C.3 · Fenomena gelombang

Panduan lengkap C.3 jangkauan (Fenomena Gelombang), penilaian pertama 2025. Baca langsung dari Panduan Fisika, halaman 47–48. Prasyarat: C.2 (v = fλ, gelombang transversal dan longitudinal) serta trigonometri dasar.

Ini adalah contoh pengajaran orisinal, bukan pengukuran aktual atau investigasi peserta didik yang telah dinilai.

Dalam dua dan tiga dimensi, gelombang digambar dengan dua cara: gelombang muka — garis yang menghubungkan titik-titik yang sefasa, berjarak satu panjang gelombang — dan sinar — panah tegak lurus terhadap gelombang muka yang menunjukkan arah rambat. Sketsa pada topik ini terbatas pada gelombang datang, pantul, dan tembus.

Pada batas antara media, gelombang melakukan sebagian atau seluruh dari tiga hal berikut:

• Pantulan — gelombang muka kembali dari batas (sudut datang = sudut pantul, keduanya diukur dari garis normal).
• Transmisi — sebagian gelombang masuk ke media kedua.
• Pembiasan — gelombang yang ditransmisikan berubah arah karena kecepatannya berubah: menuju garis normal saat memasuki medium yang lebih lambat, menjauhi garis normal saat memasuki medium yang lebih cepat. Frekuensi ditentukan oleh sumber; panjang gelombang berubah sesuai kecepatan.

Aturan pembiasan dalam bentuk rasio:

di mana $n$ adalah indeks bias masing-masing medium dan $\theta$ adalah sudut antara sinar dengan garis normal. Secara ekuivalen $n_1\sin\theta_1 = n_2\sin\theta_2$; indeks bias yang lebih besar berarti kecepatan yang lebih lambat di medium tersebut.

Berkelana dari medium yang lebih lambat ke medium yang lebih cepat (kaca ke udara, $n_1 > n_2$), terdapat sudut di mana tidak ada sinar dapat keluar: pada sudut kritis, sinar bias berjalan sepanjang batas,

dan di luar itu semua cahaya terpantul total kembali ke dalam medium — pantulan dalam total (TIR), prinsip serat optik.

Cek terpecahkan (pembiasan ke kaca). Udara ke kaca, $n_{air} = 1.0$, $n_{glass} = 1.5$, insiden $40°$: $\sin\theta_2 = (n_1/n_2)\sin\theta_1 = (1.0/1.5)(0.643) = 0.429$, sehingga $\theta_2 = 25°$ — membengkok ke arah normal, seperti yang diharapkan memasuki medium yang lebih lambat. Kecepatan mengikuti rasio yang sama: $v_{glass} = c/1.5 = 2.0\times10^8\ \mathrm{m/s}$.

Cek terpecahkan (sudut kritis). Kaca yang sama terhadap udara: $\sin\theta_c = 1.0/1.5 = 0.667$, sehingga $\theta_c = 42°$. Sinar apa pun di dalam kaca yang mengenai dinding pada sudut lebih dari $42°$ terhadap normal akan terpantul dalam total.

Gelombang yang bertemu halangan atau bukaan tidak bergerak dalam garis lurus sempurna: ia membengkok dan menyebar — difraksi. Penyebaran paling kuat ketika celah sebanding atau lebih kecil daripada panjang gelombang, inilah sebabnya suara membengkok di sekitar pintu (panjang gelombang meter) sementara cahaya (ratusan nanometer) tampak bergerak lurus. Diagram muka gelombang-sinar menunjukkan muka gelombang datar masuk ke celah dan keluar sebagai muka melengkung yang menyebar.

Ketika dua gelombang bertemu di suatu titik, simpangan dijumlahkan — superposisi. Untuk pola yang stabil, sumber harus koheren: frekuensi yang sama dan beda fase yang konstan. Kemudian hasilnya bergantung pada beda lintasan dari kedua sumber:

dengan $n$ bilangan bulat. Interferensi konstruktif membentuk maksimum (dua puncak tiba bersamaan); destruktif saling meniadakan menjadi minimum (satu puncak bertemu satu lembah).

