cahaya dikatakan terpolarisasi apabila cahaya itu bergerak merambat mengutamakan arah tertentu. Arah rambatan suatu gelombang dicirikan arah vektor bidang listrik gelombang tersebut. Sebagai arah polarisasi dicirikan dari arah vektor bidang magnetnya.
Beberapa macam jenis polarisasi: polarisasi linear (garis lurus), polarisasi melingkar, polarisasi ellips. Gelombang dengan polarisasi melingkar dan polarisasi ellips dapat diuraikan menjadi 2 gelombang dengan polarisasi tegak lurus. Polarisasi linear adalah ketika cahaya merambat hanya dengan satu arah yang tegak lurus terhadap arah rambatan atau bidang listriknya.
Empat fenomena yang menghasilkan cahaya yang terpolarisasi dari cahaya yang tidak terpolarisasi yaitu: (1) absorbsi (penyerapan), (2) hamburan, (3) pemantulan, (4) pembiasan ganda (Birefringence, -pembentukan pita gelap terang secara berulang-ulang dari dua arah yang juga disebut pembiasan ganda).
SIFAT-SIFAT CAHAYA PADA BENDA OPTIK
Adapun alat optik pembentuk bayangan yang paling sederhana, yakni cermin dan lensa.
A. CERMIN
Merupakan permukaan yang licin dan dapat menciptakan pantulan sehingga membentuk bayangan. Adapapun mengenai pencerminan pada cermin adalah:
Adapun sifat-sifat cahaya yang dihasilkan oleh cermin tentunya berbeda-beda sesuai dengan bentuk permukaan cermin tersebut. Berdasarkan permukaannya, cermin dikelompokkan menjadi tiga, yaitu cermin datar, cermin cekung, dan cermin cembung.
Γ΅ Cermin datar, adalah cermin yang permukaan pantulnya datar. Sifat-sifat bayangan pada cermin datar :
1. Bayangan yang terjadi sama besar dengan benda.
2. Jarak bayangan ke cermin = jarak benda ke cermin.
3. Tinggi bayangan = tinggi benda.
4. Bayangan bersifat maya, tegak, dan di belakang cermin.
5. Bayangan cermin tertukar sisinya, artinya bagian kanan benda menjadi bagian kirinya.
6. Bayangan cermin merupakan bayangan semu, artinya bayangan tidak dapat ditangkap oleh layar.
Γ΅ Pemantulan cahaya pada cermin cekung
Sebagian cermin berbentuk cekung. Cermin demikian biasanya merupakan bagian dari permukaan yang berbentuk bola. Pusat bulatan yang membentuk bagian cermin itu disebut pusat lengkungan. Garis yang melewati bagian tengah cermin dan pusat lengkungan merupakan sumbu utama.
Pada cermin cekung, sinar cahaya yang sejajar dengan sumbu utama setelah dipantulkan dari permukaan cermin akan lewat melalui satu titik atau sangat dekat dengan titik itu. Titik ini disebut dengan fokus utama. Fokus utama ini berada pada sumbu utama, ditengah-tengah antara pusat lengkungan dan permkaan cermin. Ini disebut fokus sejati karena sinar cahaya sebenarnya melewatinya.
Untuk dapat melukis bayangan yang dibentuk oleh cermin cekung, biasanya digunakan tiga sinar istimewa. Sinar istimewa sinar datang yang lintasannya mudah diramalkan tanpa harus mengukur sudut datang dan sudut pantulnya. Tiga sinar istimewa pada cermin cekung adalah:
ΓΌ Sinar datang sejajar sumbu utama dipantulkan melalui titik fokus
ΓΌ Sinar datang melalui titik fokus dipantulkan sejajar dengan sumbu utama
ΓΌ Sinar datang menuju titik pusat kelengkungan cermin dipantulkan kembali melalui titik pusat kelengkungan juga
Sifat-sifat bayangan pada cermin cekung:
- Jika benda berada di ruang I, maka bayangan berada di ruang IV. Sifat bayangannnya adalah maya, tegak, dan diperbesar.
