Fisika Sekolah Dasar dan Menengah Pertama · Grades 1–9
49Sumber Cahaya dan Perambatannya
Mengapa kamu dapat membaca halaman ini? Sebuah lampu bersinar — tetapi halamannya bukan lampu, namun matamu menerima cahaya dari setiap baris cetakannya. Di antara benda yang membuat cahaya dan benda yang sekadar meneruskannya terletak perbedaan yang tidak dapat ditinggalkan optika; dan bersamanya datang jawaban penuh bagi pertanyaan yang tertua di dalam buku ini: apa yang diperlukan untuk melihat sesuatu?
49.1 Pembuat dan penerus
Definisi 49.1 (Sumber primer)
Sebuah sumber primer membuat cahayanya sendiri: Matahari dan bintang, nyala api, filamen yang berpijar, baja yang berpijar putih di tempat penempaan, kunang-kunang, kilat. Cahayanya ada, entah ada entah tidak ada yang lain yang bersinar — padamkan dunianya, dan sumber primer tetap berpijar.
Definisi 49.2 (Benda pembaur)
Setiap benda terlihat yang lain adalah benda pembaur: ia menerima cahaya lalu mengirim ulang — membaurkan — sebagian darinya ke segala arah. Halamannya, apelnya, Bulan, wajahmu sendiri: tidak satu pun membuat kerlip miliknya sendiri; masing-masing menghamburkan cahaya yang diterimanya dengan murah hati ke segala sisi. Pembaur di dalam gelap sekadar tidak terlihat.
Contoh 49.3 (Pembauran bukan pencerminan)
Baik cermin maupun halaman mengirim kembali cahaya yang diterimanya — tetapi dengan tata cara yang berlawanan. Cerminnya memantulkan ke satu arah yang tertib (sudut yang sama — aturan pantulanmu yang lama), sehingga gambarnya terjaga; kekasaran mikroskopis halamannya menyemprotkan cahaya ke mana-mana, sehingga merusakkan gambarnya tetapi menawarkan dirinya kepada setiap mata sekaligus. Itulah sebabnya cermin memperlihatkan lampunya, sedangkan halamannya sekadar memperlihatkan dirinya, dari mana pun kamu berdiri.
Contoh 49.4 (Berkas Bulan, ditutup)
Putusan masa kecilnya kini mempunyai kata resminya: Bulan bukan sumber primer; ia benda pembaur seukuran planet — batu kelabu yang menghamburkan cahaya matahari ke segala arah, termasuk ke arah kita. Jadi cahaya bulan adalah sinar matahari bekas, dan “sisi gelapnya” sekadar separuh yang berkasnya, pada saat itu, tidak memuat cahaya untuk diteruskan.
49.2 Melihat, dituntaskan
Proposisi 49.5 (Kedua syarat penglihatan)
Sebuah mata melihat sebuah benda tepat ketika
- cahaya meninggalkan bendanya — dibuat, kalau bendanya sumber primer; dibaurkan, kalau ia penerus — dan
- cahaya itu berjalan menurut garis lurus yang tak terhalang masuk ke matanya.
Patahkan salah satu syaratnya — pembaur yang tidak tersinari, atau tembok yang melintang pada garis pandangnya — dan bendanya tidak terlihat. Setiap teka-teki keterlihatan di dalam buku ini terurai menjadi kedua pemeriksaan ini.
Contoh 49.6 (Berkas yang dibuat terlihat)
Di udara yang bersih, berkas senter yang menyeberangi ruangan tidak dapat dilihat dari samping — udara meneruskan hampir tidak ada, dan tidak ada cahaya dari berkasnya yang berbelok ke arah matamu. Kibaskan kain yang berdebu: berkasnya melompat ke dalam pandangan. Tiap bintik debu adalah pembaur mungil, yang menangkap cahaya berkasnya lalu menghamburkan sebagian ke arahmu — ribuan bintik menggambarkan garis lurus berkasnya untukmu. Kabut, embun, dan asap menjalankan jasa yang sama bagi berkas mercusuar dan proyektor bioskop.