Cek terpecahkan. Dua sumber koheren sefasa, panjang gelombang 0.50 m. Sebuah titik 3.00 m dari satu sumber dan 3.75 m dari sumber lain memiliki beda lintasan 0.75 m $= 1.5\lambda = (1 + \tfrac{1}{2})\lambda$ — destruktif: sebuah minimum. Memindahkan titik hingga beda lintasan adalah 1.00 m $= 2\lambda$ memulihkan sebuah maksimum.

Cahaya melalui satu celah sempit kemudian dua celah sempit (koheren secara konstruksi) menghasilkan garis-garis terang dan gelap pada layar — interferensi, bukti bahwa cahaya adalah gelombang. Jarak antar garis adalah

di mana $d$ adalah jarak antar celah dan $D$ adalah jarak celah ke layar.

Pengecekan terlatih (mengukur panjang gelombang). Celah 0.20 mm terpisah, layar 2.4 m jauh, dan 12 pita terang dihitung melintasi 55 mm (11 celah, jadi $s = 55/11 = 5.0\ \mathrm{mm}$): $\lambda = sd/D = (5.0\times10^{-3})(0.20\times10^{-3})/2.4 = 4.2\times10^{-7}\ \mathrm{m}$ — cahaya ungu-biru.

1. Jelaskan makna dari sebuah muka gelombang dan bagaimana sinar berkaitan dengannya.
2. Sebuah sinar melintas dari udara ke dalam air ($n = 1.3$) pada sudut $50°$ terhadap garis normal. Hitung sudut biasan.
3. Nyatakan syarat untuk pemantulan internal total, dan mengapa akuarium dapat memantulkan bayangan objek pada sudut tumpul.
4. Bandingkan difraksi suara dan cahaya melalui pintu, beserta alasannya.
5. Dua sumber koheren 0.040 m terpisah memancarkan gelombang 0.060 m secara sefasa. Sebuah titik terletak 0.30 m dari salah satu sumber sepanjang garis tegak lurus garis sumber; nyatakan kelas beda lintasan (konstruktif atau destruktif) jika ia berada 0.33 m dari sumber lainnya.
6. Dalam pengaturan celah ganda, jarak antar celah dikurangi setengah dan layar dipindahkan dua kali lebih jauh. Apa yang terjadi pada jarak antar pita?
7. Belah dua celah dengan cahaya hijau menghasilkan pita 4.0 mm berjarak. Perkirakan jarak pisah baru dengan cahaya biru yang panjang gelombangnya setengahnya.

Jawaban: 1 serangkaian titik sefasa, terpisah satu panjang gelombang; sinar tegak lurus di setiap tempat terhadap muka gelombang dan menunjukkan arah rambat; 2 $\sin\theta_2 = (1.0/1.3)\sin 50° = 0.588$, $\theta_2 = 36°$; 3 merambat dari medium yang lebih lambat (indeks $n$ lebih tinggi) menuju medium yang lebih cepat pada sudut melebihi sudut kritis; di luarnya permukaan bertindak sebagai cermin total; 4 bunyi (panjang gelombang meter, setara dengan pintu) mengalami difraksi kuat di sekitar bukaan; cahaya (ratusan nanometer) menyebarkan diri sangat sedikit; 5 beda lintasan 0.03 m $= \tfrac{1}{2}(0.060\ \mathrm{m})$ — destruktif; 6 $s \propto D/d$: empat kali lebih lebar; 7 $s \propto \lambda$, sehingga 2.0 mm.

Tulis berdasarkan sudut kritis

• Cahaya merambat dari kaca (n = 1.5) menuju udara.
• Sudut kritis memenuhi sin θc = 1 ÷ 1.5 = 0.667, sehingga θc ≈ 41.8° — melampaui nilai ini, setiap sinar dipantulkan kembali sepenuhnya: kondisi serat optik.

Tulis dari kalimat batas

• Gelombang masuk ke medium yang lebih lambat.
• Satu kalimat, empat fakta: frekuensi tetap (ditentukan sumber), kecepatan turun, panjang gelombang memendek, sinar membengkok menuju garis normal.