- Jika benda berada di ruang II, maka bayangan berada di ruang III. Sifat bayangannnya adalah nyata, terbalik, dan diperbesar.
Jika benda berada di ruang III, maka bayangan berada di ruang II. Sifat bayangannya adalah nyata, terbalik, dan diperkecil.
Apabila suatu benda diletakkan di pusat lengkungan cermin cekung, bayang-bayang yang terbentuk adalah sejati, terbalik, dan besarnya sama dengan ukuran bendanya. Bayang-bayang itu juga sejati dan terbalik kalau bendanya diletakkan lebih jauh dari cermin daripada pusat lengkungan. Dalam hal ini, bayang-bayangnya akan lebih kecil dari bendanya. Bayang-bayang itu akan mengecil ke suatu titik seolah-olah bendanya bergerak sangat jauh dari pusat lengkungnya.
Sedangkan cermin cembung disebut juga cermin sefris, jika pantulan terjadi pada permukaan luar berbentuk sefris sehingga pusat permukaan cermin mengembung keluar. Sama dengan cermin cekung, cermin cembung juga mempunyai tiga sinar istimewa. Karena jarak fokus dan pusat kelengkungan cermin cembung berada di belakang cermin maka ketiga sinar istimewa pada cermin cembung tersebut adalah:
ΓΌ Sinar datang sejajar sumbu utama dipantulkan melalui titik fokus
ΓΌ Sinar datang melalui titik fokus dipantulkan sejajar dengan sumbu utama
ΓΌ Sinar datang menuju titik pusat kelengkungan cermin dipantulkan kembali melalui titik pusat kelengkungan juga
Sifat Bayangan Pada Cermin Cembung
- Sifat bayangan pada cermin cembung selalu maya yang kelihatannya terletak dibelakang cermin, tegak, dan diperkecil.
B. LENSA
Lensa adalah sebuah benda tembus cahaya, seperti kaca, yang dibentuk sedemikian rupa sehingga menahan sinar cahaya dan membelokkannya dengan pembiasan sehingga bertemu dengan satu fokus. Lensa sederhana mempunyai dua sisi permukaan yang umumnya berbentuk bulatan.Fungsi lensa adalah “membelokkan” cahaya sedemikian rupa sehingga dapat “dipusatkan” atau difokuskan, dan juga “dibelokkan” atau dibiaskan sehingga menimbulkan “bayangan” yang diperbesar atau di perkecil, sesuai keinginan.
Ada dua jenis lensa, yaitu :
lensa cembung, tengahnya lebih tebal daripada pinggirnya. Sinar cahaya yang sejajar dengan sumbu mengumpul atau bertemu pada satu titik dibelakang lensa. Titik ini merupakan fokus utama.
Sinar-sinar istimewa pada lensa cembung adalah:
ΓΌ Sinar datang sejajar sumbu utama dibiaskan melalui titik fokus.
ΓΌ Sinar datang yang melalui titik pusat lensa tidak mengalami pembiasan
ΓΌ Sinar datang melalui titik fokus akan dibiaskan sejajar sumbu utama
Sifat Bayangan pada Lensa Cembung
§ Jika benda di ruang I, maka bayangan yang terbentuk adalah maya, tegak, diperbesar.
§ Jika benda di ruang II, maka bayangan yang terbentuk adalah nyata, terbalik, diperbesar.
§ Jika benda di ruang III, maka bayangan yang terbentuk adalah nyata, terbalik, diperkecil.
a. lensa cekung lebih tebal pada bagian pinggir daripada bagian tengahnya. Kalau sinar cahaya yang sejajar dengan sumbu utama melewati lensa, cahaya akan tersebar. Dalam hal ini, sinar seolah-olah datang dari fokus maya pada sisi yang sama dari lensa sebagai sumber cahaya.
