Gelombang

Riak di kolam, suara seseorang, cahaya bintang jauh — semuanya adalah gelombang yang membawa energi dari sumber ke penyerap. Referensi ini mencakup AQA GCSE Fisika 8463, topik 4.6 Gelombang.

Bagaimana ujian memperlakukan topik ini:

• Kertas 2 memuat topik ini. $T = 1/f$, $v = f\lambda$, dan perbesaran dapat disertakan dalam lembar persamaan; silakan periksa seri ujian.
• Pemantulan (RP9), bunyi, deteksi gelombang, lensa, cahaya tampak, dan radiasi benda hitam adalah hanya fisika; bunyi dan deteksi juga hanya HT; sebagian sifat EM adalah hanya HT.
• Praktikum wajib: RP8 (kecepatan gelombang pada tangki riak dan padatan), RP9 (pemantulan dan pembiasan, fisika saja), dan RP10 (penyerapan dan emisi inframerah oleh permukaan).
• Anda harus membuat diagram sinar untuk pemantulan, pembiasan, dan lensa.

Gelombang memanjang menunjukkan kompresi (partikel tertekan) dan rarefaksi (partikel renggang).

Bukti bahwa gelombang merambat, bukan materinya: riak bergerak melintasi kolam tetapi partikel bergetar di sekitar posisi kesetimbangannya, tanpa perpindahan bersih medium dalam model ini. Bola terapung naik-turun saat riak lewat; partikel udara bergetar saat suara merambat.

• Kecepatan gelombang adalah kecepatan transfer energi melalui medium.
• Baca amplitudo dan panjang gelombang langsung dari diagram berlabel.

Contoh penyelesaian. Gelombang air memiliki frekuensi 2.0 Hz dan panjang gelombang 0.35 m.

Contoh terpecahkan (kHz). Suara dengan frekuensi 4.0 kHz merambat pada kecepatan 330 m/s.

• Konversi: $f = 4000$ Hz.
  $$\lambda = \frac{v}{f} = \frac{330}{4000} = 0.0825 \approx 8.3\times10^{-2}\ \text{m}$$

Contoh terpecahkan (membaca grafik gelombang). Grafik menunjukkan simpangan gelombang air di sepanjang bak pada satu saat. Lima gelombang melewati titik tetap setiap 2.0 s.

• Panjang gelombang: tiga gelombang lengkap muat dalam 1.20 m, jadi $\lambda = 1.20 \div 3 = 0.40$ m. Periksa dari puncak ke puncak: dari 0.10 m ke 0.50 m.
• Amplitudo: dari posisi diam (0) hingga puncak, 3.0 cm. Tinggi puncak ke lembah, 6.0 cm, adalah dua kali amplitudo.
• Frekuensi: $f = 5 \div 2.0 = 2.5$ Hz, sehingga $v = f\lambda = 2.5 \times 0.40 = 1.0$ m/s.

Mengukur kecepatan gelombang (RP8)

• Riak: motor batang lurus menghasilkan muka gelombang lurus. Ukur jarak melintasi beberapa interval puncak-ke-puncak lengkap di permukaan air menggunakan skala terkalibrasi, lalu bagi dengan jumlah interval. Jika mengukur pola proyeksi, koreksi untuk pembesaran waktunya. Waktu beberapa siklus lengkap di titik tetap: $f=N/t$, kemudian $v=f\lambda$. Pertahankan kedalaman air tetap dan ulangi.
• Gelombang dalam zat padat: gerakkan senar tegang dengan generator sinyal. Sesuaikan frekuensi untuk memberikan loop stasioner yang jelas; setiap loop adalah setengah panjang gelombang. Untuk $n$ loop sepanjang $L$, $\lambda=2L/n$. Baca $f$ dari generator dan hitung $v=f\lambda$; kontrol ketegangan dan jenis senar.
• Kecepatan suara: ukur jarak tegak lurus $d$ dari dinding besar. Waktu interval $t$ dari suara tajam hingga gema; suara merambat sejauh $2d$, sehingga $v=2d/t$. Ulangi dan ratakan; perekaman elektronik mengurangi kesalahan waktu reaksi. Alternatifnya gunakan dua detektor elektronik pada jarak terukur untuk waktu satu arah.

(Fisika saja) Suara mengubah medium: pada batas statis dengan sumber statis, frekuensi tetap sama. Jika kecepatan berubah, panjang gelombang berubah dalam rasio yang sama karena $\lambda=v/f$.

Di batas antarmuka, sebagian energi datang dapat terpantul, diserap, dan ditransmisikan:

• pemantulan spekular: dari permukaan halus, ke satu arah;
• pemantulan difus: dari permukaan kasar, tersebar;
• penyerapan: energi tertahan di dalam material; transmisi: tembus menembus.

