LAPORAN DIFRAKSI PDF

Preview

Summary

DIFRAKSI Herayanti, Muh. Shadiq. K, Rezky Amaliah Laboratorium Fisika Dasar Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Makassar Pendidikan Fisika 2014 Abstrak Telah dilakukan percobaan tentang difraksi. Difraksi merupakan peristiwa pembelokan atau pelenturan cahaya karena melewati sebuah celah yang sem...

Description

DIFRAKSI Herayanti, Muh. Shadiq. K, Rezky Amaliah Laboratorium Fisika Dasar Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Makassar Pendidikan Fisika 2014 Abstrak Telah dilakukan percobaan tentang difraksi. Difraksi merupakan peristiwa pembelokan atau pelenturan cahaya karena melewati sebuah celah yang sempit. Tujuan diadakannya percobaan ini adalah untuk memahami pengaruh jarak antar celah pada pembentukan pola difraksi pada celah ganda, memahami pengaruh lebar celah terhadap pembentukan pola difraksi pada celah ganda, memahami pengaruh banyak celah terhadap pembentukan pola difraksi, dan menentukan panjang gelombang laser. Nilai panjang gelombang rata-rata kegiatan 1 adalah λ=|0,59 ± 0,04| 10-3mm. Untuk kegiatan dua adalah λ=|0,633 ± 0,014| 10-3 mm. Untuk kegiatan 3 adalah λ=|0,632 ± 0,013| 10-3mm. Untuk celah tunggal λ=|0,97 ± 0,29| 10-3 mm. Untuk kisi adalah λ=|0,5070 ± 0,0070| 10-3 mm. Sedangkan untuk keseluruhan kegiatan adalah λ=|0,67 ± 0,30| 10-3 mm. Dari percobaan yang telah dilakukan, diperoleh bahwa jarak antar celah berpengaruh terhadap pembentukan pola difraksi artinya jika semakin kecil jarak antar celah yang digunakan maka semakin besar jarak pola difraksi yang terbentuk. Sementara itu, lebar celah dan banyak celah tidak berpengaruh terhadap pembentukan pola difraksi. Untuk kisi, semakin besar kisi maka semakin besar pula jarak antar pola difraksi dari terang pusat ke terang berikutnya.

Kata kunci : celah, kisi, pola difraksi, jarak RUMUSAN MASALAH 1. Bagaimana pengaruh jarak antar celah pada pembentukan pola difraksi pada celah ganda ? 2. Bagaimana pengaruh lebar celah pada pembentukan pola difraksi pada celah ganda ? 3. Bagaimana pengaruh jumlah celah terhadap pembentukan pola difraksi ? 4. Berapa besar nilai panjang gelombang laser, melalui percobaan difraksi pada celah tunggal dan kisi ?

TUJUAN 1. Mahasiswa dapat memahami pengaruh jarak antar celah pada pembentukan pola difraksi pada celah ganda. 2. Mahasiswa dapat memahami pengaruh lebar celah pada pembentukan pola difraksi pada celah ganda. 3. Mahasiswa dapat memahami pengaruh jumlah celah terhadap pembentukan pola difraksi.

