PROPOSAL EKSPERIMEN PRAKTIKUM FISIKA LANJUTAN 2B ADVANCED OPTICAL SYSTEM (SISTEM OPTIK LANJUTAN) Oleh : Bagus Hermawan Putranto 1106066252 LABORATORIUM FISIKA LANJUTAN DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM PDF

Preview

Summary

PROPOSAL EKSPERIMEN PRAKTIKUM FISIKA LANJUTAN 2B ADVANCED OPTICAL SYSTEM (SISTEM OPTIK LANJUTAN) Oleh : Bagus Hermawan Putranto 1106066252 LABORATORIUM FISIKA LANJUTAN DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS INDONESIA A. LATAR BELAKANG. Tak bisa kita pungkiri bahw...

Description

PROPOSAL EKSPERIMEN PRAKTIKUM FISIKA LANJUTAN 2B

ADVANCED OPTICAL SYSTEM (SISTEM OPTIK LANJUTAN)

Oleh : Bagus Hermawan Putranto 1106066252

LABORATORIUM FISIKA LANJUTAN DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS INDONESIA

A. LATAR BELAKANG. Tak bisa kita pungkiri bahwa optik sudah banyak membantu manusia dalam memajukan bidang sains dan teknologi. Contohnya saja mikroskop yang sangat membatu para ahli Biologi dalam mempelajari makhluk hidup yang berukuran sangat kecil. Kemudian kita mengenal teropong yang sangat membantu para ahli astronomik dalam melihat bintang-bintang dilangit. Sehari-hari kita tak lepas dari optik. Optik sudah menjadi bagian tersendiri dari hidup kita. Semisal kaca mata. Bahkan mata kita sendiri merupakan sistem optik alami. Oleh karena itulah, dalam kesempatan ini saya akan melakukkan studi eksperimen tentang sistem optik lanjutan. Yang didalamnya ada kurang lebih sekitar 10 percobaan. Harapan saya selaku praktikan yang akan melakukan eksperimen ini adalah terbentuknya pemikiran-pemikiran tingkat lanjut atau sebuah terobosan dari suatu sistem optik guna membantu kehidupan manusia.

B. TUJUAN EKSPERIMEN 1.

Mengetahui dan mengidentifikasi kombinasi/perpaduan warna-warna RGB (Red Green Blue) dengan menggunakan sistem optik.

2.

Melihat, mengetahui, dan mengidentifikasi jalur cahaya putih yang masuk/jatuh ke prisma dan yang keluar dari prisma.

3.

Mempelajari pemantulan cahaya yang direfleksikan dari 3 jenis cermin yang berbeda (cermin datar, cermin cekung, dan cermin cembung).

4.

Menghitung panjang fokus dan jari-jari kelengkungan cermin cekung dan cermin cembung.

5.

Mencari dan menghitung ideks bias dan sudut kritis pada acrylic trapezoid dengan menggunakan Hukum Snellius.

6.

Mempelajari perbedaan lensa cembung dan lensa cekung serta menghitung panjang fokusnya.

7.

Menentukkan panjang fokus dari lensa cekung (concave) dengan metode perhitungan menggunakan persamaan Lensmaker.

8.

Mengukur kedalaman acrylic trapezoid dengan metode Parallax dan metode Ray-tracing.

9.

Mempelajari sudut datang dan sudut bias dari lensa D-shapped.

10. Menunjukkan umbra dan penumbra dari sebuah bayangan.

C. TEORI DASAR Refleksi dan refraksi Garis normal adalah garis tegak lurus pada bidang perbatasan yag dibentuk melalui tempat jatuhnya sinar. Sudut datang adalah sudut yang dibentuk oleh sinar datang dengan normal. Sudut pantul adalah sudut yang dibentuk oleh sinar pantul dengan garis normal. Sudut bias adalah sudut yang dibentuk oleh sinar bias dengan garis normal. Bidang jatuh adalah bidag tempat garis normal, sinar – sinar datang, pantul, dan bias berada.