Buat diagram sinar pemantulan: garis normal tegak lurus terhadap permukaan di titik datang; sudut datang sama dengan sudut pantul — keduanya diukur dari garis normal.

RP9: arahkan kotak sinar ke cermin datar / permukaan kasar; telusuri sinar datang dan sinar pantul dengan pensil, ukur sudut dengan busur derajat; untuk pembiasan, biarkan cahaya melalui balok kaca dan telusuri lintasan bengkok di setiap batas.

Bunyi merambat melalui pepejal sebagai getaran. Di dalam telinga, gelombang bunyi membuat gegendang telinga dan bahagian lain bergetar — getaran ini dihantar melalui struktur telinga dan ditukar kepada isyarat yang ditafsirkan oleh otak. Ini hanya berfungsi dalam julat frekuensi terhad: pendengaran manusia meliputi 20 Hz hingga 20 kHz. Contoh penukaran: diafragma mikrofon, kulit gendang, tingkap bergetar berhampiran pembesar suara bass.

• Ultrasonik: frekuensi di atas 20 kHz; sebahagiannya dipantulkan pada sempadan antara media; masa gema memberikan jarak ke sempadan ($s = vt$, dengan laluan sering pergi-kembali). Kegunaan: pengimbasan perubatan pra kelahiran (tidak berion, mengelakkan risiko pengionan sinar-X), pengesanan cacat industri.
• Gelombang seismik: gempa bumi menghasilkan gelombang P (longitudinal) dan gelombang S (transversal), merambat dengan kecepatan berbeda melalui Bumi; gelombang P menembus cairan, gelombang S tidak — zona bayangan mengungkap struktur berlapis Bumi. Penginderaan echo menggunakan pulsa ultrasonik/bunyi memetakan dasar laut.

Semua gelombang EM adalah transversal, mentransfer energi dari sumber ke penyerap. Mereka membentuk spektrum kontinu dan semua merambat pada kecepatan yang sama di ruang hampa (kira-kira sama di udara) ($3\times10^8$ m/s). Dari panjang gelombang panjang ke pendek:

Mata hanya mendeteksi cahaya tampak — pita yang sangat sempit.

Bahaya: UV membuat kulit menua lebih cepat dan meningkatkan risiko kanker kulit; Sinar-X dan sinar gamma adalah ionisasi — dapat memutasi gen dan menyebabkan kanker. Dosis radiasi dalam sievert mengukur risiko kerusakan (1000 mSv = 1 Sv; hafalan satuan tidak diperlukan). Taruh kesimpulan dari data dosis.

Permukaan inframerah (RP10)

Bandingkan emisi inframerah dari berbagai permukaan kubus Leslie berisi air panas. Gunakan detektor inframerah non-kontak pada jarak dan sudut yang sama dari setiap sisi; jaga suhu air semaksimal mungkin, kurangi pembacaan latar belakang jika perlu, ulangi dan bandingkan nilai rata-rata. Hindari menyentuh permukaan panas. Permukaan hitam matte dan logam mengkilap berbeda dalam emisivitas inframerah; warna tampak saja tidak menentukan emisi inframerah.

Untuk membandingkan penyerapan, ekspos wadah identik kecuali permukaannya terhadap sumber inframerah yang sama. Jaga jarak sumber, waktu paparan, suhu awal, massa air, dan material wadah tetap sama; catat kenaikan suhu dan ulangi. Kenaikan suhu lebih besar di bawah kontrol ini menunjukkan penyerapan lebih besar. Eksperimen emisi dan penyerapan mengukur besaran berbeda; jangan perlakukan pembacaan detektor sebagai suhu.

(HT) Osilasi dalam rangkaian listrik menghasilkan gelombang radio. Gelombang radio yang diserap menginduksi arus bolak-balik dengan frekuensi yang sama pada rangkaian penerima. Perubahan inti atom dapat memancarkan radiasi gamma.

(HT) Zat menyerap, mentransmisikan, membiaskan, atau memantulkan gelombang EM dengan cara yang bervariasi sesuai panjang gelombang; pembiasan berasal dari perubahan kecepatan antar zat. Tunjukkan pembiasan pada diagram sinar (membelok ke arah garis normal saat melambat pada insiden miring; tidak ada perubahan arah pada insiden normal) dan pada diagram muka gelombang (muka gelombang lebih rapat di medium yang lebih lambat).

Lensa membentuk bayangan melalui pembiasan cahaya:

• cembung: sinar sejajar bertemu di fokus utama; panjang fokus = jarak lensa ke fokus; bayangan nyata atau maya.
• cekung: sinar menyebar; untuk benda nyata, bayangan bersifat semu, tegak, dan diperkecil.

Aturan diagram sinar (dua sinar menentukan posisi bayangan): sinar sejajar sumbu dibiaskan melewati fokus (cembung) atau seolah-olah berasal darinya (cekung); sinar yang melewati pusat lensa lurus saja.