4. Mahasiswa dapat menentukan panjang gelombang laser, melalui percobaan difraksi pada celah tunggal dan kisi.

METODOLOGI EKSPERIMEN Teori Singkat Fenomena difraksi pertama kali dijelaskan oleh Francesco Maria Grimaldi pada tahun 1665 dengan nama Latin diffringere yang berarti to break into pieces dengan penjabaran sifat gelombang yang dapat terurai menjadi potonganpotongan gelombang. Potongan-potongan gelombang ini dapat bergabung kembali dalam suatu resolusi optis (J. L. Aubert, 1760: 149). Peristiwa pembelokan cahaya ke belakang penghalang disebut peristiwa difraksi. Difraksi pertama kali diungkapkan oleh Francesco Maria Grimaldi (1618-1663) walaupu Newton tidak menerima kebenaran teori tentang gelombang cahaya, sedangkan Huygens tidak mempercayai difraksi ini walaupun dia yakin akan kebenaran teori gelombang cahaya. Huygens berpendapat bahwa gelombang sekunder hanya efektif pada titik-titik singgung dengan selubungnya saja, sehingga tidak memungkinkan terjadinya difraksi.Perhitugan difraksi pada hakekatnya sulit dilakukan, walaupun prinsipnya sederhana (Sutarman, 2003: 30). Difraksi kadang-kadang dijelaskan sebagai ”pembelokan cahaya di sekitar sebuah rintangan”. Tetapi proses yang menyebabkan difraksi akan hadir dalam perambatan setiap gelombang. Bila sebagian gelombang itu dipancung oleh suatu rinatangan, maka kita mengamati efek difraksi yang dihasilkan dari interferensi dari bagian selebihnya muka gelombang itu. Instrumen optis secara khusus hanya menggunakan bagian yang dibatasi oleh sebuah gelombang; misalnya, sebuah teleskop hanya menggunakan bagian dari sebuah gelombang yang diterima oelh lensa objektifnya atau oleh cermin. Jadi, difraksi memainkan sebuah peranan dalam hampir semua fenomena optis (Young & Freedman, 2003: 618). Difraksi terjadi apabila sebagian muka gelombang dibatasi oleh rintangan atau lubang – bukaan (celah sempit). Intensitas cahaya di sembarang titik dalam ruangan dapat dihitung dengan menggunakan Prinsip Huygens dengan mengambil setiap titik pada muka – gelombang menjadi titik sumber dan dengan menghitung

pola interferensi yang terjadi. Pola Fraunhofer diamati pada jarak yang sangat jauh dari rintangan atau celah sempit sehingga sinar-sinar yang mencapai sembarang titik hampir sejajar, atau pola itu dapat diamati dengan menggunakan lensa untuk memfokuskan sinar-sinar sejajar pada layar pandang yang ditempatkan pada bidang fokus lensa tersebut. Pola yang lain, yaitu pola Fresnel diamati di titik yang dekat dengan sumbernya. Difraksi cahaya sering sulit diamati karena panjang gelombang demikian kecilnya atau karena intensitas cahaya tidak cukup. Kecuali untuk pola Fraunhofer celah sempit dan panjang, pola difraksi biasanya sulit (Herman, 2015: 26). Pada celah ganda, pola difraksi – interferensi Fraunhofer dua celah sama dengan pola interferensi untuk dua celah sempit yang dimodulasi oleh pola difraksi celah – tunggal.

Gambar.1 Skema ilustrasi difraksi pada celah ganda Keterangan: b

: lebar celah

d

: jarak celah

L : jarak antara layar dan celah ganda x2 : jarak maksimum kedua dari pusat α2 : arah pengamatan untuk maksimum kedua Δs2 : path perbedaan sinar utama S

: layar Pada jarak yang sangat jauh dari celah, garis-garis dari kedua celah ke satu

titik P di layar akan hampir sejajar, dan perbedaan lintasan kira-kira d sin , seperti

yang ditunjukkan pada Gambar 6.1 di atas. Dengan demikian diperoleh interferensi maksimum pada satu sudut yang diberikan oleh � sin � = �� , m= 1,2,3 …

[6. ]

Untuk sudut yang sangat kecil, (yang hampir selalu begitu, seperti asumsi

sebelumnya), jarak yang diukur di sepanjang layar rumbai terang ke – m diberikan oleh,

d adalah jarak antar celah

�� = �

��

[ 6. ]

�

Pada eksperimen celah banyak, digunakan goresan-goresan dari sebuah mistar baja konvensional sebagai kisi refleksi. Susunan perangkatnya ditunjukkan pada gambar 6.3, dimana X adalah spot laser pada layar tanpa kisi (mistar), Q adalah titik perpanjangan dari mistar, P0 adalah titik refleksi dari n = 0, dan P1, P2, P3 dan seterusnya adalah titik difraksi sinar dari m = 1, m = 2, m = 3, dan seterusnya (Herman, 2015: 26).

