sifst-sifat gelombang

(a) Dispersi Gelombang

Ketika Anda menyentakkan ujung tali naik-turun (setengah getaran), sebuah pulsa transversal merambat melalui tali (tali sebagai medium). Sesungguhnya bentuk pulsa berubah ketika pulsa merambat sepanjang tali, pulsa tersebar atau mengalami dispersi (perhatikan Gambar 1.16). Jadi, dispersi gelombang adalah perubahan bentuk gelombang ketika gelombang merambat suatu medium.

Gambar 1.16. Dalam suatu medium dispersi, bentuk gelombang

Berubah begitu gelombang merambat

Kebanyakan medium nyata di mana gelombang merambat dapat kita dekati sebagai medium non dispersi. Dalam medium non dispersi, gelombang dapat mempertahankan bentuknya. Sebagai contoh medium non dispersi adalah udara sebagai medium perambatan dari gelombang bunyi..

Gelombang-gelombang cahaya dalam vakum adalah nondispersi secara sempurna. Untuk cahaya putih (polikromatik) yang dilewatkan pada prisma kaca mengalami dispersi sehngga membentuk spektrum warna-warna pelangi. Apakah yang bertanggungjawab terhadap dispersi  gelombang cahaya ini? Tentu saja dispersi gelombang terjadi dalam prisma kaca karena kaca termasuk medium dispersi untuk gelombang cahaya.

Sifat-Sifat Gelombang (Pemantulan gelombang lingkaran oleh bidang datar)

(b) Pemantulan gelombang lingkaran oleh bidang datar

Bagaimanakah jika yang mengenai bidang datar adalah muka gelombang lingkaran? Gambar 1.17 menunjukkan pemantulan gelombang lingkaran sewaktu mengenai batang datar yang merintanginya. Gambar 1.18 adalah adalah analisis dari Gambar 1.17.

Sumber gelombang datang adalah titik O. Dengan menggunakan hukum pemantulan, yaitu sudut datang =sudut pantul, kita peroleh bayangan O adalah I. Titik I merupakan sumber gelombang pantul sehingga muka gelombang pantul adalah lingkaran-lingkaran yang berpusat di I, seperti ditunjukkan pada gambar 1.18.

Gambar 1.17 Pemantulan gelombang Lingkaran  oleh bidang datar	Gambar 1.18 Bayangan sumber gelombang datang O adalah I (sumber gelombang pantul)

---

Contoh:
Sebuah pembangkit bola digetarkan naik dan turun pada permukaan air dalam tangki riak dengan frekuensi tertentu, menghasilkan gelombang lingkaran seperti pada Gambar 1.36. Suatu keping logam RQS bertindak sebagai perintang gelombang. Semua muka gelombang pada Gambar 1.36 dihasilkan oleh pembangkit bola dalam waktu 0,6 s. Perintang keping logam berjarak 0,015m dari sumber gelombang P. Hitung  (a) panjang gelombang, (b) frekuensi, dan (c) cepat rambat gelombang.Pembahasan:
(a)    Jarak dua muka gelombang yang berdekatan = 1λ.
Dengan demikian, jarak PQ = 3(1λ)
0,015 m = 3λ
λ = 0,005 m
(b)   Selang waktu yang diperlukan untuk menempuh dua muka gelombang yang berdekatan =1/T, dengan T adalah periode gelombang. Gelombang datang (garis utuh) dari P ke Q menempuh 3T, sedangkan gelombang pantul (garis putus-putus) dari Q ke P menempu waktu 3T.
Jadi, selang waktu total = 3T + 3T
0,6 s = 6T
T = 0,1 s.
Frekuensi f adalah kebalikan periode, sehingga:
f = 1/(0,1s) = 10 Hz.
(c)  Cepat rambat v  = λf = (0,005m)(10 Hz) = 0, 05 m/s.

