Gelombang

Sebuah gelombang membawa energi dari tempat ke tempat tanpa membawa materi. Misalnya, gelombang air membuat gabus terapung naik turun, tetapi gabus tidak bergerak mengikuti gelombang. Anda dapat membuat gelombang pada tali dengan menggoyangkan satu ujungnya naik turun, atau pada pegas panjang dengan mendorong satu ujungnya bolak-balik. Di bak riak (wadah dangkal berisi air dengan lampu di atasnya) Anda dapat mengamati gelombang air di layar di bawahnya.

Menggambarkan gelombang

• garis gelombang: garis yang menghubungkan titik-titik pada gelombang yang bergerak bersama (misalnya, puncak satu riak)
• panjang gelombang ($\lambda$): jarak antara dua garis gelombang bertetangga (satu gelombang penuh)
• frekuensi ($f$): jumlah gelombang yang melewati suatu titik setiap detik, diukur dalam hertz (Hz)
• puncak (juga disebut puncak, bagian atas) dan lembah (bagian bawah)
• amplitudo: jarak terbesar yang ditempuh suatu titik dari posisi diamnya
• kecepatan gelombang ($v$): seberapa cepat garis gelombang merambat

Ketiganya dihubungkan oleh persamaan gelombang:

Contoh terarah. Sebuah gelombang suara merambat pada kecepatan $340\ \text{m/s}$ dan memiliki frekuensi $170\ \text{Hz}$. Tentukan panjang gelombangnya.

Mengatur ulang $v = f\lambda$ memberikan $\lambda = \dfrac{v}{f}$:

Dua jenis gelombang

• Pada gelombang transversal partikel bergetar tegak lurus (90°) terhadap arah rambat gelombang (propagasi-nya). Cahaya, gelombang air, dan gelombang seismik S (guncangan menyamping saat gempa bumi) adalah gelombang transversal.
• Pada gelombang longitudinal partikel bergetar sepanjang arah yang sama dengan arah rambat gelombang. Suara dan gelombang seismik P adalah gelombang longitudinal.

Perilaku gelombang

Semua gelombang dapat menunjukkan tiga perilaku, yang dapat Anda lihat di bak riak:

• pantulan: gelombang memantul dari permukaan.
• pembiasan: gelombang mengubah kecepatan (dan biasanya arah) ketika memasuki material atau kedalaman yang berbeda.
• difraksi: gelombang menyebar setelah melewati celah atau mengelilingi tepi. Penyebaran paling besar terjadi ketika ukuran celah kira-kira sama dengan panjang gelombang.

Refleksi

Ketika cahaya mengenai cermin, ia memantul. Kita mengukur sudut dari garis normal (garis pada 90° terhadap permukaan).

Hukum pantulan: sudut datang sama dengan sudut pantul.

Sinar datang, sinar pantul, dan garis normal terletak dalam satu bidang.

Contoh terpecahkan. Sinar membentuk sudut $30^{\circ}$ dengan permukaan cermin. Gambar garis normal di titik pantul. Garis normal membentuk sudut $90^{\circ}$ dengan permukaan, sehingga sudut datang adalah sisa sudut:

Terapkan hukum pemantulan:

Gambar sinar pantul menjauhi cermin di sisi lain dari garis normal. Ia membentuk sudut $60^{\circ}$ dengan garis normal dan $30^{\circ}$ dengan permukaan cermin. Jangan gunakan sudut permukaan sebagai sudut datang.

Sebuah cermin datar membentuk bayangan yang ukurannya sama dengan benda, berada pada jarak yang sama di belakang cermin, dan bersifat mayap (tidak dapat ditangkap pada layar).

Pembiasan

Ketika cahaya melewati dari satu material ke material lain, ia berubah kecepatan dan membengkok. Sudut di material kedua adalah sudut bias.

Melihat pembiasan. Arahkan sinar sempit dari kotak sinar ke dalam balok kaca persegi panjang yang berdiri di atas kertas. Tandai sinar masuk dan sinar keluar, lepaskan baloknya, lalu hubungkan tanda-tanda tersebut untuk menggambar sinar di dalam kaca. Gambarlah garis normal di tempat sinar masuk dan ukurlah sudut datang dan sudut bias menggunakan busur derajat. Ulangi dengan balok setengah lingkaran atau prisma: sinar selalu membengkok menuju garis normal saat masuk ke kaca dan menjauhi garis normal saat keluar.

Indeks bias $n$ membandingkan kecepatan cahaya di kedua material:

Contoh terarah. Sinar cahaya melewati dari udara ke kaca. Sudut datang adalah 60° dan sudut bias adalah 35°. Tentukan indeks bias kaca. (Ambil $\sin i = 0.87$ dan $\sin r = 0.57$.)