Alat dan Bahan 1. Alat a. Diafragma dengan 3 celah ganda 469 84

1 buah

b. Diafragma dengan 4 celah ganda 469 85

1 buah

c. Diafragma dengan 5 nomor celah

1 buah

d. Laser He-Ne, terpolarisasi linier 471 830

1 buah

e. Dudukan dengan klip pegas 460 22

1 buah

f. Lensa dalam bingkai, f = +5 mm 460 01

1 buah

g. Lensa dalam bingkai, f = +50 mm 460 02

1 buah

h. 1 presisi bangku optik, 1 m 460 32

1 buah

i. Pengendara 4 optik, H = 60 mm/B = 36 mm 460 370

1 buah

j.

1 buah

Layar tembus 441 53

k. Pelana dasar 300 11 2. Bahan Tidak ada

1 buah

Identifikasi Variabel Kegiatan 1. Ketergantungan difraksi celah ganda pada jarak antar celah d a. Variabel Kontrol

: jarak celah ke layar (cm) dan lebar celah (mm)

b. Variabel Manipulasi

: jarak antara celah d (mm)

c. Variabel Respon

: jarak rata-rata pola difraksi maksimum berdekatan

(mm) Kegiatan 2. Ketergantungan difraksi celah ganda, pada lebar celah b a. Variabel Kontrol

: jarak celah ke layar (cm) dan jarak antar celah

(mm) b. Variabel Manipulasi

: lebar celah b (mm)

c. Variabel Respon

: jarak rata-rata pola difraksi maksimum berdekatan

(mm) Kegiatan 3. Ketergantungan difraksi pada jumlah celah (N) a. Variabel Kontrol

: jarak celah ke layar (cm) dan lebar celah (mm)

b. Variabel Manipulasi

: banyak celah N (mm)

c. Variabel Respon

: jarak rata-rata pola difraksi maksimum berdekatan

(mm) Kegiatan 4. Difraksi pada celah tunggal dan kisi a. Variabel Kontrol

: jarak celah ke layar (cm)

b. Variabel Manipulasi

: jenis celah

c. Variabel Respon

: jarak rata-rata pola difraksi dari terang pusat ke

orde ke-n (mm).

Definisi Operasional Variabel Kegiatan 1. Ketergantungan difraksi celah ganda, pada jarak antar celah d a. Jarak celah ke layar adalah jarak yang memisahkan antara celah dengan layar yang diukur menggunakan meteran dengan satuan cm. b. Lebar celah b adalah lebar celah yang telah ditentukan dalam satuan mm untuk mengetahui pengaruh lebar celah terhadap pola difraksi

c. Jarak antara celah d adalah jarak antara celah yang satu dengan yang lain yang telah ditentukan dalam satuan mm untuk mengetahui pengaruh jarak antara celah terhadap pola difraksi. d. Jarak rata-rata pola difraksi maksimum berdekatan adalah jarak rata-rata yang diukur pada saat terbentuk pola difraksi pada layar dengan satuan mm.

Kegiatan 2. Ketergantungan difraksi celah ganda, pada lebar celah b a. Jarak celah ke layar adalah jarak yang memisahkan antara celah dengan layar yang diukur menggunakan meteran dengan satuan cm. b. Jarak antara celah d adalah jarak antara celah yang satu dengan yang lain yang telah ditentukan dalam satuan mm untuk mengetahui pengaruh jarak antara celah terhadap pola difraksi. c. Lebar celah b adalah lebar celah yang telah ditentukan dalam satuan mm untuk mengetahui pengaruh lebar celah terhadap pola difraksi. d. Jarak rata-rata pola difraksi maksimum berdekatan adalah jarak rata-rata yang diukur pada saat pola difraksi pada layar terbentuk dengan satuan mm. Kegiatan 3. Ketergantungan difraksi pada banyak celah (N) a. Jarak celah ke layar adalah jarak yang memisahkan antara celah dengan layar yang diukur menggunakan meteran dengan satuan cm. b. Lebar celah b adalah lebar celah yang telah ditentukan dalam satuan mm untuk mengetahui pengaruh lebar celah terhadap pola difraksi. c. Banyak celah N adalah banyak celah yang telah ditentukan dalam satuan mm untuk mengetahui pengaruh banyak celah terhadap pola difraksi. d. Jarak rata-rata pola difraksi maksimum berdekatan adalah jarak rata-rata yang diukur pada saat pola difraksi pada layar terbentuk dengan satuan mm. Kegiatan 4. Difraksi pada celah tunggal dan kisi a. Jarak celah ke layar adalah jarak yang memisahkan antara celah dengan layar yang diukur menggunakan meteran dengan satuan cm b. Jenis celah adalah jenis celah yang digunakan adalah celah tunggal dan kisi digunakan untuk mengetahui pengaruh celah tunggal dan kisi terhadap pola difraksi yang terbentuk. Kisi yang digunakan adal kisi 100 goresan/cm.