49.3 Tiga mantel bagi cahaya
Definisi 49.7 (Bening, baur, buram)
Bahan bertemu cahaya dengan tiga tata cara:
- bening: cahaya menyeberang hampir tanpa terganggu, sambil menjaga ketertibannya — kaca jernih, air yang tenang, udara; gambarnya lewat dengan utuh;
- baur: cahaya menyeberang, tetapi teracak — kaca beku, kertas kalkir, tirai yang tipis; terangnya lewat, gambarnya tidak;
- buram: cahaya dihentikan — diserap atau dibaurkan kembali — kayu, batu, logam, tanganmu; di balik benda yang buram terletak bayang-bayang.
Metode 49.8 (Memilah bahan dengan cahaya senter)
Sebuah ruangan gelap, sebuah senter, sehalaman cetakan, dan contohnya di antara keduanya:
- peganglah contohnya di atas cetakannya dengan senter di belakangnya;
- cetakannya terbaca menembusnya? — bening;
- tampak nyala tetapi tidak tampak hurufnya? — baur;
- tampak kegelapan, dan bayang-bayang di seberangnya? — buram.
Ujilah dengan jujur: banyak bahan berpindah regu menurut tebalnya — selapis air itu bening, laut dalam segelap malam; selembar kertas itu baur, buku yang tertutup buram.
Contoh 49.9 (Ketiga regu milik arsitektur)
Pembangun mengerahkan ketiganya dengan sengaja. Kaca jendela yang bening: pemandangan dan cahaya sekaligus. Kaca kamar mandi yang baur dan sekat kantor yang beku: cahaya siang masuk, kesendirian terjaga — terang tanpa gambar tepat menjadi uraian tugasnya. Tembok dan daun jendela yang buram: kegelapan sesuai permintaan. Kap lampu adalah kebauran yang mengabdi pada kenyamanan: silau filamen yang berkobar teracak menjadi nyala yang lembut dan tanpa sumber.
Catatan 49.10 (Tidak ada yang diteruskan, tidak ada yang terlihat)
Teka-teki: seorang antariksawan di antara bintang memandang ke samping menyeberangi kehampaan yang dibanjiri sinar matahari. Apa yang dilihatnya? Kehitaman — padahal cahaya matahari membanjir lewat di depan matanya. Antariksa tidak membawa debu yang patut disebut: tidak ada yang membaurkan cahaya yang lewat itu ke arahnya, dan cahaya yang tidak masuk ke mata tidak melukis apa-apa. Langit siang berwarna biru justru karena udara kita memang meneruskan cahaya matahari turun kepada kita — pembauran lembut sebanyak seluruh planet di atas kepala. Tanpa udara, langit hitam, bahkan pada tengah hari: para antariksawan Bulan berdiri di dalam sinar matahari di bawah kubah hitam tanpa bintang.
49.4 Latihan
Latihan 49.1 ★
Pilahlah: nyala lilin; Bulan; seekor kunang-kunang; halaman ini; lampu lalu lintas yang merah; planet Venus pada waktu senja.
Solusi
Solusi Latihan 49.1.
Sumber primer: nyala lilinnya, kunang-kunangnya, lampu lalu lintas yang merah. Pembaur: Bulan, halaman ini, Venus — planet itu bersinar oleh cahaya matahari yang dibaurkan, semirip apa pun ia dengan bintang.
Latihan 49.2 ★
Apa yang dilakukan benda pembaur terhadap cahaya yang diterimanya — dan apa jadinya ia di dalam ruangan yang gelap?
Solusi
Solusi Latihan 49.2.
Ia mengirim ulang sebagian cahaya yang diterimanya ke segala arah. Di dalam ruangan yang gelap ia tidak menerima apa pun, tidak meneruskan apa pun — dan tidak terlihat.
Latihan 49.3 ★
Nyatakan kedua syarat penglihatannya, lalu pakailah: mengapa kamu tidak dapat melihat permukaan milik cermin yang sempurna bersih, melainkan hanya benda yang dipantulkannya? (Hati-hati — pertanyaan yang halus; jawablah dengan sederhana: apa yang ditolak kilapnya untuk dilakukan terhadap cahaya?)
Solusi
Solusi Latihan 49.3.
Cahaya harus meninggalkan bendanya menuju matanya. Kilap yang sempurna menolak untuk membaurkan: ia mengirim cahayanya hanya ke satu arah yang tertib, sehingga tidak ada cahaya yang berkata “ini permukaannya” kepada setiap sudut pandang — matanya hanya menerima gambar benda lain yang dialihkan arahnya.