Sinar-sinar istimewa pada lensa cekung adalah:
ΓΌ Sinar datang sejajar sumbu utama dibiaskan seolah-olah berasal dari titik fokus F1
ΓΌ Sinar datang yang melalui titik pusat lensa tidak mengalami pembiasan
ΓΌ Sinar datang yang seolah-olah menuju titik fokus, dibiaskan sejajar dengan sumbu utama
Sifat Bayangan pada Lensa Cekung
§ Sifat bayangannya selalu maya, tegak, dan diperkecil
Sifat-sifat lensa
Sebuah lensa cembung mempunyai sifat bahwa bila seberkas sinar yang parallel dengan sumbu melalui lensa itu, maka berkas sinar itu berkumpul ke sebuah titik fokus dan membentuk sebuah bayangan nyata di titik tersebut. Lensa seperti itu dinamakan sebuah lensa pengumpul (lensa konvergen). Demikian juga, sinar-sinar yang lewat melalui titik fokus muncul keluar dari lensa itu sebagai seberkas sinar parallel.
Adapun sebuah lensa cekung itu disebut dengan lensa divergen, dimana berkas sinar parallel yang masuk pada lensa itu berpencar setelah refraksi.Dengan demikian, setiap lensa yang lebih tebal dipusatnya daripada ditepinya adalah sebuah lensa konvergen dengan f yang positif, dan setiap lensa yang lebih tebal ditepinya daripada di pusatnya adalah sebuah lensa divergen dengan f yang negatif.
Mikroskop
Penggunaan lup untuk mengamati benda-benda kecil ada batasnya. Jika kita menggunakan lup yang berjarak fokus kecil untuk mendapatkan perbesaran yang lebih besar, bayangan yang diperoleh tidak sempurna. Untuk itu, diperlukan mikroskop. Dengan memakai mikroskop kita dapat mengamati benda atau hewan renik, seperti bakteri dan virus yang tidak dapat dilihat mata secara langsung ataupun dengan memakai lup. Jenis mikroskop mutakhir yang sudah dibuat manusia adalah mikroskup elektron. Dalam subbab ini akan dipelajari mikroskop cahaya yang proses kerjanya memanfaatkan lensa cembung dengan menerapkan pembiasan cahaya.
Mikroskop cahaya mempunyai bagian utama berupa dua lensa cembung. Lensa yang menghadap benda disebut lensa objektif dan yang dekat ke mata disebut lensa okuler. Jarak fokus lensa objektif lebih kecil dari jarak fokus lensa okuler. Selain itu, mikroskop dilengkapi dengan cermin cekung yang berfungsi untuk mengumpulkan cahaya pada objek preparat yang akan diamati. Untuk mengatur panjang mikroskop agar diperoleh bayangan dengan jelas digunakan makrometer dan mikrometer.
1. Dasar kerja mikroskop
Obyek atau benda yang diamati harus diletakkan di antara Fob dan 2Fob, sehingga lensa obyektif membentuk bayangan nyata, terbalik dan diperbesar. Bayangan yang dibentuk lensa obyektif merupakan benda bagi lensa okuler. Lensa okuler berperan seperti lup yang dapat diatur/digeser-geser sehingga mata dapat mengamati dengan cara berakomodasi atau tidak berakomodasi.
2. Pengamatan dengan akomodasi maksimum
Untuk pengamatan dengan akomodasi maksimum, maka bayangan yang dibentuk oleh lensa okuler harus jatuh pada titik dekat mata (PP). Perhatikan gambar !
Perbesaran yang diperoleh adalah merupakan perbesaran oleh lensa obyektif dan lensa okuler yaitu:
M = Moby x Mok
M = (Si/So) x (PP/f okuler + 1)
3. Pengamatan dengan mata tidak berakomodasi
Untuk pengamatan dengan mata tidak berakomodasi, maka bayangan yang dibentuk oleh lensa okuler harus berada pada titik jauh mata. Perhatikan gambar !