Sifat-Sifat Gelombang (Pembiasan Gelombang)

(c) Pembiasan Gelombang

Pada umumnya cepat rambat gelombang dalam satu medium tetap. Oleh karena frekuensi gelombang selalu tetap, maka panjang gelombang (λ=v/f) juga tetap untuk gelombang yang menjalar dalam satu medium. Apabila gelombang menjalar pada dua medium yang jenisnya berbeda, misalnya gelombang cahaya dapat merambat dari udara ke air. Di sini , cepat rambat cahaya berbeda. Cepat rambat cahaya di udara lebih besar daripada cepat rambat cahaya di dalam air. Oleh karena (λ=v/f), maka panjang gelombang cahaya di udara juga lebih besar daripada panjang gelombang cahaya di dalam air. Perhatikan λ sebanding dengan v. Makin besar nilai v, maka makin besar nilai λ, demikian juga sebaliknya.

Perubahan panjang gelombang dapat juga diamati di dalam tangki riak dengan cara memasang keping gelas tebal pada dasar tangki sehingga tangki riak memiliki dua kedalaman air yang berbeda, dalam dan dangkal, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.19. Pada gambar tampak bahwa panjang gelombang di tempat yang dalam lebih besar daripada panjang gelombang di tempat yang dangkal (λ₁ > λ₂). Oleh karena v=λf, maka cepat rambat gelombang di tempat yang dalam lebih besar daripada di tempat yang dangkal (v₁ > v₂).

Gambar 1.19.  Panjang gelombang di tempat yang dalam lebih besar daripada panjang gelombang di tempat yang dangkal (λ₁ > λ₂)

Perubahan panjang gelombang menyebabkan pembelokan gelombang seperti diperlihatkan pada foto pembiasan gelombang lurus sewaktu gelombang lurus mengenai bidang batas antara tempat yang dalam ke tempat yang dangkal dalam suatu tangki riak Pembelokan gelombang dinamakan pembiasan.
Diagram pembiasan ditunjukkan pada Gambar 1.20. Mula-mula, muka gelombang datang dan muka gelombang bias dilukis sesuai dengan foto. Kemudian sinar datang dan sinar bias dilukis sebagai garis yang tegaklurus muka gelombang datang dan bias.

Gambar 1.20. Diagram pembiasan

Selanjutnya, garis normal dilukis. Sudut antara sinar bias dan garis normal disebut sudut bias (diberi lambang r). Pada Gambar 1.20 tampak bahwa sudut bias di tempat yang dangkal lebih kecil daripada sudut datang di tempat yang dalam (r < i). Dapat disimpulkan bahwa sinar datang dari tempat yang dalam ke tempat yang dangkal sinar dibiaskan mendekati garis normal (r < i). Sebaliknya, sinar datang dari tempat yang dangkal ke tempat yang dalam dibiaskan menjauhi garis normal (r>i).

Penurunan Persamaan umum pembiasan gelombang

Penurunan  Persamaan umum pembiasan gelombang

Untuk keperluan penurunan rumus, kita buat diagram skematik pembiasan seperti pada Gambar 1.21.

Gambar 1.21 Diagram skematik pembiasan. Medium 1 adalah tempat

yang dalam dan medium 2 adalah tempat yang dangkal

AP adalah suatu muka gelombang dalam medium 1 yang memotong bidang batas di titik A. Dalam waktu Δt gelombang dari P menempuh jarak v₁Δt dan tiba di titik B pada bidang batas yang memisahkan kedua medium dengan sudut datang i. Pada waktu Δt yang sama, gelombang dari titik A menempuh jarak v₂Δt masuk ke dalam medium 2 dan tiba di titik B’. Muka gelombang baru BB’ tidak sejajar dengan muka gelombang AP semula sebab cepat rambat v₁ dan v₂ berbeda (v₂ < v₁).

Perhatikan Δ ABP
sinΦ₁=
sinΦ₁=
AB =
Φ₁ = i, sehingga ;
AB = ....................(i)
Dengan cara yang sama, untuk DAB’B:
sinΦ₂=
sinΦ₂=
AB =
Φ₂ = r, sehingga ;
AB = ....................(ii)
Dengan menyamakan ruas kanan persamaan (i) dan (ii) diperoleh:
=

Jadi, persamaan umum yang berlaku untuk pembiasan gelombang adalah :
= n ...................................1.18
dengan:  
i = sudut datang
r = sudut bias
v₁ = cepat rambat gelombang dalam medium 1
v₂ = cepat rambat gelombang dalam medium 2
n = indeks bias medium 2 relatif terhadap medium 1.