Hukum refleksi dan refraksi : i.

Sinar pantul, sinar bias, sinar datang terletak pada satu bidang datar, yaitu bidang jatuh.

ii.

Sudut pantul = sudut datang.

iii.

Perbandingan anatara sinus sudut datang dan sinus sudut bias adalah konstan untuk setiap dua media dan untuk cahaya dengan panjang gelombang tertentu (bentuk umum Hukum Snellius).

Hukum Snellius dapat ditulis : sin = ′ sin

Gambar pembiasan cahaya

Dimana n adalah indeks bias medium 1 dan n’ adalah indeks bias medium 2.

Prisma Prisma adalah sebuah medium yang dibatasi oleh dua permukaan datar yang membentuk sudut. Medium tersebut mempunyai indeks bias n dan indeks bias disekitarnya sebesar 1 (udara). Saat sinar jatuh ke prisma, kemudian keluar kembali, akan selalu berlaku hukum Snellius, yaitu : 1

sin �1 =

2

sin �2

dimana n1 adalah indeks bias medium pertama, n2 adalah indeks bias medium kedua, ϴ1 adalah sudut datang, dan ϴ2 adalah sudut bias. Penentuan besar sudut datang dan sudut bias terhitung dari garis normal bidang. Garis normal bidang adalah garis yang tegak lurus dengan permukaan bidang dititik dimana cahaya jatuh.

Dispersi Terjadi apabila cahaya jatuh pada permukaan pertama prisma. Hal ini disebabkan karena perbedaan kecepatan rambat masing-masing sinar monokromatis yang berjalan di prisma. Cepat rambat cahaya di vakum adalah maksimum, indeks bias dari media lain berkisar antara 1 dan 2. Indeks bias suatu medium bergantung pada panjang gelombang (warna) cahaya. Garis-garis Fraunhofer adalah garis-garis gelap dari spektrum matahari.

Lensa cekung dan cembung Lensa adalah medium transparan yang dibatasi oleh dua permukaan bias paling sedikit satu diantaranya lengkung sehingga terjadi dua kali pembiasan sebelum keluar dari lensa. Garis hubung antara pusat lengkung kedua permukaan disebut sumbu utama. Bayangan yang dibuat oleh permukaan pertama merupakan benda untuk permukaan kedua. Permukaan kedua akan membuat bayangan akhir.

Persamaan Lensmaker’s Persamaan ini digunakan untuk menghitung besar panjang fokus lensa (baik di udara ataupun di ruang vakum), berdasarkan jari-jari kelengkungan permukaan lensa dan indeks bias lensa tersebut. 1

=

−1

1 1 − �1 �2

f adalah panjang fokus lensa, R1 adalah besar jari-jari kelengkungan kurvatur pertama, dan R2 adalah besar jari-jari kelengkungan kuravtur kedua. Untuk notasi tanda, R akan bernilai positif untuk permukaan konveks dan R akan bernilai negatif untuk permukaan konkaf.

gambar lensa cekung untuk persamaan Lensmaker’s

D. ALAT DAN BAHAN 1.

1 set peralatan PASCO Basic Optics System

Gambar 1. Set peralatan PASCO Basic Optics System

2.

1 pena warna hitam

3.

1 pena warna biru

4.

1 pena warna merah

5.

1 pena warna hijau

6.

kertas putih bersih secukupnya

7.

1 busur derajat

8.

1 jangka

9.