c. Jarak rata-rata pola difraksi dari terang pusat ke orde ke-n (mm) adalah jarak rata-rata yang diukur dari pusat terang ke orde ke-n pada setiap sisi kiri dan kanan diukur menggunakan meteran dengan satuan mm.

Prosedur Kerja Kegiatan 1 1. Memasukkan diafragma dengan 4 celah (469 85) tepat pada jalur yang dilalui sinar laser, dan mengamati pola difraksi celah ganda dengan jarak antar celah d= 1,00 mm, 0,75 mm, 0,50 mm, dan 0,25 mm satu per satu. 2. Melakukan pengukuran pada setiap jarak d tersebut untuk mengetahui pengaruh jarak antara celah terhadap pola interferensi. 3. Menggambar pembentukan pola difraksi pada layar dengan menandai pola yang terbentuk tepat pada bagian tengah pola yang terbentuk dilayar. 4. Mencatat jarak pisah pusat terang keterang berikutnya (orde 1, 2, dan seterusnya). Kegiatan 2 1. Memasukkan diafragma dengan 3 celah ganda (649 84) tepat pada jalur yang dilalui sinar laser, dan mengamati pola difraksi celah ganda untuk berbagai lebar celah b = 0,20 mm, 0,15 mm, dan 0,10 mm satu per satu. 2. Melakukan pengukuran pada setiap jarak b untuk mengetahui pengaruh lebar celah b terhadap pola interferensi. 3. Menggambar pembentukan pola difraksi pada layar dengan menandai pola yang terbentuk di layar. 4. Mencatat jarak pisah pusat terang keterang berikutnya (orde 1, 2, dan seterusnya). Kegiatan 3 1. Memasukkan diafragma dengan 5 celah ganda (649 86) tepat pada jalur yang dilalui sinar laser, dan mengamati pola difraksi dari 2, 3, 4, 5, dan 40 celah satu per satu. 2. Melakukan pengukuran pada setiap jarak nomor celah yang ada untuk mengetahui pengaruh banyak celah terhadap pola interferensi.

3. Menggambar pola difraksi pada layar dengan menandai pola yang terbentuk. 4. Mencatat jarak pisah pusat terang keterang berikutnya (orde 1, 2, dan seterusnya). Kegiatan 4 1. Menggunakan celah tunggal dan kisi kemudian akan terbentuk pola difraksi pada layar. 2. Menggambar pembentukan pola difraksi pada layar dengan menandai pola yang terbentuk untuk celah tunggal dan kisi. 3. Mengukur jarak pisah pusat terang keterang berikutnya (orde 1, 2 dan seterusnya). 4. Mencatat hasilnya dalam tabel hasil pengamatan.

HASIL PENGAMATAN DAN ANALISIS DATA Hasil Pengamatan Kegiatan 1. Ketergantungan difraksi pada celah ganda pada jarak antar celah. Jarak celah ke layar lebar celah b

= |244,30 ± 0,05| cm = 0,20 mm

Tabel 1. Hubungan antara jarak antar celah dengan jarak rata-rata pola difraksi Jarak antara celah d Jarak rata-rata pola difraksi maksimum No (mm) berdekatan (mm) 1

0,25 mm

2

0,50 mm

3

0,75 mm

4

1,00 mm

|10,5 ± 0,5| mm |6,1 ± 0,5| mm |3,8 ± 0,5| mm |2,8 ± 0,5| mm

Kegiatan 2. Ketergantungan difraksi pada celah ganda pada celah lebar b. Jarak celah ke layar Jarak antar celah d