• Rasio, tanpa satuan; kedua tinggi dalam mm atau keduanya dalam cm.

Contoh terarah. Benda 5.0 mm tingginya menghasilkan bayangan 20 mm tingginya.

Warna spektrum sesuai dengan rentang panjang gelombang (merah terpanjang, ungu terpendek dalam pita tampak). Campuran panjang gelombang juga dapat menghasilkan warna yang dirasakan.

• Filter menyerap beberapa panjang gelombang dan meneruskan yang lain (filter merah meneruskan cahaya merah).
• Warna benda tembus pandang = panjang gelombang yang dipantulkan kuat; sisanya diserap. Di bawah pencahayaan putih, permukaan yang memantulkan semua panjang gelombang tampak terlihat dengan kuat akan tampak putih; yang menyerap hampir semuanya akan tampak hitam. Prediksi kasus cahaya berwarna berdasarkan panjang gelombang yang sebenarnya hadir.
• Benda transparan/translusen meneruskan cahaya.
• Refleksi spekular vs difus (dari bagian refleksi) menjelaskan mengapa permukaan merah halus terlihat mengkilap tetapi kertas terlihat matte.

Benda di atas nol mutlak memancarkan radiasi termal dan dapat menyerap inframerah. Pada suhu sehari-hari, sebagian besar pemancarannya adalah inframerah. Semakin panas benda, semakin banyak radiasi yang dipancarkan per detik.

Benda hitam sempurna menyerap seluruh radiasi insiden — tidak ada pantulan, tidak ada transmisi — dan (penyerap baik = pemancar baik) juga merupakan pemancar terbaik yang mungkin.

Intensitas dan distribusi panjang gelombang radiasi yang dipancarkan bergantung pada suhu benda: lebih panas → lebih intens, dan puncaknya bergeser ke panjang gelombang lebih pendek.

(HT) Dalam model di mana radiasi merupakan satu-satunya perpindahan energi bersih, benda pada suhu konstan menyerap pada laju yang sama dengan yang dipancarkan. Pada benda nyata, pertimbangkan juga konduksi dan konveksi.

Dalam model hanya radiasi, menyerap lebih cepat daripada memancarkan → suhu naik. Suhu Bumi bergantung pada keseimbangan radiasi yang diserap dan dipancarkan serta pantulan kembali ke ruang angkasa — gunakan ini untuk menjelaskan pemanasan dan contoh gaya albedo es, dan baca diagram standar.

• Definisikan amplitudo, panjang gelombang, frekuensi, periode; gunakan $T = 1/f$ dan $v = f\lambda$ dengan awalan.
• Deskripsikan RP8 dalam bak riak dan pada tali; deskripsikan metode kecepatan bunyi.
• (hanya fisika) Gambar diagram sinar refleksi dan refraksi dengan garis normal; RP9.
• Deskripsikan RP10 dengan jarak, suhu, dan paparan yang dikontrol; bedakan emisi dari absorpsi.
• Hafalkan urutan spektrum EM; cocokkan penggunaan dan bahaya dengan alasannya; bandingkan data dosis.
• (hanya fisika) Gambar diagram sinar lensa (cembung/cembung); perbesaran sebagai rasio tanpa satuan.
• (fisika saja) Jelaskan warna melalui pemantulan, filter melalui transmisi.
• (fisika saja) Emisi benda hitam, absorpsi, dan neraca radiasi Bumi (HT).

Kesalahan umum

• Mengatakan medium bergerak bersama gelombang. Gelombang mentransfer energi; partikel hanya bergetar di sekitar posisi tetap.
• Mengukur amplitudo dari puncak ke lembah. Amplitudo diukur dari posisi setimbang hingga puncak, yaitu setengah dari tinggi tersebut.
• Mengukur panjang gelombang antara sebuah puncak dan lembah berikutnya. Satu panjang gelombang adalah jarak dari puncak ke puncak (atau satu siklus penuh).
• Lupa menambahkan awalan pada $v = f\lambda$: $4.0\ \text{kHz} = 4000\ \text{Hz}$.
• Menyatakan bahwa refraksi mengubah frekuensi. Kecepatan dan panjang gelombang berubah di batas medium; frekuensi tetap konstan.
• Memberikan satuan pada perbesaran. Perbesaran = tinggi bayangan ÷ tinggi benda, keduanya dalam satuan yang sama, sehingga tidak memiliki satuan.
• Menyatakan bahwa filter warna menambah warna. Filter merah meneruskan cahaya merah dan menyerap warna lainnya.
• Menyatakan bahwa gelombang EM berfrekuensi lebih tinggi merambat lebih cepat. Semua gelombang elektromagnetik merambat dengan kecepatan yang sama dalam ruang hampa.