Nota Fizik Tingkatan 4 Bab 5: Gelombang
RINGKASAN
Ringkasan (Nota Fizik Tingkatan 4 Bab 5: Gelombang)
Bab ini memperkenalkan konsep asas gelombang, yang terhasil daripada sistem yang berayun atau bergetar di dalam suatu medium. Prinsip utama gelombang ialah pemindahan tenaga dari satu titik ke titik lain tanpa pemindahan jirim medium itu sendiri. Gerakan ulang-alik pada kedudukan keseimbangan, dikenali sebagai getaran atau ayunan, adalah punca penghasilan gelombang.
Gelombang boleh diklasifikasikan kepada beberapa jenis. Gelombang progresif ialah gelombang di mana profilnya merambat dengan masa, berbeza dengan gelombang pegun yang profilnya tidak merambat. Gelombang progresif pula terbahagi kepada gelombang melintang, di mana getaran zarah medium adalah berserenjang dengan arah perambatan gelombang (cth: gelombang air, cahaya), dan gelombang membujur, di mana getaran zarah adalah selari dengan arah perambatan (cth: gelombang bunyi). Selain itu, gelombang dikategorikan sebagai gelombang mekanik, yang memerlukan medium untuk merambat (cth: gelombang air, bunyi), dan gelombang elektromagnet, yang tidak memerlukan medium (cth: gelombang cahaya, radio).
Ciri-ciri gelombang diterangkan melalui beberapa istilah utama:
• Amplitud (A): Sesaran maksimum zarah dari kedudukan keseimbangan.
• Tempoh (T): Masa untuk satu ayunan lengkap.
• Frekuensi (f): Bilangan ayunan lengkap sesaat (f = 1/T).
• Panjang gelombang (λ): Jarak antara dua titik sefasa yang berturutan.
• Laju gelombang (v): Jarak yang dilalui oleh profil gelombang sesaat. Hubungan antara ciri-ciri ini dirumuskan sebagai v = fλ.
Fenomena gelombang yang penting termasuk:
1. Pelembapan dan Resonans: Pelembapan ialah pengurangan amplitud ayunan akibat kehilangan tenaga. Resonans berlaku apabila frekuensi daya luar sama dengan frekuensi asli sistem, menyebabkan sistem berayun dengan amplitud maksimum.
2. Pantulan: Perubahan arah perambatan gelombang apabila terkena pada suatu permukaan. Sudut tuju sama dengan sudut pantulan (i = r), manakala panjang gelombang, frekuensi, dan laju tidak berubah.
3. Pembiasan: Perubahan arah perambatan gelombang akibat perubahan laju apabila merambat antara dua medium berbeza. Fenomena ini menyebabkan perubahan pada laju dan panjang gelombang, tetapi frekuensi kekal tidak berubah.
4. Pembelauan: Penyebaran gelombang apabila melalui celah atau mengelilingi penghalang.
Aplikasi fenomena gelombang adalah meluas dalam kehidupan seharian, daripada penggunaan SONAR untuk mengesan ikan (pantulan), penalaan alat muzik (resonans), sehingga pembinaan benteng untuk menenangkan air di pelabuhan (pembelauan).
GLOSARI
| Istilah | Definisi |
| Amplitud, A | Sesaran maksimum suatu zarah dari kedudukan keseimbangan. |
| Daya berkala | Daya yang bertindak pada selang masa yang tertentu dan tidak bertindak secara berterusan. |
| Frekuensi, f | Bilangan ayunan lengkap yang dilakukan oleh suatu zarah atau bilangan gelombang yang dihasilkan oleh suatu sumber gelombang dalam satu saat. |
| Gelombang elektromagnet | Gelombang yang tidak memerlukan medium untuk memindahkan tenaga; terdiri daripada ayunan medan elektrik dan medan magnet yang berserenjang. |
| Gelombang mekanik | Gelombang yang memerlukan medium untuk memindahkan tenaga dari satu titik ke titik yang lain; terdiri daripada getaran zarah-zarah medium. |
| Gelombang membujur | Gelombang di mana zarah-zarah medium bergetar pada arah yang selari dengan arah perambatan gelombang. |
| Gelombang melintang | Gelombang di mana zarah-zarah medium bergetar pada arah yang berserenjang dengan arah perambatan gelombang. |
| Gelombang pegun | Gelombang di mana profil gelombang tidak merambat dengan masa. |
| Gelombang progresif | Gelombang di mana profil gelombang merambat dengan masa sepanjang arah perambatan gelombang. |
| Getaran dan ayunan | Gerakan ulang-alik pada kedudukan keseimbangan mengikut satu lintasan yang tertutup. |
| Kedudukan keseimbangan | Kedudukan asal zarah sebelum suatu sistem berayun. |
| Laju gelombang, v | Jarak yang dilalui sesaat oleh profil gelombang. |
| Muka gelombang | Garis yang menyambungkan titik-titik sefasa dalam suatu gelombang. |
| Panjang gelombang, λ | Jarak di antara dua titik sefasa yang berturutan. |
| Pantulan gelombang | Fenomena di mana arah gelombang berubah apabila terkena pada suatu permukaan, tetapi ciri-ciri lain gelombang tidak berubah. |
| Pembiasan gelombang | Perubahan arah perambatan gelombang yang disebabkan oleh perubahan halaju gelombang apabila gelombang itu merambat dari satu medium ke medium yang lain. |
| Pelembapan | Pengurangan amplitud suatu sistem ayunan akibat kehilangan tenaga. |
| Resonans | Fenomena yang berlaku apabila suatu sistem ayunan dikenakan daya luar yang mempunyai frekuensi yang sama dengan frekuensi asli sistem, menyebabkan sistem berayun dengan amplitud maksimum. |
| Tempoh, T | Masa yang diambil oleh suatu zarah untuk membuat satu ayunan lengkap atau untuk menghasilkan satu gelombang oleh suatu sumber gelombang. |
CONTOH SOALAN KBAT
Soalan Kemahiran Berfikir Aras Tinggi (KBAT)
1. Mengapakah bunyi kedengaran lebih jelas dan kuat pada waktu malam berbanding waktu siang, terutamanya di kawasan lapang?
