Gelombang: energi yang merambat
Riak melintasi kolam, cahaya melintasi ruangan, suara melintasi udara — gelombang membawa energi dan informasi tanpa mentransfer materi. Bagian ini memberikan kosakata dan persamaan Anda, spektrum elektromagnetik beserta kegunaan dan bahayanya, serta perilaku cahaya dan (P) suara: refleksi, refraksi, dan pantul internal total.
Edexcel International GCSE Physics 4PH1, Bagian 3 (pernyataan 3.1–3.29P). Satuan: derajat (°), hertz (Hz), meter (m), m/s, detik (s).
Sifat gelombang
Gelombang transversal bergetar tegak lurus terhadap arah rambat (cahaya, air). Gelombang longitudinal bergetar sejajar dengan arah rambat sebagai kompresi dan rarefaksi (suara). Kosakata: amplitudo (simpangan maksimum), panjang gelombang λ (dari puncak ke puncak berikutnya), frekuensi f (gelombang per detik, Hz), periode T (waktu per gelombang), gelombangkan (garis puncak serentak).
Cek terarah. Gelombang suara 340 Hz pada 340 m/s: $\lambda = 340/340 = 1$ m; periode $= 1/340 \approx 2.9$ ms. Efek Doppler: sumber yang bergerak mendekati pengamat memadatkan gelombangkan — frekuensi teramati lebih tinggi; menjauhkannya meregangkan gelombangkan — lebih rendah.
Spektrum elektromagnetik
Satu keluarga, kecepatan sama di ruang hampa, diurutkan berdasarkan penurunan panjang gelombang (peningkatan frekuensi): radio → gelombang mikro → inframerah → tampak (merah hingga ungu) → ultraviolet → sinar-X → gamma.
| Radiasi | Kegunaan | Bahaya |
|---|---|---|
| radio | penyiaran, komunikasi | — |
| gelombang mikro | memasak, TV satelit | pemanasan internal jaringan |
| inframerah | pemanas, penglihatan malam | luka bakar kulit |
| tampak | serat optik, fotografi | — |
| ultraviolet | lampu fluoresen | kerusakan sel permukaan, kebutaan |
| sinar-X | pencitraan bagian dalam benda/tubuh | kanker, mutasi (ionisasi) |
| gamma | sterilisasi makanan dan peralatan | kanker, mutasi |
Perlindungan: batasi waktu paparan, pelindung, tabir surya (UV).
Cahaya dan suara
Cahaya bersifat transversal dan memantul serta bias. Hukum pemantulan: sudut datang = sudut pantul. Pembiasan: memasuki kaca (lebih padat secara optik), cahaya melambat dan membengkok menuju garis normal; keluar, membengkok menjauhi.
Pemantulan total dalam terjadi ketika sudut di dalam medium yang lebih padat melebihi sudut kritis — prinsip serat optik (komunikasi, endoskopi) dan prisma pada periskop.
Cek terarah. Kaca dengan $n = 1.5$: $\sin c = 1/1.5 = 0.667$, sehingga $c \approx 41.8°$. Sinar di dalam kaca mengenai batas pada 45° melebihi 41.8° — terpantul total di dalamnya.
(P) Bunyi bersifat longitudinal, 20–20 000 Hz untuk pendengaran manusia; tinggi nada meningkat seiring frekuensi, kekerasan seiring amplitudo. Osiloskop dengan mikrofon menampilkan gelombang; praktikum mengukur gema atau resonansi untuk menentukan kecepatan bunyi di udara.
Periksa diri Anda
- Berikan satu kesamaan dan satu perbedaan antara gelombang transversal dan longitudinal.
- Definisikan amplitudo, panjang gelombang, dan frekuensi.
- Sebuah gelombang dengan frekuensi 500 Hz merambat pada kecepatan 340 m/s. Hitung panjang gelombangnya.
- Sebutkan urutan spektrum elektromagnetik berdasarkan peningkatan frekuensi.
- Berikan satu kegunaan masing-masing untuk gelombang mikro, inframerah, dan sinar gamma, serta satu bahaya dari UV.
- Nyatakan hukum pemantulan.
- Ke arah mana cahaya membengkok saat memasuki kaca, dan saat meninggalkannya?
- Kaca memiliki indeks bias n = 1.5. Hitung sudut kritisnya.
- (P) Nyatakan rentang frekuensi pendengaran manusia, dan apa yang menaikkan tinggi nada dan kerasnya suara.
- (P) Bagaimana jejak osiloskop berubah ketika suara menjadi lebih keras pada nada yang sama?
Jawaban: 1 keduanya mentransfer energi tanpa memindahkan materi; transversal bergetar melintang terhadap arah rambat (cahaya), longitudinal sejajar dengannya sebagai rapatan (bunyi); 2 amplitudo — simpangan maksimum dari posisi setimbang; panjang gelombang — jarak antar titik identik berturut-turut; frekuensi — jumlah gelombang yang lewat per detik; 3 $\lambda = 340/500 = 0.68$ m; 4 radio, mikrogelombang, inframerah, tampak, ultraviolet, sinar-X, gamma; 5 mikrogelombang — memasak/satelit; inframerah — pemanas/penglihatan malam hari; gamma — sterilisasi; UV merusak sel permukaan dan dapat buta; 6 sudut datang = sudut pantul; 7 menuju garis normal saat masuk, menjauhi garis normal saat keluar; 8 $\sin c = 1/1.5$, $c \approx 41.8°$; 9 (P) 20–20 000 Hz; frekuensi lebih tinggi menaikkan tinggi nada, amplitudo lebih besar menaikkan kekerasan; 10 (P) puncak jejak menjadi lebih tinggi (amplitudo) sementara jumlah siklus per detik (frekuensi) tetap sama.