Getaran, Gelombang, Bunyi, dan Cahaya — Materi Fisika SMA

Beranda › Learning Hub › Fisika SMA › F.6 Gelombang dan bunyi

Gelombang memindahkan energi tanpa memindahkan materinya. Bunyi, gempa, ombak, dan cahaya semuanya gelombang. Halaman ini membahas getaran sebagai sumber gelombang, sifat-sifat gelombang, bunyi beserta penerapannya, serta pemantulan dan pembiasan cahaya pada cermin dan lensa yang ikut diuji dalam TKA.

📋Capaian Pembelajaran

Fase F: menganalisis gejala gelombang dan penerapannya dalam kehidupan sehari-hari. Sub materi dalam Panduan: getaran, gelombang, dan bunyi — termasuk gelombang stasioner pada sumber bunyi, intensitas bunyi dan jarak, efek Doppler, ultrasonik, dan pencitraan medis. Optik geometris (cermin dan lensa) ditambahkan di sini karena TKA Fisika menguji subelemen Cahaya.

🎯Yang perlu kamu kuasai

Menghitung periode dan frekuensi bandul sederhana dan pegas.
Menggunakan \( v = \lambda f \) dan membedakan gelombang transversal dan longitudinal.
Menjelaskan pemantulan, pembiasan, difraksi, interferensi, dan gelombang stasioner.
Menghitung frekuensi nada pada dawai dan pipa organa.
Menerapkan intensitas, taraf intensitas, dan efek Doppler.
Menentukan bayangan pada cermin dan lensa serta kekuatan kacamata.

📚Materi

1. Getaran harmonik

\[ T_{\text{bandul}} = 2\pi\sqrt{\frac{L}{g}}, \qquad T_{\text{pegas}} = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k}} \]

Periode bandul tidak bergantung pada massa beban atau simpangan (untuk sudut kecil). Simpangan getaran \( y = A\sin\omega t \).

2. Besaran dan jenis gelombang

Gelombang transversal berbentuk sinus. Satu panjang gelombang lambda ditandai dari puncak ke puncak, amplitudo A dari garis setimbang ke puncak, serta puncak dan lembah diberi label. — Satu panjang gelombang λ terdiri atas satu bukit dan satu lembah; amplitudo A diukur dari garis setimbang.

\[ v = \lambda f = \frac{\lambda}{T} \]

Transversal: arah getar tegak lurus arah rambat (tali, cahaya).
Longitudinal: arah getar sejajar arah rambat, berupa rapatan dan renggangan (bunyi, pegas slinki).
Gelombang mekanik perlu medium (bunyi tidak merambat di ruang hampa); gelombang elektromagnetik tidak.

Persamaan gelombang berjalan: \( y = A\sin(\omega t - kx) \) dengan \( k = 2\pi/\lambda \). Frekuensi ditentukan sumber dan tidak berubah saat gelombang berpindah medium; yang berubah adalah kecepatan dan panjang gelombangnya.

3. Sifat gelombang

Gelombang mengalami pemantulan, pembiasan (berbelok saat berpindah medium karena kecepatannya berubah), difraksi (melentur di celah atau penghalang), dan interferensi (perpaduan dua gelombang: saling menguatkan jika sefase, saling melemahkan jika berlawanan fase). Warna-warni pada gelembung sabun dan lapisan minyak terjadi karena interferensi cahaya pada lapisan tipis.

Gelombang stasioner terbentuk dari perpaduan gelombang datang dan pantul. Ada titik yang selalu diam (simpul) dan titik dengan simpangan maksimum (perut); jarak antarsimpul \( \tfrac12\lambda \).

Dawai dengan tiga gelombang setengah, membentuk empat simpul S termasuk kedua ujung dan tiga perut P. — Pola gelombang stasioner pada dawai dengan dua ujung terikat: tiga perut, empat simpul.

4. Bunyi

Bunyi adalah gelombang longitudinal; di udara kelajuannya sekitar 340 m/s. Pendengaran manusia 20 Hz–20.000 Hz; di bawahnya infrasonik, di atasnya ultrasonik (dipakai USG, sonar, dan alat pengukur kedalaman laut: \( d = vt/2 \)).

Dawai dan pipa organa terbuka: \( f_n = \dfrac{n v}{2L} \), \( n = 1, 2, 3, \ldots \) (semua harmonik).
Pipa organa tertutup: \( f_n = \dfrac{n v}{4L} \), \( n = 1, 3, 5, \ldots \) (hanya harmonik ganjil).
Cepat rambat pada dawai: \( v = \sqrt{F/\mu} \), dengan \( \mu \) massa per panjang.

Intensitas adalah daya per luas, \( I = \dfrac{P}{4\pi r^2} \): menjauh dua kali, intensitas menjadi seperempat. Taraf intensitas \( TI = 10\log\dfrac{I}{I_0} \) dB, dengan \( I_0 = 10^{-12} \) W/m². Sepuluh sumber identik menambah 10 dB; jarak dua kali mengurangi sekitar 6 dB.