Latihan 49.4 ★
Mengapa setiap orang di sekeliling mejanya melihat apel yang sama, sementara hanya satu kedudukan mata yang beruntung yang menangkap pantulan lampunya pada sebuah sendok?
Solusi
Solusi Latihan 49.4.
Apelnya membaurkan ke segala arah sekaligus — setiap mata mendapat jatah. Kilap sendoknya mengirim cahaya lampunya hanya ke satu arah, dan hanya satu kedudukan mata yang duduk pada jalan tunggal itu.
Latihan 49.5 ★
Mengapa berkas senter tidak terlihat dari samping di udara yang bersih, dan terlihat di dalam kabut? Sebutkan prosesnya.
Solusi
Solusi Latihan 49.5.
Udara yang bersih meneruskan hampir tidak ada ke samping, sehingga tidak ada cahaya berkas yang masuk ke mata yang berada di luar jalan berkasnya. Kabut mengisi berkasnya dengan pembaur yang mungil, yang masing-masing menghamburkan sejatah ke arahmu: pembauranlah yang menggambar garisnya.
Latihan 49.6 ★
Golongkanlah: kaca jendela; kertas kalkir; sebuah batu bata; air jernih yang dangkal; selubung sebuah bohlam beku; kertas timah aluminium.
Latihan 49.7 ★
Tugas apa yang dijalankan kebauran pada jendela kamar mandi dan pada kap lampu? Apa yang lewat, apa yang dihentikan?
Solusi
Solusi Latihan 49.7.
Terangnya lewat; gambarnya dihentikan (teracak). Jendela kamar mandinya memasukkan cahaya siang lalu menolak orang yang mengintip; kapnya mengubah filamen setitik yang menyilaukan menjadi nyala lebar yang lembut.
Latihan 49.8 ★
Bulan tersinari matahari — namun para antariksawan bulan melihat langit hitam pada tengah hari. Jelaskan dengan Catatan 49.10, lalu katakan mengapa langit tengah hari Bumi justru biru cerah.
Solusi
Solusi Latihan 49.8.
Bulan tidak mempunyai udara: tidak ada apa pun di atas para antariksawannya yang membaurkan cahaya matahari yang lewat itu ke arah mata mereka, sehingga langitnya tidak menawarkan apa pun untuk dilihat — hitam pada tengah hari. Udara Bumi meneruskan sejatah cahaya matahari dari segala arah langitnya: kubah biru cerah kita adalah pembauran di atas kepala.
Latihan 49.9 ★★
Selembar kertas tunggal bernyala hangat di depan sebuah senter; buku yang tertutup menghentikan cahayanya seluruhnya. Apa yang dilakukan tebalnya terhadap keanggotaan regu sebuah bahan? Berikan contoh kedua tentang bahan yang berpindah regu.
Latihan 49.10 ★★
Muslihat bioskop: berkas proyektor tidak terlihat di dalam aula yang bersih, namun film memperlihatkannya mengiris udara dengan dramatis. Apa yang harus ditambahkan kru panggung ke udaranya, dan fisika apa yang sedang mereka beli?
Latihan 49.11 ★★
Kamu melihat wajah seorang kawan di dekat api unggun. Telusurilah perjalanan penuh cahayanya — sumber, pembauran, garis lurus — lalu hitunglah berapa banyak pembaur yang berdiri pada rantainya kalau kamu lalu juga melihat wajah itu terpantul di danaunya.
Solusi
Solusi Latihan 49.11.
Apinya (sumber primer) garis lurus menuju wajahnya wajahnya membaurkan garis lurus menuju matamu: satu pembaur pada rantainya. Lewat danaunya: cahaya yang dibaurkan wajahnya berjalan lurus ke air yang tenang, dipantulkan secara cermin (bukan dibaurkan — danaunya berkilap), lalu berjalan lurus terus ke matamu: tetap satu pembaur, ditambah satu pantulan cermin — wajahnya, lalu lipatan danaunya yang tertib.
