Gelombang Cahaya: Materi dan Contoh Soal

Sobat Pijar tau gak, setiap hari kita pasti berinteraksi dengan gelombang cahaya. Contohnya, kamu pasti sering memakai lampu ketika malam hari, kan? Nah, itu semua terjadi karena gelombang cahaya yang dipancarkan oleh lampu tersebut.

Selain itu, kalau kamu suka memakai kacamata hitam saat cuaca terik, itu juga berkaitan dengan gelombang cahaya. Kacamata hitam bisa menyerap cahaya yang terlalu terang dan membuat mata kita lebih nyaman melihat sekitar.

Kalau kamu sering memakai WiFi atau internet, itu juga berhubungan dengan gelombang cahaya, lho! WiFi dan internet menggunakan gelombang elektromagnetik untuk mengirimkan data dari satu perangkat ke perangkat lainnya.

Jadi, gelombang cahaya itu ternyata sangat penting dan berperan dalam kehidupan sehari-hari kita, ya Sobat Pijar. Jadi Sekarang, yuk kita bahas bersama-sama gelombang cahaya kelas 11 biar lebih paham lagi tentang pelajaran ini.

Baca juga: Gelombang Stasioner: Materi dan Contoh Soal

Apa itu Gelombang Cahaya?

Pengertian gelombang cahaya dalam fisika adalah jenis gelombang elektromagnetik yang dapat merambat melalui medium vakum atau medium material. Gelombang cahaya terdiri dari variasi medan listrik dan medan magnetik yang bergetar secara searah dan tegak lurus terhadap arah perambatan gelombang.

Gelombang cahaya memiliki spektrum yang sangat luas, mulai dari panjang gelombang yang sangat pendek seperti sinar gamma, hingga panjang gelombang yang sangat panjang seperti gelombang radio. Namun, hanya gelombang cahaya dengan panjang gelombang antara 400 hingga 700 nanometer yang dapat dilihat oleh mata manusia, yang dikenal sebagai spektrum cahaya tampak.

Berikut beberapa contoh gelombang cahaya dalam kehidupan sehari-hari seperti lampu menggunakan gelombang cahaya untuk menghasilkan cahaya dan memberikan penerangan dalam ruangan. Televisi menggunakan gelombang cahaya untuk menampilkan gambar dan suara melalui teknologi layar LED atau OLED. Kamera menggunakan gelombang cahaya untuk menangkap gambar melalui lensa dan sensor yang mampu mengubah sinyal cahaya menjadi gambar digital. Kacamata hitam menggunakan gelombang cahaya untuk melindungi mata dari sinar ultraviolet yang berbahaya, dan masih banyak lagi yang lainnya.

Max Planck, seorang fisikawan dari Jerman, menemukan pada tahun 1900 bahwa energi cahaya dapat dijelaskan sebagai paket-paket kecil energi yang disebut foton. Penemuan ini dapat diungkapkan secara matematis menggunakan rumus:

Keterangan:

h = konstanta planck ($6,64 \times 10^{-34} \space js$)

E = energi foton (J)

c = laju cahaya (m/s)

λ = panjang gelombang

Apa Saja Sifat Gelombang Cahaya?

Sifat gelombang cahaya adalah karakteristik atau perilaku yang dimiliki oleh gelombang cahaya, seperti refleksi, refraksi, difraksi, interferensi, polarisasi, kecepatan, dan spektrum. Sifat-sifat ini memungkinkan gelombang cahaya untuk melakukan interaksi dengan medium dan objek sekitarnya dan digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti optik, telekomunikasi, dan pengobatan medis.

Sifat gelombang cahaya yang tidak dimiliki oleh gelombang bunyi diantaranya gelombang cahaya dapat mengalami refleksi total saat melewati batas antara dua medium dengan indeks bias yang berbeda secara signifikan, sedangkan gelombang bunyi tidak dapat mengalami refleksi total.

