Fisika Sekolah Dasar dan Menengah Pertama · Grades 1–9
42Perambatan Cahaya Menurut Garis Lurus
“Cahaya merambat menurut garis lurus” sudah melayanimu selama dua tahun — menerangi bayang-bayang, membidikkan cermin, menyejajarkan tiga kartu dan sebatang lilin. Tahun ini hukum lama itu mendapat nama resminya, aturan menggambarnya, dan akibatnya yang paling ajaib: sebuah kamera tanpa lensa, tanpa kaca, tanpa bagian yang bergerak — hanya sebuah lubang.
42.1 Hukumnya, dinyatakan dengan benar
Proposisi 42.1 (Perambatan cahaya menurut garis lurus)
Di udara yang bening — dan di dalam bahan bening yang tercampur rata seperti air yang tenang atau kaca — cahaya merambat menurut garis lurus. Inilah hukum perambatan lurus: lurus sekadar berarti “menurut garis lurus”, dan perambatan menyebut perjalanan cahaya dari tempat ke tempat.
Definisi 42.2 (Sinar dan berkas)
Sebuah sinar cahaya adalah gambar milik fisikawan untuk satu helai cahaya: garis lurus dengan anak panah untuk arah perjalanannya. Lampu yang sungguhan mencurahkan helai yang tak terhitung banyaknya sekaligus: seikat sinar disebut berkas. Tiga bentuk berkas sudah meliput praktiknya: menyebar (sinar yang memencar dari sebuah titik — lampu kecil mana pun), sejajar (sinar yang berdampingan, tidak bertemu maupun berpisah — cahaya matahari, karena sudah menempuh jarak yang begitu jauh), dan mengumpul (sinar yang merapat menuju sebuah titik — cahaya yang dikumpulkan alat yang akan kamu temui dua tahun lagi).
Contoh 42.3 (Hukumnya bekerja, di mana-mana)
Tukang bangunan membidik menyusuri tepi sebuah papan lurus untuk menilainya — mata, tepi, dan ujung jauhnya harus sebaris, dan kelurusan cahayalah sumpah sang hakim. Juru ukur menancapkan tiang sebaris dengan mata; pemanah dan juru foto “menyejajarkan bidikan”; dan percobaan tiga kartu dua tahun lalu kini punya nama resmi: sebuah uji perambatan lurus. Setiap satunya menukar garis lurus cahaya dengan garis lurus benda.
42.2 Bayang-bayang, dikonstruksi
Metode 42.4 (Mengonstruksi bayang-bayang dengan penggaris)
Untuk lampu kecil , sebuah bola, dan layar di belakangnya:
- gambarlah sinar dari yang tepat menyerempet tepi atas bolanya, lalu panjangkan lurus sampai ke layarnya;
- begitu pula sinar yang menyerempet tepi bawahnya (dan, dalam tiga dimensi, di seluruh kelilingnya);
- di antara kedua titik serempetan pada layarnya terletak bayang-bayang: daerah yang tidak dapat dicapai sinar lurus mana pun dari ;
- ruang di antara bola dan layar yang dibatasi sinar serempetan itu adalah kerucut bayang-bayang: mata yang berada di dalamnya tidak dapat melihat lampunya.
Tidak ada tebak-tebakan di mana pun: dua garis penggaris menetapkan ukuran dan letak bayang-bayangnya dengan persis.
Contoh 42.5 (Lebih besar, lebih kecil, lebih tajam)
Konstruksinya meramalkan apa yang dahulu ditemukan permainan mainan-dan-senter pada tahun pertamamu: geserlah bolanya ke arah lampu dan sinar serempetannya mengipas lebih lebar — bayang-bayang raksasa; geserlah ke arah layar dan keduanya mendarat lebih rapat — bayang-bayang seukuran aslinya. Dan ramalannya persis: dengan bolanya di tengah antara lampu dan layar, sinar serempetannya merentang dua kali lebar bolanya — bayang-bayang yang tepat dua kali ukuran bolanya. Kesebandingan, digambar dengan cahaya.
42.3 Kamera tanpa lensa
Metode 42.6 (Membuat kamera lubang jarum)
- ambillah sebuah kotak (kotak sepatu sudah cukup); di tengah salah satu ujungnya, buatlah lubang bersih sebesar jarum;
- gantilah ujung yang berseberangan dengan kertas jiplak — inilah layarnya;
- selubungi kepalamu dan ujung berlayar itu dengan kain, lalu arahkan lubangnya ke pemandangan yang terang — jendela, jalan yang terkena matahari;
- pandanglah kertas jiplaknya: pemandangannya muncul, berwarna, bergerak selagi pemandangannya bergerak — terbalik.