Ketika cahaya mencoba keluar dari kaca atau air dan sudutnya terlalu besar, cahaya tidak dapat keluar dan sebaliknya memantul sepenuhnya. Ini adalah pemantulan internal total. Hal ini terjadi ketika sudut di dalam lebih besar daripada sudut kritis $c$:

Efek ini digunakan dalam serat optik, benang kaca tipis yang membawa sinyal cahaya untuk telepon dan internet.

Lensa

Sebuah lensa konvergen (tebal di tengah) membengkokkan sinar sejajar ke dalam menuju titik yang disebut fokus utama. Sumbu utama adalah garis lurus melalui pusat lensa secara tegak lurus dengannya; fokus utama terletak pada sumbu ini. Jarak dari pusat lensa ke fokus utama adalah panjang fokus. Sebuah lensa divergen (tipis di tengah) menyebarkan sinar sejajar keluar, seolah-olah berasal dari fokus di sisi masuk.

Lensa konvergen dapat membentuk bayangan nyata (sinar benar-benar bertemu; dapat ditampilkan di layar) atau, saat benda sangat dekat, bayangan semu (sinar hanya tampak berasal darinya). Digunakan dekat dengan mata, lensa konvergen adalah kaca pembesar.

Deskripsikan bayangan dengan tiga pasangan kata: diperbesar atau diperkecil (atau ukuran sama), tegak atau terbalik (terbalik posisi), dan nyata atau semu. Benda jauh di luar fokus memberikan bayangan diperkecil, terbalik, nyata (seperti pada kamera). Benda antara fokus dan lensa memberikan bayangan diperbesar, tegak, semu (kaca pembesar).

Memperbaiki penglihatan. Seseorang dengan rabun dekat melihat benda dekat dengan jelas tetapi benda jauh buram: mata memfokuskan cahaya di depan retina (bagian belakang mata). Lensa divergen di depan mata menyebarkan sinar terlebih dahulu, sehingga mereka difokuskan pada retina. Seseorang dengan rabun jauh melihat benda jauh dengan jelas tetapi benda dekat buram: mata memfokuskan cahaya di belakang retina. Lensa konvergen mengumpulkan sinar sedikit sebelum memasuki mata.

Dispersi

Sebuah prisma kaca memecah cahaya putih menjadi warna-warna spektrum. Pemecahan ini disebut dispersi.

Urutan warnanya adalah merah, oranye, kuning, hijau, biru, indigo, ungu. Cahaya merah memiliki panjang gelombang terpanjang dan frekuensi terendah; ungu adalah sebaliknya. Cahaya dengan frekuensi tunggal (satu warna murni) bersifat monokromatik.

Spektrum elektromagnetik adalah keluarga gelombang yang semuanya bergerak dengan kecepatan tinggi yang sama dalam ruang hampa, $3.0 \times 10^8\ \text{m/s}$. Diurutkan dari panjang gelombang terpanjang (frekuensi terendah) hingga terpendek:

Saat bergerak dari gelombang radio menuju sinar gamma, frekuensi meningkat, panjang gelombang menurun, dan energi (beserta bahaya) meningkat. Kecepatan gelombang elektromagnetik di udara hampir sama dengan di ruang hampa.

Satelit. Komunikasi dengan satelit buatan utamanya menggunakan gelombang mikro, karena dapat menembus atmosfer. Beberapa telepon satelit menggunakan satelit di orbit rendah, dekat dengan Bumi. Telepon satelit lain, dan televisi penyiaran langsung satelit, menggunakan satelit di orbit geostasioner, yang tetap berada di atas titik yang sama di Bumi.

Sinyal digital dan analog

Gelombang radio dan gelombang mikro membawa informasi sebagai sinyal, dan sinyal dapat berupa analog atau digital. Sinyal analog berubah secara kontinu dan dapat memiliki nilai apa pun; sinyal digital adalah aliran dari dua nilai saja, nyala atau mati (1 atau 0). Suara dapat dikirimkan dalam salah satu jenis sinyal ini: mikrofon menghasilkan sinyal analog yang dapat diubah menjadi sinyal digital.

Komunikasi digital dapat mendukung tingkat transmisi data yang lebih tinggi dan jangkauan yang lebih jauh karena regenerasi sinyal yang akurat. Ini adalah manfaat terpisah; tingkat aktual bergantung pada peralatan dan saluran.

Contoh terpecahkan. Penerima yang disederhanakan membaca level di bawah 0.5 sebagai 0 dan di atas 0.5 sebagai 1. Ia menerima 0.12, 0.86, 0.73 dan 0.19. Pesan yang dipulihkan adalah 0110. Pengulang mengirim sinyal segar pada level bersih 0, 1, 1 dan 0, menghilangkan perubahan kecil pada level. Mengulang proses ini sepanjang tautan mendukung peningkatan jangkauan sementara dua level tersebut tetap dapat dibedakan.