Perhatikan persaman (1-18). Jika sinar datang dari tempat yang dalam ke tempat yang dalam ke tempat yang dalam ke tempat yang dangkal, maka:
v₁= v₂
> 1
sin i > sin r atau  sin r < sin i
r < i
Sudut bias < sudut datang, dan hasil ini sesuai dengan Gambar 1.21.
Jika indeks bias medium 2 adalah n₂ dan indeks bias medium 1 adalah n₁, maka n pada dapat ditulis n= . Selanjutnya, ambil sudut datang i = θ₁ dan sudut bias r =θ₂, maka persamaan 1.18, dapat ditulis:
atau  n₁ sinθ₁ = n₂ sinθ₂

Contoh Penurunan Persamaan umum pembiasan gelombang

Sebuah gelombang lurus datang pada bidang batas antara dua medium dengan sudut datang 30^o. Jika indeks bias medium 2 relatif terhadap medium 1 adalah ½, berapa sudut biasnya?

Penyelesaian:
Diketahui :
Sudut datang i = 30^o
Indeks bias  n= = ½
Ditanya :  r= ....?
Jawab:
Dengan menggunakan persamaan n₁ sinq₁ = n₂ sinq₂, maka diperoleh:
sinθ₁ = sinθ₂
sin 30^o =½ sin r
½   = ½  sin r
Sin r ₌ , atau  r = 45^o.

Sifat-Sifat Gelombang (Difraksi Gelombang)

(d) Difraksi Gelombang

Di dalam suatu medium yang sama, gelombang merambat lurus. Oleh karena itu, gelombang lurus akan merambat ke seluruh medium dalam bentuk gelombang lurus juga. Hal ini tidak berlaku bila pada medium diberi penghalang atau rintangan berupa celah. Untuk ukuran celah yang tepat, gelombang yang datang dapat melentur setelah melalui celah tersebut. Lenturan gelombang yang disebabkan oleh adanya penghalang berupa celah dinamakan difraksi gelombang.

Jika penghalang celah yang diberikan oleh lebar, maka difraksi tidak begitu jelas terlihat. Muka gelombang yang melalui celah hanya melentur di bagian tepi celah, seperti ditunjukkan pada gambar 1.22. Jika penghalang celah sempit, yaitu berukuran dekat dengan orde panjang gelombang, maka difraksi gelombang  sangat jelas. Celah bertindak sebagai sumber gelombang berupa titik, dan muka gelombang yang melalui celah dipancarkan berbentuk lingkaran-lingkaran dengan celah tersebut sebagai pusatnya seperti ditunjukkan pada gambar 1.23.

Gambar 1.22 Pada celah lebar, hanya muka gelombang pada tepi celah saja melengkung	Gambar 1.23 Pada celah sempit, difraksi gelombang tampak jelas.

Sifat-Sifat Gelombang (Interferensi Gelombang)

(e) Interferensi Gelombang

Jika pada suatu tempat bertemu dua buah gelombang, maka resultan gelombang di tempat tersebut sama dengan jumlah dari kedua gelombang tersebut. Peristwa ini di sebut sebagai prinsip superposisi linear. Gelombang-gelombang yang terpadu akan mempengaruhi medium. Nah, pengaruh yang ditimbulkan oleh gelombang-gelombang yang terpadu tersebut disebut interferensi gelombang.

Ketika mempelajari gelombang stasioner yang dihasilkan oleh superposisi antara gelombang datang dan gelombang pantul oleh ujung bebas atau ujung tetap, Anda dapatkan bahwa pada titik-titik tertentu, disebut perut, kedua gelombang saling memperkuat (interferensi konstruktif), dan dihasilkan amplitudo paling besar, yaitu dua kali amplitudo semuala. Sedangkan pada titik-titik tertentu, disebut simpul, kedua gelombang saling memperlemah atau meniadakan (interferensi destruktif), dan dihasilkan amplitudo nol.