= |472,40 ± 0,05| cm

= 0,25 mm

Tabel 2. Hubungan antara lebar celah dengan jarak rata-rata pola difraksi Jarak rata-rata pola difraksi maksimum No Lebar celah b (mm) berdekatan (mm) 1

0,20 mm

2

0,15 mm

3

0,10 mm

|11,7 ± 0,5| mm |12,2 ± 0,5| mm |12,0 ± 0,5| mm

Kegiatan 3. Ketergantungan difraksi pada banyak celah (N) Jarak antar celah d

= 0,6 mm

Lebar celah b

= 0,20 mm

Tabel 3. Hubungan antara banyak celah dengan jarak rata-rata pola difraksi Jarak rata-rata pola difraksi maksimum No Banyak celah N (mm) berdekatan (mm) 1

2

2

3

3

4

4

5

5

40

|11,7 ± 0,5| mm |11,8 ± 0,5| mm |12,2 ± 0,5| mm |12,0 ± 0,5| mm |12,0 ± 0,5| mm

Kegiatan 4. Difraksi pada celah tunggal dan kisi Jarak celah ke layar (L) = │4724,0 ± 0,5 │ mm

Tabel 4. Difraksi pada celah tunggal dan kisi Jarak rata-rata pola difraksi maksimum No. Jenis celah berdekatan (mm) 1

orde I

|10,0 ± 0,5|

orde II

|13,5 ± 0,5|

orde III

|19,7 ± 0,5|

4

orde IV

|29,7 ± 0,5|

1

orde I

|236,5 ± 0,5|

orde II

|477,0 ± 0,5|

orde III

|722,0 ± 0,5|

orde IV

|972,0 ± 0,5|

2 3

2 3 4

Celah tunggal

Celah banyak / kisi

ANALISIS DATA Grafik hubungan jarak antar celah, lebar celah, dan jumlah celah pada pembentukan pola difraksi pada celah ganda

Jarak rata-rata pola difraksi maksimum berdekatan (mm)

Kegiatan 1 y = -10.16x + 12.15 R² = 0.9169 12

10,5

10 8

6,1

6 3,8 2,8

4 2 0 0

0,2

0,4 0,6 0,8 Jarak antar celah d (mm)

1

1,2

Grafik 1. Hubungan jarak antar celah dengan panjang pola difraksi pada celah ganda Dari grafik didapatkan persamaan y = -10,16 x + 12,15, arti dari tanda minus ini adalah bahwa kedua variable dalam grafik berbanding terbalik. Jadi dapat disimpulkan bahwa jarak antar celah berbanding terbalik dengan pola difraksi yang terbentuk, khususnya jarak (simpangan) antar pola terang. Artinya, semakin besar jarak antar celah, semakin kecil simpangan yang terjadi pada pola terang difraksi yang terbentuk. Sebaliknya, semakin kecil jarak antar celah, semakin besar simpangan pola terang difraksi yang terbentuk.

Perhitungan nilai panjang gelombang rata-rata sinar laser λ=

dy nL

Karena d tidak diukur dan nilai n = 1, maka untuk rambat ralatnya kita gunakan rumus

y =yL-1 L δλ δλ dλ = | | dy + | | dL δy δL λ=

dλ = |

δyL-1 δyL-1 | dy + | | dL δy δL

∆λ= |L-1 ∆y |+|yL-2 ∆L |

δλ L-1 ∆y yL-2 ∆L = | -1 | + | | λ yL yL-1 ∆y ∆L ∆λ = | | + | | � y L

Untuk jarak antar celah 0,25 mm L = |4724,0 ± 0,5 | mm d = 0,25 mm y = | 10,5 ± 0,5 | mm 0,25 mm x 10,5 mm = 0,000556 mm 1 x 4724 mm 0,5 0,5 ∆λ = | |+ | | 0,000556 mm 10,5 4724 λ=

∆λ = | 0,0476 + 0,0001 | 0,000556 mm ∆λ = 0,0477 x 0,000556 mm ∆λ = 0,000026 mm ∆λ x 100 % λ 0,000026 x 100 % KR= 0,000556 KR=

KR = 0,0477 x 100 % KR = 4,77 % (3 AB) PF = | λ ± ∆λ | mm λ = | 0,556 ± 0,026 | 10-3 mm