Proposisi 42.7 (Mengapa bayangannya terbalik)
Perambatan lurus membangun gambarnya dan membalikkannya dalam satu tarikan yang sama. Dari puncak pemandangannya, sinar berjalan lurus menembus lubangnya — dan garis lurus dari titik yang tinggi lewat lubang yang rendah pasti melanjutkan perjalanannya ke bawah: puncaknya mendarat di dasar layarnya. Dari dasar pemandangannya, ia naik lewat lubangnya sampai ke puncak layarnya. Setiap titik pemandangannya mengirim helainya lewat satu gerbang kecil itu, helai-helainya bersilangan di gerbangnya, dan gambarnya tersusun terbalik — atas menjadi bawah, kiri menjadi kanan.
Catatan 42.8 (Kotak yang tua dan terhormat)
Ruang berlubang jarum — camera obscura, “kamar gelap” — berabad-abad lebih tua daripada fotografi: para astronom mengamati gerhana dengan aman di layarnya, dan para pelukis menjiplak bayangannya untuk mendapatkan perspektif yang benar. Setiap kamera zaman sekarang, dan matamu sendiri, mempertahankan tata bangunannya: gerbang kecil bagi cahayanya, layar bagi bayangannya — dan ya, bayangan di bagian belakang matamu pun berdiri terbalik; otakmu dengan sopan membaliknya. Satu hukum garis lurus, yang diikuti dengan sabar, menjelaskan kamera keluarga dan separuh sejarah pembuatan gambar.
42.4 Latihan
Latihan 42.1 ★
Katakan hukum perambatan lurus dengan kata-katamu sendiri, lalu uraikan kedua kata panjangnya.
Latihan 42.2 ★
Sebutkan ketiga bentuk berkas, masing-masing dengan satu sumber atau keadaan yang nyata. Dalam bentuk mana cahaya matahari tiba, dan mengapa?
Solusi
Solusi Latihan 42.2.
Menyebar: sinar yang memencar dari sebuah titik (sebatang lilin, sebuah bohlam telanjang). Sejajar: sinar yang berdampingan (cahaya matahari — Matahari begitu jauh sehingga sinarnya sampai kepada kita sambil berbaris bersama). Mengumpul: sinar yang merapat menuju sebuah titik (cahaya yang dikumpulkan alat pembesar).
Latihan 42.3 ★
Seorang tukang bangunan membidik menyusuri tepi sebuah rak untuk memeriksa kelurusannya. Apa yang berperan sebagai penggaris pada uji ini? Hukum mana yang dipercayainya?
Solusi
Solusi Latihan 42.3.
Sinar cahayalah yang berperan sebagai penggaris: mata, tepi, dan ujung jauhnya dinilai sebaris tepat ketika cahaya dari ujung jauhnya mencapai mata sambil menyerempet seluruh tepinya — perambatan lurus itulah sumpahnya.
Latihan 42.4 ★
Pada konstruksi bayang-bayang, apa yang menetapkan tepi bayang-bayangnya pada layar? Apa yang berlaku bagi mata yang ditempatkan di dalam kerucut bayang-bayangnya?
Solusi
Solusi Latihan 42.4.
Titik pendaratan sinar yang tepat menyerempet tepi penghalangnya. Mata yang berada di dalam kerucut bayang-bayangnya tidak dapat melihat lampunya — tidak ada sinar lurus dari lampunya yang mencapainya.
Latihan 42.5 ★
Dengan Contoh 42.5: bolanya berada di tengah antara lampu dan layar. Bolanya selebar — selebar apa bayang-bayangnya? Dan kalau bolanya bergerak dekat ke layar?
Solusi
Solusi Latihan 42.5.
Di tengah: bayang-bayangnya dua kali bolanya — . Dekat ke layar: bayang-bayangnya menyusut menuju yang sebenarnya milik bolanya.
Latihan 42.6 ★
Pada kamera lubang jarum, di mana cahaya dari puncak pemandangannya mendarat pada layar? Telusuri alasannya dalam satu kalimat.
Solusi
Solusi Latihan 42.6.
Di dasar layarnya: garis lurus dari titik yang tinggi lewat gerbang yang rendah pasti terus berjalan ke bawah.
Latihan 42.7 ★
Seorang teman melambaikan tangan kanannya di depan kamera lubang jarummu. Pada layarnya, sisi mana yang melambai, dan menghadap ke arah mana? (Hati-hati — ada dua pembalikan.)
Solusi
Solusi Latihan 42.7.
Terbalik, dan kiri-kanannya tertukar: pada layarnya tangan itu melambai di bawah alih-alih di atas, dan di sisi yang berseberangan. Kedua pembalikan itu datang dari helai yang bersilangan di gerbangnya.
Latihan 42.8 ★
Sebutkan dua pemakai camera obscura, baik pada masa lalu maupun masa kini, dan pekerjaan yang dilakukannya bagi masing-masing.