Dengan menggunakan konsep fase, dapat kita katakan bahwa interferensi konstruktif (saling menguatkan) terjadi bila kedua gelombang yang berpadu memiliki fase yang sama. Amplitudo gelombang paduan sama dengan dua kali amplitudo tiap gelombang. Interferensi destruktif (saling meniadakan) terjadi bila kedua gelombang yang berpadu berlawanan fase. Amplitudo gelombang paduan sama dengan nol. Interferensi konstruktif dan destruktif mudah dipahami dengan menggunakan ilustrasi pada Gambar 1.24.

Gambar 1.24. Interferensi Konstruktif

Sifat-Sifat Gelombang (Polarisasi Gelombang)

(f) Polarisasi Gelombang

Pemantulan, pembiasan, difraksi, dan interferensi dapat terjadi pada gelombang tali (satu dimensi), gelombang permukaan air (dua dimensi), gelombang bunyi dan gelombang cahaya (tiga dimensi). Gelombang tali, gelombang permukaan air, dan gelombang cahaya adalah gelombang transversal, sedangkan gelombang bunyi adalah gelombang longitudinal. Nah, ada satu sifat gelombang yang hanya dapat terjadi pada gelombang transversal, yaitu polarisasi. Jadi, polarisasi gelombang tidak dapat terjadi pada gelombang longitudinal, misalnya pada gelombang bunyi.

Fenomena polarisasi cahaya ditemukan oleh Erasmus Bhartolinus pada tahun 1969. Dalam fenomena polarisasi cahaya, cahaya alami yang getarannya ke segala arah tetapi tegak lurus terhadap arah merambatnya (gelombang transversal) ketika melewati filter polarisasi, getaran horizontal diserap  sedang getaran vertikal diserap sebagian (lihat Gambar 1.25). Cahaya alami yang getarannya ke segala arah di sebut cahaya tak terpolarisasi, sedang cahaya yang melewati polaroid hanya memiliki getaran pada satu arah saja, yaitu arah vertikal, disebut cahaya terpolarisasi linear.

Gambar 1.25. Polarisasi cahaya pada polaroid

Mengapa polarisasi hanya terjadi pada gelombang transversal?

Mengapa polarisasi hanya terjadi pada gelombang transversal?

Ide polarisasi gelombang dengan mudah dapat kita pahami dengan memperhatikan secara seksama suatu gelombang transversal pada tali ketika melewati sebuah celah. Dari penjelasan sebelumnya dapat kita nyatakan bahwa suatu gelombang terpolarisasi linear bila getaran dari gelombang tersebut selalu terjadi dalam satu arah saja. Arah ini disebut arah polarisasi. Untuk mengamati polarisasi ini, marilah kita ikat seutas tali pada titik O di dinding, kemudian masukkan ujung tali lain, yaitu ujung A ke sebuah celah, seperti pada gambar 1.26. Pasang celah dalam posisi vertikal, kemudian getarkan ujung tali di A sehingga gelombang transversal yang merambat dari A dapat menembus celah, dan sampai di titik O. Ubahlah posisi celah menjadi horisontal, kemudian getarkan kembali ujung tali A secara vertikal. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa gelombang vertikal tidak dapat menembus celah (tampak tidak ada gelombang diantara celah dan titik O). Jika kemudian tali di titik A digetarkan berputar, artinya digetarkan ke segala arah dan celah dipasang vertikal, apa yang terjadi? Ternyata,  gelombang dapat menembus celah dengan arah getaran gelombang yang sama dengan arah posisi celah, yaitu arah vertikal. Apa yang dapat Anda pahami dari peristiwa tersebut?

Gambar 1.26  Polarisasi Gelombang

Peristiwa tersebut menunjukkan terjadinya polarisasi pada gelombang tali yang melewati sebuah celah sempit, dengan arah polarisasi gelombang sesuai arah celahnya. Polarisasi dapat diartikan sebagai penyearah gerak getaran gelombang. Jika gelombang bergetar ke segala arah, seperti pada gambar 1.26 setelah melewati sebuah celah, arah getaran gelombang menjadi satu arah getar saja, yang disebut dengan gelombang terpolarisasi linear.

Jadi, hanya gelombang-gelombang yang memiliki arah getaran tegaklurus dengan arah rambatannya saja yang disebut sebagai gelombang transversal, yang dapat mengalami polarisasi. Oleh karena cahaya atau gelombang elektromagnet termasuk gelombang transversal, cahaya dapat mengalami polarisasi.