1 pensil 2B (diraut tajam)

E. PROSEDUR PERCOBAAN 1. Percobaan 1 : Warna 1.1. Meletakkan sumber cahaya, lensa konveks, dan kertas segaris. 1.2. Mengeset sumber cahaya dibagian yang memancarkan sinar RGB. 1.3. Meletakan lensa konveks dekat dengan sumber cahaya. 1.4. Menghidupkan sumber cahaya. 1.5. Melihat perubahannya. 1.6. Menutup warna hijau. Melihat perubahan. 1.7. Mencatat perubahan-perubahan tersebut

1.8. Mengulangi langkah 1.1-1.8 jika ditutup warna merah dan biru.

Gambar 2. Percobaan warna

1.9. Mencatat perubahannya.

2. Percobaan 2 : Prisma 2.1. Menyusun peralatan seperti pada gambar dibawah.

Gambar 3. Percobaan Prisma

2.2. Memutar trapezoid sampai sudut ϴ pada gambar diatas semaksimal mungkin dan cahaya terpecah menjadi beberapa warna.

2.3. Mencatat kejadian yang terjadi. Seperti warna apa saja yang terlihat, warna yang muncul pada sudut ϴ yang terbesar, dan membandingkan hasilnya dengan bantuan Hukum Snellius. 2.4. Dari tempat yang sama, mengganti sumber cahaya yang awalnya single white ray dengan RGB. 2.5. Melakukan langkah 2.1-2.3.

3. Percobaan 3 : Refleksi 3.1. Refleksi Cermin Datar 3.1.1. Meletakkan cermin persis didepan sumber cahaya (menggunakan cahaya single white ray). 3.1.2. Memberikkan titik (memplotting) pada pangkal sumber cahaya dan titik pemantulan. 3.1.3. Mencari hasil pemantulan dengan bantuan kertas putih. 3.1.4. Memplotting letak pemantulan. 3.1.5. Menggambarkan jalur jalan cahaya beserta garis normalnya berdasarkan plotting yang dibuat. 3.1.6. Mengukur sudut datang dan sudut pantul sinar. Mengkur sudut tersebut dari garis normal. 3.1.7. Mencatat hasilnya. 3.1.8. Mengulangi

langkah

3.1.1-3.1.7

sebanyak

3

kali

untuk

memvariasikan data. 3.1.9. Mengulangi langkah 3.1.1-3.1.8, hanya saja sumber cahaya yang digunakan cahaya RGB.

Gambar 4.1. Percobaan Refleksi Cermin Datar

3.2. Cermin Silindris 3.2.1. Mengatur posisi sumber cahaya dan cermin cekung seperti pada sub-percobaan 3.1. 3.2.2. Memasang dan mengset sumber cahaya pada pilihan 5 cahaya paralel. 3.2.3. Melacak jejak sinar pantul dan mencari titik pertemuan 5 cahaya yang ditembakkan tersebut. 3.2.4. Menamai titik tersebut sebagai titik fokus. Mengukur jarak dari titik fokus ke cermin dengan cara memplotingnya. 3.2.5. Menggunakan

bantuan

busur

derajat

dan

kompas

untuk

menggambar (memplot) cermin cekung tersebut. 3.2.6. Mengukur jari-jari kelengkungan cermin dari gambar tersebut. 3.2.7. Mencatat hasil yang didapat dari langkah 3.2.4 dan 3.2.6. 3.2.8. Mengganti cermin cekung dengan cermin cembung.

3.2.9. Mengulangi langkah 3.2.1-3.2.7.

Gambar 4.2. Percobaan Refleksi Cermin Cekung & Cembung

4. Hukum Snellius 4.1. Menempatkan sumber cahaya diatas kertas putih bersih 4.2. Menempatkan trapezoid di atas kertas yang sama dan memposisikannya supaya cahaya dapat menembus secara paralel.

Gambar 5. Percobaan Hukum Snellius

4.3. Menandai dan memplotting sinar datang datang dan sinar yang dibiaskan dari dan ke trapezoid tersebut. 4.4. Menyingkirkan tarpezoid dan menggambarkan dengan rapih jalannya sinar, dan melengkapinya dengan garis normalnya pula. 4.5. Mengukur sudut datang ( ϴi ) dan sudut bias dengan bantuan busur derajat. Memastikan sudut tersebut terhitung dari garis normal. 4.6. Mengulangi langkah 4.2-4.5 selama 3 kali untuk variasi data.