Jawapan: Fenomena ini disebabkan oleh pembiasan gelombang bunyi. Pada waktu malam, udara berhampiran permukaan Bumi lebih sejuk berbanding udara di lapisan atas. Gelombang bunyi bergerak lebih perlahan dalam udara sejuk. Akibatnya, gelombang bunyi yang bergerak ke atas akan dibiaskan mendekati permukaan Bumi. Pembiasan ini menumpukan gelombang bunyi ke arah pendengar di permukaan Bumi, menyebabkan bunyi kedengaran lebih kuat dan jelas. Sebaliknya, pada waktu siang, udara di permukaan lebih panas, menyebabkan gelombang bunyi dibiaskan menjauhi permukaan Bumi dan bunyi kedengaran lebih lemah.
2. Jambatan Gantung Tacoma Narrows di Washington, Amerika Syarikat runtuh pada tahun 1940 akibat tiupan angin yang kuat. Jelaskan bagaimana fenomena resonans menyebabkan kejadian ini.
Jawapan: Setiap struktur seperti jambatan mempunyai frekuensi aslinya sendiri. Tiupan angin yang kuat dan berterusan pada hari kejadian telah menghasilkan satu daya luar berkala pada jambatan tersebut. Frekuensi daya yang dikenakan oleh angin ini secara kebetulan sama dengan frekuensi asli Jambatan Gantung Tacoma Narrows. Keadaan ini menyebabkan resonans berlaku. Akibat resonans, jambatan itu mula berayun dengan amplitud yang semakin besar sehingga melampaui had keanjalannya dan akhirnya runtuh.
3. Sebuah kapal menggunakan gelombang ultrasonik berfrekuensi 25 kHz untuk mengukur kedalaman laut. Sela masa antara penghantaran dan penerimaan semula gema ialah 120 ms. Jika laju bunyi dalam air laut ialah 1500 m s⁻¹, hitungkan kedalaman laut tersebut.
Jawapan:
• Langkah 1: Kenal pasti maklumat yang diberi.
◦ Laju gelombang, v = 1500 m s⁻¹
◦ Sela masa, t = 120 ms = 120 × 10⁻³ s = 0.12 s
◦ Frekuensi, f = 25 kHz (tidak diperlukan untuk soalan ini)
• Langkah 2: Fahami konsep.
◦ Sela masa 0.12 s ialah masa untuk gelombang bergerak dari kapal ke dasar laut DAN kembali semula ke kapal. Jadi, masa untuk perjalanan sehala ke dasar laut ialah separuh daripada jumlah masa.
◦ Atau, jarak yang dilalui oleh gelombang dalam masa 0.12 s ialah dua kali kedalaman laut (2d).
• Langkah 3: Gunakan rumus.
◦ Jarak = Laju × Masa
◦ 2d = v × t
◦ 2d = 1500 m s⁻¹ × 0.12 s
◦ 2d = 180 m
• Langkah 4: Hitung kedalaman laut (d).
◦ d = 180 m / 2
◦ d = 90 m
◦ Maka, kedalaman laut tersebut ialah 90 meter.
4. Di kawasan pantai, gelombang air laut didapati lebih tinggi dan kuat di kawasan tanjung berbanding di kawasan teluk yang airnya lebih tenang. Terangkan fenomena ini dengan merujuk kepada pembiasan gelombang.
Jawapan: Fenomena ini disebabkan oleh pembiasan gelombang air laut. Tanjung ialah kawasan air cetek manakala teluk ialah kawasan air dalam. Apabila gelombang air laut bergerak dari laut dalam menuju ke pantai, lajunya akan berkurang apabila memasuki kawasan tanjung yang lebih cetek. Pengurangan laju ini menyebabkan muka gelombang membengkok dan menumpu ke arah tanjung. Penumpuan tenaga gelombang ini menyebabkan amplitud ombak menjadi lebih tinggi dan kuat di tanjung. Sebaliknya, di kawasan teluk yang lebih dalam, laju gelombang kekal lebih tinggi, menyebabkan muka gelombang menyebar atau mencapah. Penyebaran tenaga gelombang ini menjadikan amplitud ombak lebih rendah dan keadaan air lebih tenang di teluk.
5. Banding dan bezakan antara fenomena pantulan gelombang dan pembiasan gelombang dari segi ciri-ciri gelombang yang terlibat.
Jawapan:
| Ciri Gelombang | Pantulan Gelombang | Pembiasan Gelombang |
| Definisi | Perubahan arah perambatan apabila terkena pada pemantul. | Perubahan arah perambatan apabila merambat antara dua medium berbeza ketumpatan. |
| Arah Perambatan | Berubah, mengikut Hukum Pantulan (sudut tuju = sudut pantulan). | Berubah, sama ada mendekati atau menjauhi garis normal bergantung pada medium. |
| Laju Gelombang | Tidak berubah. | Berubah (bertambah atau berkurang). |
| Panjang Gelombang | Tidak berubah. | Berubah (bertambah atau berkurang, selari dengan perubahan laju). |
| Frekuensi | Tidak berubah. | Tidak berubah (ditentukan oleh sumber gelombang). |