Latihan 49.12 ★★★
Pertunjukan cahaya milik alam sendiri: pada hari yang cerah, langit yang jauh dari Matahari berwarna biru, cakram Mataharinya putih menyilaukan — dan pada waktu matahari terbenam Matahari yang rendah berubah jingga sementara awan di atasnya menangkap warna merah muda. Dengan memakai hanya “udara membaurkan sedikit cahaya yang lewat menembusnya, dan makin banyak makin panjang jalannya”, jelaskan mengapa matahari yang rendah dirampok sebagian cahayanya — dan siapa yang menerima jatah curiannya. (Kisah warnanya yang penuh adalah bab spektrum tahun depan; bernalarlah di sini hanya dengan jalan lebih panjang, pembauran lebih banyak.)
Solusi
Solusi Latihan 49.12.
Cahaya matahari yang menyeberangi udara kehilangan sejatah karena pembauran di sepanjang jalannya — makin panjang jalannya, makin besar curiannya. Ketika matahari terbenam cahaya Mataharinya menyerempet atmosfernya di sepanjang jalannya yang terpanjang, sehingga berkas langsungnya mencapaimu dalam keadaan dirampok dan dilemahkan — itulah cakram jingga yang jinak. Jatah yang dicuri itu tidak lenyap: ia terhambur di sepanjang jalannya, diantarkan kepada langit lain sebagai cahaya siang mereka — dan sebagian, yang terhambur belakangan, melukis awan yang tinggi menjadi merah muda. (Warna yang mana yang paling cepat dicuri adalah cerita tahun depan.)
49.5 Soal: Menerangi Museum
Soal 49.1
Soal akhir pekan — aula pahatan yang baru; giliran malam seorang perancang pencahayaan; sumber, pembaur, dan tiga jenis kaca
Aula baru museumnya dibuka hari Senin: sebuah patung pualam, lukisan di dindingnya, sebuah lemari pajang kaca, dan seorang kurator yang gugup. Kamu membantu perancang pencahayaannya.
Bagian I — Asas pertama di tempatnya.
- Kuratornya bertanya mengapa patungnya, yang “begitu putih cemerlang”, masih memerlukan lampu sama sekali. Jawablah dengan kedua syarat penglihatannya.
- Sebutkan sumber primer dan pembaur di dalam aulanya begitu lampunya menyala: lampu, patung, lukisan, pengunjung, dan kaca lemarinya.
- Pualamnya seakan-akan bernyala dari mana-mana, tanpa bintik yang menyilaukan. Tata cara pengembalian cahaya yang mana yang sedang bekerja, dan mengapa setiap kedudukan pengunjung menerimanya?
- Sebaliknya, sekeping papan kuningan yang berkilap melemparkan satu pantulan lampu yang menyilaukan. Sebutkan tata cara yang satu lagi, lalu nyatakan aturan yang mengatur ke mana silau itu pergi.
Bagian II — Menjinakkan silaunya.
- Bohlam telanjang menyilaukan mata pengunjung. Perancangnya menyarungkan tiap bohlam ke dalam bola kaca beku. Regu bahan yang mana yang ditempati bolanya, dan apa yang dilakukannya terhadap cahaya filamennya?
- Lukisannya harus tersinari, tetapi tidak boleh ada lampu yang tampak terpantul pada peliturnya dari tempat menonton yang utama. Dengan memakai aturan cerminnya, di mana perancangnya menempatkan lampunya terhadap lukisan dan penontonnya?
- Kaca jernih lemari pajangnya hampir tidak terlihat — sampai lengan baju putih seorang pengunjung muncul di dalamnya seperti hantu. Mengapa kaca jernih sekaligus meneruskan dan samar-samar mencerminkan? Apa yang dicapai ceruk berdinding hitam di belakang lemarinya, yang dibuat perancangnya?
- Bintik debu kadang-kadang hanyut menembus berkas lampu sorotnya, dan menggambar benang yang terang di udara. Kuratornya: “Indah! Pertahankan.” Perancangnya: “Itu berarti udaranya kotor.” Siapa yang benar tentang fisikanya, dan benangnya itu apa?
Bagian III — Uji malamnya.
- Lampu padam, daun jendela tertutup rapat: penjaganya melaporkan aulanya “hitam sama sekali — bahkan patung putihnya pun tidak”. Jelaskan dengan kedua syaratnya mengapa keputihan tidak berdaya di dalam gelap.