4.7. Menghitung indeks bias trapezoid dengan bantuan Hukun Snellius untuk masing-masing variasi data.

5. Refleksi Internal Total 5.1. Menempatkan sumber cahaya dan trapezoid pada kertas putih bersih. 5.2. Memposisikan trapezoid seperti pada gambar 6.1.

Gambar 6.1. Percobaan Refleksi Internal Total

5.3. Memutar trapezoid sampai sinar yang direfraksikan muncul banyak warna dan warna tersebut hilang. Posisi yang benar adalah jika warna merah tepat baru saja menghilang. 5.4. Mencari sinar pantulnya. 5.5. Memploting semua posisi tersebut di dalam kertas putih. 5.6. Menggambarkan semua jalannya sinar (sinar datang, sinar pantul, dan sinar bias) lengkap dengan garis normalnya.

Gambar 6.2. Percobaan Refleksi Internal Total

5.7. Mengukur sudut ϴc. 5.8. Mencatat hasilnya. 5.9. Mengulangi percobaan ini 3 kali untuk variasi data.

6. Lensa Cekung dan Cembung 6.1. Meletakkan sumber cahaya dan lensa cekung (konveks) diatas kertas putih dan menaruhnya segaris. 6.2. Mengeset cahaya keluaran dari sumber cahaya 3 cahaya paralel. 6.3. Menghidupkan sumber cahaya dan melihat jejak cahaya. 6.4. Memploting arah cahaya di kertas putih. 6.5. Mencari titik fokus lensa dengan cara mencari titik pertemuan dari 3 cahaya paralel tersebut. 6.6. Mengukur panjang titik fokus dari lensa. 6.7. Mencatat hasilnya. 6.8. Mengganti lensa cekung dengan lensa cembung (konkaf). 6.9. Mengulangi prosedur nomor 6.1-6.7. 7. Persamaan Lensmaker’s 7.1. Mengeset lensa cekung (konkaf) dan sumber cahaya segaris lurus diatas kertas putih. 7.2. Mengeset cahaya keluaran dari sumber cahaya berupa 3 cahaya paralel.

7.3. Menyalakan sumber cahaya. 7.4. Menelusuri permukaan lensa dan memplotting permukaan lensa yang terkena cahaya. 7.5. Menutup cahaya tengah dari 3 cahaya paralel dan menelusuri titik temu dari 2 cahaya sisanya serta memplotingnya. 7.6. Mengukur jarak dari permukaan lensa ke titik temu tersebut. 7.7. Jari-jari kelengkungan adalah 2 kali lipat jarak tersebut. 7.8. Mencatat jari-jari kelengkungan. 7.9. Menghitung panjang titik fokus dengan persamaan Lensmaker. 7.10. Mengulangi langkah 7.1-7.9 sebanyak 3 kali untuk variasi data.

8. Pengukuran Kedalaman 8.1. Metode Parallax 8.1.1. Menempatkan kertas putih diatas meja yang datar. 8.1.2. Menggunakan penggaris dan pensil untuk membuat sebuah garis lurus vertikal. 8.1.3. Menempatkan trapezoid diatas garis seperti pada gambar.

Gambar 7.1a. Pengukuran Kedalaman Metode Parallax tahap persiapan.

8.1.4. Dengan menggunakan kedua mata, melihat garis dari bagian atas trapezoid. 8.1.5. Menahan pensil dekat dengan trapezoid untuk menetukkan posisi garis yang terlihat. 8.1.6. Ketika pensil dan garis yang terlihat berada pada jarak yang sama dari mata, tidak ada lagi paralaks diantaranya. 8.1.7. Menandai titik tersebut dengan pensil yang tadi digunakan.