Untuk jarak antar celah 0,50 mm L = |4724,0 ± 0,5 | mm d = 0,50 mm y = | 6,1 ± 0,5 | mm 0,50 mm x 6,1 mm =0,000646 mm 1 x 4724 mm 0,5 0,5 ∆λ = | | + | | 0,000646 mm 6,1 4724 λ=

∆λ = | 0,0819 + 0,0001 | 0,000646 mm ∆λ = 0,0820 x 0,000646 mm ∆λ = 0,000053 mm ∆λ x 100 % λ 0,000053 KR= x 100 % 0,000646 KR=

KR = 0,0820 x 100 % KR = 8,20 % (2 AB) PF = | λ ± ∆λ | mm λ = | 0,65 ± 0,05 | 10-3 mm Untuk jarak antar celah 0,75 mm L = |4724,0 ± 0,5 | mm d = 0,75 mm y = | 3,8 ± 0,5 | mm 0,75 mm x 3,8 mm =0,000603 mm 1 x 4724 mm 0,5 0,5 ∆λ = | | + | | 0,000603 mm 3,8 4724 λ=

∆λ = | 0,1316 + 0,0001 | 0,000603 mm ∆λ = 0,1317 x 0,000603 mm ∆λ = 0,000079 mm KR=

∆λ x 100 % λ

KR=

0,000079 x 100 % 0,000603

KR = 0,1317 x 100 % KR = 13,17% (2 AB) PF = | λ ± ∆λ | mm λ = | 0,60 ± 0,07 | 10-3 mm Untuk jarak antar celah 1,00 mm L = |4724,0 ± 0,5 | mm d = 1,00 mm y = | 3,8 ± 0,5 | mm 1,00 mm x 2,8 mm =0,000593 mm 1 x 4724 mm 0,5 0,5 ∆λ = | | + | | 0,000593 mm 2,8 4724 λ=

∆λ = | 0,1786 + 0,0001 | 0,000593 mm ∆λ = 0,1787 x 0,000593 mm ∆λ = 0,000105 mm ∆λ x 100 % λ 0,000105 KR= x 100 % 0,000593 KR=

KR = 0,1787 x 100 % KR = 17,87 % (3 AB) PF = | λ ± ∆λ | mm λ = | 0,59 ± 0,10 | 10-3 mm Panjang gelombang rata-rata λ̅=

0,000556 + 0,000646 + 0,000603 + 0,000593 mm = 0,000599 mm 4

Ketidakpastian mutlak panjang gelombang δ1 = | 0,000556 – 0,000599 | = 0,000043 mm

δ2 = | 0,000646 – 0,000599 | = 0,000047 mm → δmaks δ3 = | 0,000603 – 0,000599 | = 0,000004 mm δ4 = | 0,000593 – 0,000599 | = 0,000006 mm ∆λ = δmaks = 0,000047 mm Kesalahan Relatif ∆λ x 100 % λ 0,000047 x 100 % KR= 0,000599 KR=

KR = 0,0784 x 100 % KR = 7,84 % (2 AB)

Pelaporan Fisika λ=| λ̅ ± ∆λ |

λ = | 0,59 ± 0,04 | 10-3mm

Jarak rata-rata pola difraksi maksimum berdekatan y (mm)

Kegiatan 2 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 0

0,05

0,1 0,15 Lebar celah b (mm)

0,2 0,25 y = 3x + 11,517 R² = 0,3553

Grafik 2. Hubungan lebar celah dengan panjang pola difraksi pada celah ganda Berdasarkan grafik tersebut, dapat disimpulkan bahwa lebar celah tidak berpengaruh terhadap pola difraksi yang terbentuk. Lebar celah tidak

mempengaruhi panjang-pendeknya simpangan yang terjadi pada pola terang. Walaupun ada sedikit perbedaan nilai, hal ini kemungkinan karena kesalahan pengukuran atau kesalahan penandaan pada saat menggambar pola terang yang terbentuk.

Untuk menghitung panjang gelombang pada percobaan 2 digunakan persamaan: d sin � = n λ

d sin θ y dy , karena sin θ = , maka persamaannya menjadi : λ = n L nL karena orde ( n ) y...