Regenerasi tidak menjamin perbaikan setiap pesan yang rusak. Jika level ketiga menjadi 0.41, penerima ini membaca 0 alih-alih level asli 1. Kebisingan berlebihan dapat menyebabkan digit yang salah. Untuk sinyal analog, nilai yang diterima seperti 0.73 bisa jadi merupakan nilai sebenarnya atau nilai berbeda yang berubah akibat kebisingan. Tidak ada dua level tetap untuk dikembalikan; penguatan sinyal secara sederhana juga memperkuat kebisingannya.

Suara dihasilkan oleh benda bergetar. Suara adalah gelombang longitudinal: udara tertekan ke dalam kompresi (partikel saling berdekatan) dan meregang ke dalam rarefaksi (partikel berjauhan).

• Suara memerlukan media (benda material) untuk merambat, sehingga tidak dapat merambat melalui ruang hampa.
• Manusia dapat mendengar frekuensi dari sekitar $20\ \text{Hz}$ hingga $20\,000\ \text{Hz}$.
• Suara merambat jauh lebih lambat daripada cahaya (sekitar $340\ \text{m/s}$ di udara), dan lebih cepat dalam cairan serta padatan dibandingkan dalam gas.
• Amplitudo yang lebih besar menghasilkan suara yang lebih keras (keras bunyi lebih tinggi); frekuensi yang lebih tinggi menghasilkan nada yang lebih tinggi. Jadi, klik cepat lumba-lumba bernada tinggi, dan pukulan drum keras (getaran besar) bersuara keras.

Suara pantul disebut gema.

Mengukur kecepatan suara. Dua siswa berdiri pada jarak yang diketahui, misalnya 500 m, diukur dengan pita ukur atau roda pengukur. Salah satu memukul dua balok kayu bersama-sama. Yang lain memulai stopwatches saat melihat balok bertabrakan dan menghentikannya saat mendengar benturan. Cahaya hampir segera tiba, sehingga waktu yang terukur adalah waktu yang dibutuhkan suara, dan kecepatan = jarak ÷ waktu. Ulangi dan ambil rata-rata untuk mengurangi kesalahan reaksi. Metode gema membutuhkan satu orang: bertepuk tangan pada jarak yang diketahui dari dinding besar dan catat waktu suara pantul, ingat bahwa suara merambat pergi dan pulang.

Contoh terpecahkan. Seorang siswa berdiri 85 m dari dinding besar dan bertepuk tangan sekali. Gema kembali 0,50 s kemudian. Tentukan kecepatan suara.

Suara merambat ke dinding dan kembali, sejauh $2 \times 85 = 170\ \text{m}$, dalam $0.50\ \text{s}$:

Ultrasonik adalah suara di atas $20\,000\ \text{Hz}$ – terlalu tinggi untuk didengar manusia. Kegunaannya mengandalkan pemantulan: sonar mengukur kedalaman air, pemindaian medis menampilkan gambar janin atau jaringan lunak, dan pengujian tak merusak menemukan retakan di dalam logam tanpa membukanya. Seperti gema, pulsa ultrasonik merambat pergi dan pulang, jadi bagi dua jarak total untuk mencapai objek.

Contoh terpecahkan. Pulsa sonar kembali dari dasar laut $0.10\ \text{s}$ setelah dikirim; suara merambat pada $1500\ \text{m/s}$ di air. Pulsa tersebut menempuh $s = v\times t = 1500\times0.10 = 150\ \text{m}$ pergi dan pulang, sehingga laut memiliki kedalaman $150/2 = 75\ \text{m}$.

• Hafalkan $v = f\lambda$ dan siap untuk menyusunnya ulang. Ukur semua sudut datang, pantul, dan bias dari garis normal (garis tegak lurus 90° terhadap permukaan), jangan dari permukaannya sendiri.
• Gelombang transversal bergetar melintang terhadap arah rambat (cahaya, air); gelombang longitudinal bergetar sejajar dengannya (suara). Suara memerlukan media, sehingga tidak dapat menembus ruang hampa; cahaya bisa.
• Pantulan internal total hanya terjadi ketika cahaya merambat dari bahan lebih padat ke bahan kurang padat dan sudut di dalamnya lebih besar dari sudut kritis.
• Hafalkan spektrum elektromagnetik secara berurutan – radio, mikrogelombang, inframerah, tampak, ultraviolet, sinar-X, gamma. Semua merambat pada kecepatan yang sama dalam ruang hampa; frekuensi dan energi meningkat dari radio menuju gamma.
• Masuk ke bahan lebih padat (udara → kaca) cahaya melambat dan membelok menuju garis normal; keluar darinya (kaca → udara) cahaya mempercepat dan membelok menjauh.