Solusi
Solusi Latihan 42.8.
Para astronom: mengamati gerhana dengan aman di layarnya alih-alih di langit. Para pelukis: menjiplak pemandangan yang terproyeksi untuk menguasai perspektif. (Kerabat zaman sekarang: setiap kamera, dan mata itu sendiri.)
Latihan 42.9 ★★
Konstruksikan (sketsalah dengan penggaris): lampu di kiri, sebuah penghalang berbentuk koin, layar di kanan — lalu pindahkan lampunya menjadi dua kali lebih jauh dari koinnya, dengan layar tetap. Apa yang terjadi pada ukuran bayang-bayangnya, menurut gambarmu sendiri? Cocokkan dengan kipas sinar serempetannya.
Solusi
Solusi Latihan 42.9.
Bayang-bayangnya menyusut menuju ukuran koinnya yang sebenarnya: dengan lampunya lebih jauh, sinar serempetannya meninggalkan lampu dengan kecondongan yang lebih landai — kipas yang lebih sempit — lalu mendarat lebih berdekatan. Konstruksinya menunjukkannya: garis yang lebih landai, rentang yang lebih rapat.
Latihan 42.10 ★★
Pada hari yang cerah, bayang-bayang pohon tampak tajam; di bawah langit yang mendung, bayang-bayang hampir lenyap. Jelaskan kedua langit itu dengan sinar dan sumber — “lampu” macam apa selapis awan kelabu yang utuh itu?
Solusi
Solusi Latihan 42.10.
Matahari itu ringkas dan jauh: satu kipas rapat berisi sinar yang hampir sejajar, satu batas yang tajam — bayang-bayang yang tajam. Selapis awan kelabu adalah lampu seukuran seluruh langit: cahayanya tiba dari segala arah sekaligus, setiap titik tanah dicapai sebagian darinya, dan bayang-bayangnya luntur sampai hampir tidak ada.
Latihan 42.11 ★★
Bayangan kamera lubang jarum menjadi lebih terang ketika lubangnya dilebarkan — tetapi menjadi kabur. Jelaskan kedua akibatnya dengan helai yang melewati gerbangnya: apa yang dibiarkan gerbang yang lebar dilukiskan oleh tiap titik pemandangan pada layarnya?
Solusi
Solusi Latihan 42.11.
Lebih terang: gerbang yang lebar memasukkan lebih banyak helai dari tiap titik pemandangannya. Kabur: lewat gerbang yang lebar, helai tiap titik pemandangan mencapai satu bercak layar alih-alih satu bintik — bercak yang bertindihan tak terhitung banyaknya mengaburkan gambarnya. Ketajaman lubang jarum adalah kekecilannya.
Latihan 42.12 ★★★
Di bawah pohon yang rimbun ketika terjadi gerhana matahari sebagian, tanahnya dipenuhi ratusan sabit kecil. Susunlah penjelasannya dari bab ini: apa sebenarnya celah di antara dedaunan itu, apa sebenarnya tiap bercak terang pada hari biasa, dan mengapa bercaknya berubah menjadi sabit ketika Matahari berubah begitu? (Bab gerhana tahun depan akan bangga kepadamu.)
Solusi
Solusi Latihan 42.12.
Tiap celah di antara dedaunan adalah lubang jarum alami; tiap bercak terang di tanah adalah bayangan Matahari yang dibuat lubang jarum itu — bundar pada hari biasa karena Matahari memang bundar. Ketika gerhana mengubah Matahari menjadi sabit, setiap celah daun dengan setia memproyeksikan sabitnya: ratusan kamera kecil, satu subjek langit.
42.5 Soal: Panggung Bayang-bayang
Soal 42.1
Soal akhir pekan — panggung bayang-bayang keluarga; boneka yang diukur dengan kesebandingan, penutup berlubang jarum; garis lurus cahaya yang menjalankan pertunjukan
Sehelai seprai sebagai layar, satu lampu kecil yang terang, boneka karton: malam pembukaannya hari Sabtu, dan awak panggungnya bekerja dengan penggaris.
Bagian I — Menyiapkan panggung. Lampunya berdiri dari layarnya.
- Sebuah boneka yang ditempelkan pada layarnya melemparkan bayang-bayang tepat seukuran dirinya. Mengapa?
- Boneka naganya setinggi . Kalau dipegang di tengah — dari lampu dan dari layar — setinggi apa bayang-bayangnya?
- Untuk babak penutup, naganya harus menjulang setinggi . Awaknya menggesernya ke arah lampu: pada jarak meter dari lampu, sinar serempetannya merentang empat kali ukuran bonekanya. Periksalah: cocokkah itu, dan pada pecahan berapa dari jarak lampu ke layar bonekanya berdiri?