Berikut beberapa sifat gelombang cahaya yang Sobat Pijar wajib ketahui, diantaranya yaitu :

Refleksi Cahaya

Refleksi cahaya adalah fenomena di mana cahaya yang mengenai permukaan benda terpantul kembali ke arah yang berlawanan tanpa meresap ke dalam benda tersebut. Refleksi cahaya terjadi karena perbedaan indeks bias antara dua medium yang saling berbatasan. Ketika cahaya melewati batas antara dua medium dengan indeks bias yang berbeda, seperti dari udara ke permukaan kaca, maka cahaya akan berubah arah dan terpantul kembali ke arah yang berlawanan dengan sudut yang sama dengan sudut datang.

Refleksi cahaya digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti dalam cermin, lensa, kaca mata, dan perangkat optik lainnya. Sifat refleksi cahaya juga memungkinkan cahaya untuk dipantulkan dan disalurkan melalui kabel optik dan digunakan dalam teknologi komunikasi dan pemrosesan data.

Refraksi Cahaya

Refraksi cahaya adalah fenomena di mana cahaya berubah arah ketika melewati batas antara dua medium yang berbeda indeks biasnya, seperti dari udara ke air atau dari udara ke kaca. Hal ini terjadi karena kecepatan cahaya berubah ketika melewati medium yang berbeda, sehingga sudut datang dan sudut keluar cahaya juga berubah.

Sifat gelombang cahaya yang digunakan kabel fiber optik dalam mentransmisikan data adalah refraksi. Refraksi adalah kemampuan gelombang cahaya untuk berubah arah saat melewati batas antara dua medium dengan indeks bias yang berbeda. Dalam kabel fiber optik, gelombang cahaya disalurkan melalui serat optik yang terbuat dari kaca atau plastik dengan indeks bias yang tinggi. 

Contoh refraksi cahaya yang dapat ditemukan dalam kehidupan sehari-hari diantaranya ketika cahaya melewati lensa kacamata atau lensa kamera, maka cahaya akan mengalami refraksi dan terfokus pada titik tertentu pada layar atau sensor. Ketika cahaya melewati prisma, cahaya akan mengalami refraksi dan terpecah menjadi berbagai warna yang membentuk spektrum cahaya.

Rumus refraksi cahaya:

Keterangan:

$n_1$ = indeks bias medium 1

$\theta _1$ = sudut datang

$n_2$ = indeks bias medium 2

$\theta _r$ = sudut bias

Dispersi Cahaya

Dispersi cahaya adalah fenomena di mana cahaya putih terpecah menjadi spektrum warna yang berbeda saat melewati benda yang memiliki indeks bias yang berbeda tergantung pada panjang gelombangnya. Dispersi cahaya terjadi karena kecepatan cahaya dalam medium yang berbeda juga berbeda, sehingga sudut keluarnya cahaya dari medium berbeda-beda tergantung pada panjang gelombangnya.

Dari prisma juga dapat diamati gejala dispersi cahaya. Ketika seberkas sinar datang pada prisma dengan sudut datang i, maka sinar tersebut akan meninggalkan prisma dengan sudut keluar r'. Besarnya sudut deviasi antara sinar yang masuk dan keluar dari prisma disebut sebagai sudut deviasi. Besarnya sudut deviasi tergantung pada besarnya sudut datang. Sudut deviasi terkecil disebut sudut deviasi minimum. Sudut deviasi minimum terjadi jika:

Sudut deviasi terkecil disebut juga deviasi minimum, terjadi jika i = r’= i’ serta i’ + r = 𝛽. 

Untuk dispersi cahaya rumus yang wajib Sobat Pijar ketahui yaitu:

Keteragan:

$\delta _m$ = sudut deviasi minimum

$\beta$ = sudut pembias prisma

Difraksi Cahaya

Difraksi cahaya adalah fenomena di mana cahaya melengkung atau membengkok saat melewati celah atau rintangan kecil. Dalam difraksi, cahaya berubah arah dan melebar setelah melewati rintangan kecil atau celah, dan menghasilkan pola interferensi yang khas.