Perbesaran yang diperoleh adalah merupakan perbesaran oleh lensa obyektif dan lensa okuler yaitu:
M = Moby x Mok
M = (Si/So) x (PP/f okuler)
4. Panjang Mikroskop
Panjang mikroskop adalah jarak lensa obyektif terhadap lensa okuler dirumuskan :
4.1.Untuk mata berakomodasi
d = Si (ob) + So (ok)
Keterangan :
d = panjang mikroskop
Si (ob) = jarak bayangan lensa obyektif
So (ok) = jarak benda lensa okuler
4.2.Untuk mata tidak berakomodasi
d = Si (ob) + f (ok)
Keterangan :
d = panjang mikroskop
Si (ob) = jarak bayangan lensa obyektif
f (ok) = jarak fokus lensa okuler
e. Teropong Bintang
Teropong bintang disebut juga teropong astronomi.
- terdiri dari 2 buah lensa cembung.
- jarak fokus lensa obyektif lebih besar dari jarak fokus lensa okuler.
1) Dasar Kerja Teropong
Obyek benda yang diamati berada di tempat yang jauh tak terhingga, berkas cahaya datang berupa sinar-sinar yang sejajar. Lensa obyektif berupa lensa cembung membentuk bayangan yang bersifat nyata, diperkecil dan terbalik berada pada titik fokus.
Bayangan yang dibentuk lensa obyektif menjadi benda bagi lensa okuler yang jatuh tepat pada titik fokus lensa okuler.
2) Penggunaan dengan mata tidak berkomodasi
Untuk penggunaan dengan mata tidak berkomodasi, bayangan yang dihasilkan oleh lensa obyektif jatuh di titik fokus lensa okuler.
3) Perbesaran anguler yang diperoleh adalah :
M = f (ob) / f (ok)
4) Panjang teropong adalah :
M = f (ob) + f (ok)
Penggunaan dengan mata berkomodasi maksimal
Untuk penggunaan dengan mata berkomodasi maksimal bayangan yang dihasilkan oleh lensa obyektif jatuh diantara titik pusat bidang lensa dan titik fokus lensa okuler.
Perbesaran anguler dapat diturunkan sama dengan penalaran pada pengamatan tanpa berakomodasi dan didapatkan :
M = f (ob) / So (ok)
Panjang teropong adalah :
M = f (ob) + So (ok)
f. Teropong Bumi
Teropong prisma terdiri atas dua pasang lensa cembung (sebagai lensa objektif dan lensa okuler) dan dua pasang prisma kaca siku-siku samakaki. Sepasang prisma yang diletakkan berhadapan, berfungsi untuk membelokkan arah cahaya dan membalikkan bayangan.
Bayangan yang dibentuk lensa objektif bersifat nyata, diperkecil, dan terbalik. Bayangan nyata dari lensa objektif menjadi benda bagi lensa okuler. Sebelum dilihat dengan lensa okuler, bayangan ini dibalikkan oleh sepasang prisma siku-siku sehingga bayangan akhir dilihat maya, tegak, dan diperbesar. Perbesaran bayangan yang diperoleh dengan memakai teropong prisma sama dengan teropong bumi.Beberapa keuntungan praktis dari teropong prisma dibandingkan teropong yang lain :
1. Menghasilkan bayangan yang terang, karena berkas cahaya dipantulkan sempurna oleh bidang-bidang prisma.
2. Dapat dibuat pendek sekali, karena sinarnya bolak-balik 3 kali melalui jarak yang sama (dipantulkan 4 kali oleh dua prisma).
3. Daya stereoskopis diperbesar, dua mata melihat secara bersamaan
4. Dengan adanya prisma arah cahaya telah dibalikkan sehingg terlihat bayangan akhir bersifat maya, diperbesar dan tegak.