- Mengapa lampu panggungnya harus kecil dan telanjang, bukan bola buram yang lebar? (Apa yang akan dilakukan bola itu terhadap tepi naganya yang tajam?)
Bagian II — Seni panggung dengan sinar.
- Boneka serigalanya harus membesar dengan mengancam selama babaknya tanpa lengan si dalang ikut muncul. Ke arah mana bonekanya digerakkan, dan apa yang terjadi pada tepi bayang-bayangnya selagi ia membesar? (Tepinya sedikit melembut — terimalah lalu jelaskan dengan ukuran lampunya yang kecil tetapi bukan titik.)
- Dua boneka, yang dipegang pada jarak yang sama, tidak boleh saling menutupi bayang-bayangnya. Apa yang harus berlaku bagi garis lurus dari lampunya lewat tiap boneka?
- Sebuah tangan menyelinap di antara lampu dan naganya pada sepertiga jalan dari lampunya. Bayang-bayang siapa yang tampak lebih besar pada layarnya, tangan atau naga, dan mengapa?
- Sang penjahat harus lenyap seketika. Dengan sinar di tangan, berikan dua cara: satu dengan menggerakkan bonekanya, satu dengan memakai penghalang kedua yang lebih dekat.
Bagian III — Penutup berlubang jarum. Untuk babak terakhir, awaknya mengubah panggungnya sendiri menjadi camera obscura: lampu jalan di luar, lubang jarum pada daun jendela, seprai layar melintang di dalam ruangan.
- Lampu jalannya tergantung tinggi di luar. Di mana bayangannya mendarat pada seprainya — tinggi atau rendah? Mengapa?
- Seorang pesepeda yang pulang larut melintas dari kiri ke kanan. Ke arah mana bayangan pesepeda itu meluncur di seprainya?
- Penontonnya menginginkan gambar yang lebih terang, sehingga awaknya memperbesar lubang jarumnya menjadi bukaan sebesar koin. Apa jadinya pertunjukannya, dan mengapa?
- Baris penutup pada catatan acaranya: dalam satu kalimat, sebutkan satu hukum yang menjalankan seluruh malam itu — kedua panggungnya, semua bayang-bayangnya, dan jalanan yang terbalik itu.
Solusi
Solusi Soal 42.1.
1. Ketika ditempelkan pada layarnya, sinar serempetannya tidak punya jarak lagi untuk merentang: bayang-bayangnya memeluk garis luar bonekanya sendiri. 2. Di tengah, ukurannya menjadi dua kali lipat: . 3. Empat kali tepat — cocok; bonekanya berdiri pada seperempat jarak lampu ke layar. 4. Bola berpijar yang lebar adalah banyak lampu sekaligus: tiap bagiannya melemparkan bayang-bayangnya sendiri yang sedikit tergeser, dan tepi naganya mengabur lembut dan kelabu. Teater yang tajam memerlukan sumber yang kecil, telanjang, dan seperti titik. 5. Ke arah lampunya: kipas sinar serempetannya melebar dan serigalanya membesar; lengannya tetap rendah, di luar kipasnya. Selagi bonekanya mendekati lampu yang kecil-tetapi-nyata itu, pelembutan tepinya tumbuh sedikit — lebar lampunya lebih berpengaruh pada jarak dekat. 6. Garis lurus dari lampunya lewat kedua boneka harus berjalan ke daerah layar yang terpisah — bonekanya berdiri cukup berjauhan ke samping sehingga tidak satu pun berada di dalam kerucut bayang-bayang yang lain. 7. Bayang-bayang tangannya: karena lebih dekat ke lampu, pada sepertiga jalan, sinar serempetannya mengipas tiga kali lebar, sementara naga di tengah panggung hanya dua kali — di dekat lampu, tangan yang kecil pun berperan sebagai raksasa. 8. Pindahkan penjahatnya menempel rata pada layarnya dan ia menyusut menjadi dirinya yang biasa (atau keluarkan sekalian dari berkasnya); atau selipkan penghalang kedua dekat ke lampunya — bayang-bayang raksasanya menelan bayang-bayang si penjahat, dan penjahatnya “lenyap” di dalam kegelapan yang lain. 9. Rendah di seprainya: dari lampu yang tinggi, helai lurus lewat lubangnya terus berjalan ke bawah — lubang jarum membalikkan. 10. Dari kanan ke kiri: gerbangnya menukar kiri dan kanan bersama atas dan bawah. 11. Lebih terang tetapi kabur tanpa harapan: tiap titik jalanan kini melukiskan bercak sebesar koin, bercaknya bertindihan, dan gambarnya larut — babak penutupnya mati bersama ketajamannya. 12. “Seluruh acara malam ini — setiap bayang-bayang, setiap raksasa, dan satu jalanan yang terbalik — dipentaskan oleh satu hukum: cahaya merambat menurut garis lurus.”