8.1.8. Mengukur jarak d yang merupakan jarak antara titik tersebut dengan permukaan atas trapezoid. 8.1.9. Mengukur jarak t yang merupakan tinggi trapezoid tersebut. 8.1.10. Menghitung nilai n (indeks bias) dengan persamaan : = 8.1.11. Mencatat hasilnya. 8.1.12. Mengulangi langkah 8.1.1-8.1.11 sebanyak 3 kali untuk variasi data.

Gambar 7.1b. Pengukuran Kedalaman Metode Parallax tahap pengukuran.

8.2. Metode Ray-tracing 8.2.1. Menempatkan sumber cahaya dan lensa konveks diatas kertas putih yang bersih 8.2.2. Mengeset cahaya keluaran pada sumber cahaya berupa 5 cahaya paralel 8.2.3. Menyalakan sumber cahaya tersebut tepat lurus ke lensa. 8.2.4. Menempatkan cermin diantara sumber cahaya dengan lensa sedemikian rupa sehingga menghalangi 3 cahaya yang berada ditengah, dan menyisakan 2 cahaya terluar. 8.2.5. Memploting titik pertemuan kedua cahaya tersebut. 8.2.6. Menaruh dan memposisikan trapezoid seperti pada gambar.

Gambar 7.2. Pengukuran Kedalaman Metode Ray-tracing

8.2.7. Menelusuri jejak cahaya dari bagian atas trapezoid. 8.2.8. Mengukur panjang d. 8.2.9. Mengukur panjang t yang merupakan ketinggian trapezoid. 8.2.10. Mencatat hasilnya. 8.2.11. Menghitung indeks bias menggunakan persamaan : =

9. Lensa D-shaped 9.1. Trial 1 9.1.1. Menempatkan sumber cahaya diatas meja datar dan mengeset cahaya keluaran berupa cahaya tunggal. 9.1.2. Menempatkan ray table tepat didepan sumber cahaya sedemikian sehingga cahaya yang datang dari sumber cahaya tepat melewati pusat ray table. 9.1.3. Menempatkan lensa D-shaped didalam ray table tepat dipusatnya. 9.1.4. Mengatur ray table sehingga cahaya masuk ke bagian yang datar seperti pada gambar.

Gambar 8. Percobaan Lensa D-shaped

9.1.5. Memutar ray table untuk mengeset sudut datang sinar dari 0o – 80o (interval 10o). 9.1.6. Mencatat sudut bias dari masing-masing sudut tersebut. 9.2. Trial 2 9.2.1. Mengulangi langkah 9.1.1-9.1.3 9.2.2. Mengatur ray table sehingga cahaya masuk ke bagian yang cembung. 9.2.3. Memutar ray table untuk mengeset sudut datang sinar. Sudut datang sinar yang digunakan dalam Trial 2 merupakan sudut bias bias yang tercatat dalam Trial 1. 9.2.4. Mencatat sudut bias dari masing-masing sudut tersebut.

10. Bayangan 10.1.

Meletakkan optics benches diatas meja datar.

10.2.

Meletakkan sumber cahaya di ujung-ujungnya.

10.3.

Meletakkan layar di tengah benches.

10.4.

Menyalakkan salah 1 sumber cahaya.

10.5.

Menaruh pensil diantara sumber cahaya yang menyala dan layar.

10.6.

Menggeser secara rotasional sumber dan melihat perubahannya.

10.7.

Menaruhnya kembali ditengah.

10.8.

Menyalakan sumber cahaya yang kedua.

10.9.

Membuat sketsa bayangan pensil tersebut.

10.10.

Memberi tanda umbra dan penumbra pada sketsa tersebut.

10.11.

Menarik pensil dari tempat tersebut dan mengarahkan cahaya langsung ke layar.

10.12.

Melihat perbedaannya.

10.13.

Memblok cahaya dari masing-masing sumber bergantian untuk menentukkan bagian mana (umbra/penumbra) yang disorot oleh masing-masing sumber tersebut.