Difraksi cahaya dalam kehidupan sehari-hari bisa kamu lihat ketika cahaya laser melewati permukaan piringan CD/DVD, pola difraksi terbentuk pada permukaan dan menghasilkan pembacaan data pada cakram. Ketika sinar-X melewati kristal, pola difraksi terbentuk pada permukaan kristal dan dapat digunakan untuk menentukan struktur kristal. Ketika cahaya melewati celah kecil atau tepi benda kecil seperti rambut, pola difraksi terbentuk di sekitar objek dan menghasilkan efek seperti "bayangan" atau "korona" di sekitar objek tersebut.

Interferensi Cahaya

Interferensi cahaya adalah fenomena di mana dua atau lebih gelombang cahaya saling mempengaruhi satu sama lain ketika bertemu, sehingga menghasilkan pola cahaya yang kompleks dan unik. Pola ini terbentuk karena adanya perbedaan fase antara gelombang cahaya yang saling mempengaruhi.

Interferensi Celah Ganda 

Interferensi cahaya celah ganda adalah fenomena interferensi cahaya yang terjadi ketika sebuah sinar cahaya monokromatik (yang memiliki panjang gelombang tunggal) melewati dua celah sempit dan bertabrakan di permukaan yang sama. 

Jika perbedaan jarak optik antara celah ganda pada interferensi adalah kelipatan setengah dari panjang gelombang cahaya yang digunakan, maka pola maksimum atau pola terang akan terbentuk. Dalam interferensi celah ganda, hal ini dapat dirumuskan menggunakan persamaan:

Jika perbedaan jarak optik antara celah ganda pada interferensi adalah kelipatan ganjil dari setengah panjang gelombang cahaya yang digunakan, maka pola minimum atau pola gelap akan terbentuk. Dalam interferensi celah ganda, hal ini dapat dirumuskan menggunakan persamaan:

Interferensi Lapis Tipis

Persamaan interferensi maksimum:

Persamaan interferensi minimum:

Keterangan:

t = tebal lapisan tipis

m = orde interfensi

n = indeks biar lapis

$\lambda$ = panjang gelombang

Interferensi cahaya dalam kehidupan sehari-hari bisa dilihat pada percikan air, sabun, minyak, atau permukaan tipis yang menghasilkan lapisan film. Contohnya, ketika cahaya melewati film tipis, cahaya yang terpantul dari permukaan atas dan bawah film tersebut dapat bertabrakan dan menghasilkan pola interferensi yang unik. Interferensi cahaya juga dapat terjadi pada penggunaan filter polarisasi, cermin interferensi, dan interferometer Michelson.

Polarisasi Cahaya

Polarisasi cahaya adalah fenomena dimana arah getaran gelombang cahaya terbatas pada satu bidang tertentu. Cahaya polarisasi hanya mengalami getaran dalam satu arah, sementara cahaya yang tidak terpolarisasi dapat mengalami getaran dalam banyak arah.

Cahaya dapat dipolarisasi melalui beberapa cara, seperti melalui polaroid, kristal, dan refleksi pada permukaan yang rata. Cahaya polarisasi juga dapat terjadi secara alami, seperti ketika cahaya melintasi awan es di atmosfer bumi.

Terdapat tiga jenis polarisasi cahaya, yaitu:

Polarisasi Linear

Polarisasi linear adalah jenis polarisasi cahaya dimana getaran cahaya terbatas pada satu arah atau bidang tertentu. Cahaya polarisasi linear dapat terjadi melalui beberapa cara, seperti melalui polaroid, kristal, atau refleksi pada permukaan yang rata.

Polaritas Ellipsoidal

Polaritas ellipsoidal adalah jenis polarisasi cahaya di mana getaran cahaya terjadi pada bidang yang berputar secara ellipsoidal. Polarisasi ini dapat terjadi ketika cahaya melalui bahan-bahan yang memiliki sifat optik khusus, seperti kaca khusus atau kristal optik.

Polarisasi Sirkular

Polarisasi sirkular adalah jenis polarisasi cahaya dimana getaran cahaya berputar mengikuti bentuk lingkaran. Polarisasi sirkular dapat terjadi ketika cahaya melalui bahan-bahan yang memiliki sifat optik tertentu, seperti pada material birefringent atau pada bahan dengan struktur molekuler tertentu. Polarisasi sirkular juga dapat dibuat melalui proses elektromagnetik, seperti pada penggunaan antena dan mikrofon.