Efek Doppler: frekuensi yang didengar berubah jika sumber atau pendengar bergerak,

\[ f_p = \frac{v \pm v_p}{v \mp v_s} f_s \]

Gunakan tanda yang membuat frekuensi naik saat keduanya saling mendekat dan turun saat saling menjauh.

5. Cahaya: cermin dan lensa

\[ \frac{1}{f} = \frac{1}{s} + \frac{1}{s'}, \qquad M = \left|\frac{s'}{s}\right| \]

Untuk cermin, \( f = R/2 \). Cermin cekung dan lensa cembung memiliki \( f \) positif; cermin cembung dan lensa cekung \( f \) negatif. \( s' \) negatif berarti bayangan maya. Cermin cembung (spion) selalu memberi bayangan maya, tegak, diperkecil dengan medan pandang luas — benda tampak lebih jauh daripada sebenarnya.

Kacamata: kekuatan lensa \( P = 1/f \) (dioptri, f dalam meter). Rabun jauh (miopi) dikoreksi lensa cekung \( P = -1/PR \); rabun dekat (hipermetropi) lensa cembung \( P = 4 - 1/PP \) (PP dalam meter, titik dekat normal 25 cm). Lup memberi perbesaran \( M = 25/f \) untuk mata berakomodasi pada titik tak hingga.

✏️Contoh soal

Ambulans membunyikan sirene 640 Hz sambil mendekati pejalan kaki yang diam dengan kelajuan 20 m/s (v bunyi = 340 m/s). Berapa frekuensi yang didengar pejalan kaki saat ambulans mendekat dan saat menjauh?

\[ f_{\text{mendekat}} = \frac{340}{340 - 20} \times 640 = 680\ \text{Hz} \]

\[ f_{\text{menjauh}} = \frac{340}{340 + 20} \times 640 \approx 604\ \text{Hz} \]

Periksa. Mendekat → frekuensi naik; menjauh → turun. Frekuensi sirene sendiri tetap 640 Hz, dan cepat rambat bunyi di udara tidak berubah.

Jebakan. Menukar tanda sehingga frekuensi turun saat mendekat. Selalu periksa arah perubahan secara kualitatif dulu.

📝Latihan

Kerjakan di kertas, lalu buka jawabannya.

1. Gelombang di permukaan air memiliki frekuensi 2 Hz dan jarak antara dua puncak berdekatan 1,5 m. Berapa cepat rambatnya?

\( v = \lambda f = 1{,}5 \times 2 = 3 \) m/s.

2. Bandul dengan panjang tali 1 m dipindahkan ke tempat yang percepatan gravitasinya seperempatnya. Bagaimana periodenya berubah?

\( T \propto 1/\sqrt{g} \), jadi periodenya menjadi 2 kali semula.

3. Pipa organa tertutup sepanjang 85 cm (v = 340 m/s). Berapa frekuensi nada dasar dan nada atas pertamanya?

\( f_1 = 340/(4 \times 0{,}85) = 100 \) Hz; nada atas pertama (harmonik ketiga) 300 Hz.

4. Taraf intensitas satu mesin 60 dB. Berapa taraf intensitas 100 mesin identik yang dinyalakan bersamaan?

\( TI = 60 + 10\log 100 = 80 \) dB.

5. Kapal mengirim pulsa sonar dan menerima pantulannya 0,8 s kemudian. Cepat rambat bunyi di air 1.500 m/s. Berapa kedalaman laut?

\( d = \dfrac{1.500 \times 0{,}8}{2} = 600 \) m.

6. Titik jauh mata seseorang 2 m. Berapa kekuatan lensa kacamatanya?

Miopi: \( P = -1/2 = -0{,}5 \) dioptri (lensa cekung).

🎯Latihan TKA untuk topik ini

Soal-soal berikut dari latihan TKA Fisika SMA menguji materi di halaman ini. Kerjakan langsung di halaman soal, lalu buka pembahasannya.

Paket 1 · Soal 15 PG — Menentukan jarak aman pendengar berdasarkan hubungan taraf intensitas bunyi dan jarak dari sumber.
Paket 1 · Soal 16 PG — Menjelaskan fenomena warna-warni pada lapisan tipis menggunakan sifat gelombang cahaya.
Paket 1 · Soal 17 PGK Kategori — Mengevaluasi strategi penggunaan lup untuk memperoleh perbesaran tertentu.
Paket 2 · Soal 15 PGK MCMA — Menganalisis perubahan frekuensi bunyi sirene ambulans yang bergerak (efek Doppler).
Paket 2 · Soal 16 PG — Menentukan kekuatan lensa kacamata untuk penderita rabun jauh.
Paket 2 · Soal 17 PGK Kategori — Mengevaluasi penjelasan tentang sifat bayangan cermin cembung pada spion kendaraan.