F. HASIL DATA & PENGOLAHAN DATA EKSPERIMEN 1. Warna

tabel hasil percobaan Warna

2. Prisma a. untuk cahaya polikromatik Posisi ke-

ϴ datang yang terukur (ϴ1)

ϴ bias yang terukur (ϴ2)

1

47

30

2

15

13

3

5

3

Kemudian dari masing-masing posisi, kita cari indeks bias prisma dengan bantuan Hukum Snellius. Berdasarkan Literatur, n1 untuk udara bernilai 1. 1

sin �1 =

2

sin �2

2

=

sin �1 . sin �2

1

Untuk posisi 1 2

=

sin 47 . 1 = 1,463 sin 30

2

=

sin 15 . 1 = 1,151 sin 13

Untuk posisi 2,

Untuk posisi 3, 2

=

sin 5 . 1 = 1,665 sin 3

Sehingga nilai indeks bias rata-rata untuk prisma : =

1,463 + 1,151 + 1,665 = 1,426 3

Dengan nilai simpangannya : ∆

=

1

� −� 2

=

1,463 −1,426 2 + 1,151 −1,426 2 + 1,665 −1,426 2 3

= 0,122

Dari perhitungan ini didapat nilai indeks bias prisma dari hasil eksperimen : n = 1,426 ± 0,122

Kesalahan relatif yang didapat : %

�

=

∆

× 100% =

0,122 × 100% = 8,6% ≅ 9% 1,426

Kesalahan Literatur yang didapat : % = 4,9% ≅ 5%

=

−

× 100% =

1,500 − 1,426 × 100% 1,500

a. untuk cahaya monokromatik Posisi ke-

ϴ datang yang terukur (ϴ1)

ϴ bias yang terukur (ϴ2)

1

45

28

2

17

14

3

4

2

Kemudian dari masing-masing posisi, kita cari indeks bias prisma dengan bantuan Hukum Snellius. Berdasarkan Literatur, n1 untuk udara bernilai 1. 1

sin �1 = 2

=

2

sin �2

sin �1 . sin �2

1

Untuk posisi 1 2

=

sin 45 . 1 = 1,506 sin 28

2

=

sin 17 . 1 = 1,209 sin 14

Untuk posisi 2,

Untuk posisi 3, 2

=

sin 4 . 1 = 1,998 sin 2

Sehingga nilai indeks bias rata-rata untuk prisma : =

1,506 + 1,209 + 1,998 = 1,571 3

Dengan nilai simpangannya : ∆

=

1

� −� 2

=

1,506 −1,571 2 + 1,209−1,571 2 + 1,998−1,571 2 3

= 0,188

Dari perhitungan ini didapat nilai indeks bias prisma dari hasil eksperimen :

n = 1,571 ± 0,188

Kesalahan relatif yang didapat : %

�

=

∆

0,188 × 100% = 11,97% ≅ 12% 1,571

× 100% =

Kesalahan Literatur yang didapat : %

=

= 4,73% ≅ 5%

−

× 100% =

1,500 − 1,571 × 100% 1,500

3. Refleksi a. Refleksi Cermin Datar Sinar Datang

Sudut Datang

Sudut Pantul

23

23

35

35

27

27

38

38

Sinar Polikromatik

Sinar RGB

b. Refleksi Cermin Silindris

Panjang Fokus (cm) Jari-jari Kelengkungan (cm)

Cermin Cekung

Cermin Cembung

5,7

6,7

11,4

13,4

4. Hukum Snellius Sudut Datang

Sudut Bias

Indeks bias acrylic yang terhitung

24

16

1,476

15

13

1,151

12

10

1,197

Rata-rata

1,275

Kemudian dari masing-masing variasi data, kita cari indeks bias acrylic dengan Hukum Snellius. Berdasarkan Literatur, n1 untuk udara bernilai 1. 1