- Diusulkan sebuah jendela atap: kaca beku di atas kepala. Apa yang akan diantarkannya pada siang hari, dan apa yang akan ditolaknya untuk diantarkan (pemandangan awan, silau matahari langsung)?
- Kuratornya takut cahaya matahari memudarkan lukisannya lalu meminta “cahaya tanpa matahari sama sekali”. Perancangnya tersenyum: pada siang hari, bahkan cahaya lembut jendela yang menghadap ke utara pun adalah sinar matahari. Jelaskan — apa yang telah meneruskannya?
- Tulislah laporan perancangnya: tiga kalimat — satu tentang mengapa pembauran adalah sahabat terbaik museumnya, satu tentang di mana pantulan bertata cara cermin harus diawasi, dan satu tentang regu kaca yang dipilih bagi tiap tugasnya.
Solusi
Solusi Soal 49.1.
1. Pualam tidak membuat cahaya: melihat memerlukan cahaya yang meninggalkan bendanya masuk ke mata, dan pembaur yang tidak tersinari tidak mengirim apa pun. Putih adalah janji tentang penerusan, tidak berharga tanpa sebuah pengantaran. 2. Sumber primer: lampunya, itu saja. Pembaur: patungnya, lukisannya, pengunjungnya — dan kaca lemarinya secara samar (sebagian besar ia meneruskan). 3. Pembauran: permukaan pualamnya menghamburkan cahaya yang diterimanya ke segala arah, sehingga setiap kedudukan di dalam aulanya terlayani dan tidak satu pun disilaukan. 4. Pantulan bertata cara cermin: kuningan yang berkilap itu memantulkan cahaya lampunya pada sudut yang sama ke satu arah — silaunya mendarat hanya di tempat jalan tunggal itu pergi. 5. Baur: bolanya melewatkan terangnya lalu mengacak gambarnya — silau setitik milik filamennya menjadi sebuah bola cahaya yang lembut. 6. Menurut aturan pantulannya, sebuah lampu tampak pada peliturnya ketika lampu dan penontonnya duduk pada sudut yang sama di kedua sisi permukaan lukisannya. Perancangnya menempatkan lampunya tinggi dan curam, sehingga jalan pantulannya menukik ke lantai di depan lukisannya — tidak pernah ke mata pada tempat menonton yang utama. 7. Kaca sebagian besar meneruskan tetapi selalu memantulkan sejatah yang samar secara cermin — jendela yang jernih adalah cermin yang lemah, kalau dilihat dengan kegelapan di belakangnya. Ceruk hitamnya memberi pemandangan yang diteruskan itu sebuah dasar yang gelap sehingga pantulan yang samar tidak dapat bersaing — lengan baju hantunya memudar. 8. Keduanya: secara fisika benangnya adalah pembauran oleh bintik debu — cahaya berkas yang terhambur ke mata pengunjungnya; dan udara yang berdebu memang yang memungkinkannya. Fisikanya berpihak kepada perancangnya; puisinya kepada kuratornya. 9. Tanpa sumber, tanpa cahaya yang meninggalkan, tanpa apa pun untuk diterima: keputihan adalah laju penerusan yang tinggi yang diterapkan pada ketiadaan. Syarat satunya gagal bagi setiap bendanya sekaligus. 10. Cahaya siang yang lembut, rata, dan tanpa bayang-bayang atas seluruh aulanya — terang tanpa gambar: tidak ada pemandangan awan, dan tidak ada silau matahari langsung pada pualamnya. 11. Langitnya sendiri: udara yang membaurkan cahaya matahari. Cahaya utara adalah sinar matahari yang diteruskan oleh setengah bola udara — lembut, tanpa sumber, dan tetap saja matahari; hanya berkas langsungnya yang ditolak. 12. Misalnya: “Pembauran adalah sahabat terbaik kami: ia menyerahkan setiap karya seni kepada setiap pengunjung tanpa satu silau pun. Permukaan yang bertata cara cermin — pelitur, kuningan, kaca lemari — harus diawasi, karena mereka mengantarkan lampu ke mata di sepanjang jalan yang persis dan dapat diramalkan. Dan tiap kaca mengabdi menurut regunya: bening untuk melihat ke dalam, baur untuk silau dan cahaya atap, buram untuk kegelapan.”