Manfaat Polarisasi Cahaya

Beberapa manfaat polarisasi cahaya penting dalam kehidupan sehari-hari, antara lain:

Membuat Kacamata Polarisasi

Kacamata polarisasi banyak digunakan oleh para pecinta olahraga air, seperti selancar, ski air, atau memancing. Kacamata polarisasi membantu mengurangi silau dan refleksi cahaya pada permukaan air, sehingga memudahkan pengguna dalam melihat objek di dalam air.

Dalam Bidang Teknologi

Polarisasi cahaya digunakan dalam berbagai aplikasi teknologi, seperti pada pembuatan filter polarisasi pada kamera, layar LCD, dan mikroskop. Filter polarisasi dapat membantu memperjelas gambar, mengurangi silau, dan meningkatkan kontras.

Pada Bidang Kedokteran

Polarisasi cahaya juga digunakan dalam bidang kedokteran, khususnya pada mikroskop polarisasi. Mikroskop polarisasi dapat membantu dokter dalam mendiagnosis penyakit kulit dan gigi, serta dalam meneliti sifat optik dari jaringan biologis.

Pada Bidang Industri

Polarisasi cahaya digunakan dalam industri untuk menguji kekuatan material, deteksi keausan pada permukaan, dan pengukuran tegangan. Dengan menggunakan polarisasi cahaya, dapat diperoleh informasi lebih detail tentang sifat material yang diuji.

Sebelum mulai membahas contoh soal, klik banner di bawah ini, yuk, untuk memahami teori gelombang cahaya secara lebih dalam lagi!

Contoh Soal Gelombang Cahaya

Contoh soal gelombang cahaya dan pembahasannya, diantaranya yaitu :

Jika cahaya merah memiliki panjang gelombang sebesar 650 nm dan cahaya hijau memiliki panjang gelombang sebesar 550 nm, berapa selisih energi antara kedua jenis cahaya tersebut?

Jawaban: 

Diketahui panjang gelombang cahaya merah = 650 nm dan cahaya hijau = 550 nm. 

Maka:

$E_{merah} = \frac{hc}{\lambda}$

$E_{merah} = \frac{(6,626 \times 10^{-34}) \times 299.729.458}{650 \times 10^{-9}}$

$E_{merah} = 3,04 \times 10_{-19}$ J

$E_{hijau} = \frac{hc}{\lambda}$

$E_{hijau} = \frac{(6,626 \times 10^{-34}) \times 299.792.458}{550 \times 10^{-9}}$

$E_{hijau} = 3,60 \times 10^{-19}$ J

Selisih energi antara kedua jenis cahaya tersebut adalah:

$∆_E = E_{hijau} - E_{merah}$

$∆_E = (3,60 \times 10^{-19}) - (3,04 \times 10^{-19})$

$∆_E = 0,56 \times 10^{-19} \space J$ atau $5,6 \times 10^{-21} \space J$

Ini menunjukkan bahwa cahaya hijau memiliki energi yang lebih besar daripada cahaya merah, karena panjang gelombang yang lebih pendek pada cahaya hijau menghasilkan frekuensi yang lebih tinggi dan energi yang lebih besar. Hal ini sesuai dengan spektrum elektromagnetik, di mana cahaya hijau memiliki frekuensi yang lebih tinggi daripada cahaya merah.

Baca juga: Gelombang Berjalan: Materi dan Contoh Soal

___________________________________

Nah, Sobat Pijar, begitulah sekilas tentang gelombang cahaya dan beberapa contoh soal beserta pembahasannya. Semoga informasi ini dapat membantu kamu untuk memahami lebih dalam mengenai konsep dasar gelombang cahaya dan penerapannya dalam berbagai fenomena fisika. 

Jika ingin menguji kemampuanmu di bidang Fisika, yuk kerjakan soal yang ada di Pijar Belajar! Ada ratusan soal Fisika yang bisa kamu kerjakan, lho!

Tunggu apa lagi? Download Pijar Belajar sekarang juga!