Nota Fizik Tingkatan 4 Bab 6: Cahaya Dan Optik
RINGKASAN
Ringkasan (Nota Fizik Tingkatan 4 Bab 6: Cahaya Dan Optik)
Dokumen ini merangkumi konsep-konsep asas cahaya dan optik, memfokuskan kepada pembiasan cahaya, pantulan dalam penuh, dan pembentukan imej oleh kanta.
Pembiasan Cahaya berlaku akibat perubahan halaju cahaya apabila ia merambat melalui medium dengan ketumpatan optik yang berbeza. Apabila cahaya bergerak dari medium kurang tumpat ke lebih tumpat (cth: udara ke kaca), ia membengkok ke arah garis normal, dan sudut biasan (r) lebih kecil daripada sudut tuju (i). Sebaliknya, apabila bergerak dari medium lebih tumpat ke kurang tumpat, ia membengkok menjauhi garis normal (i < r). Hubungan ini dikawal oleh Indeks Biasan (n), iaitu nisbah laju cahaya dalam vakum (c) kepada laju cahaya dalam medium (v), dan Hukum Snell yang menyatakan n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂. Fenomena ini menyebabkan objek kelihatan cetek, yang dikenali sebagai Dalam Nyata (H) dan Dalam Ketara (h), dihubungkan dengan formula n = H/h.
Pantulan Dalam Penuh adalah fenomena di mana cahaya dipantulkan sepenuhnya kembali ke dalam medium asal. Ia hanya berlaku apabila cahaya merambat dari medium berketumpatan optik tinggi ke rendah, dan sudut tuju melebihi satu nilai kritikal yang dipanggil Sudut Genting (c). Sudut genting adalah sudut tuju di mana sudut biasan ialah 90°. Hubungan antara indeks biasan dan sudut genting ialah n = 1/sin c. Fenomena semula jadi seperti logamaya dan pelangi adalah hasil daripada pantulan dalam penuh. Aplikasi teknologinya termasuk gentian optik untuk telekomunikasi, periskop berprisma, dan pemantul mata jalan.
Kanta adalah bahan lut sinar yang membiaskan cahaya untuk membentuk imej. Terdapat dua jenis utama: kanta cembung (penumpu) yang menumpukan sinar cahaya selari, dan kanta cekung (pencapah) yang seolah-olah mencapahkan sinar cahaya selari dari satu titik fokus. Ciri-ciri imej (nyata/maya, songsang/tegak, diperbesar/diperkecil) yang dibentuk oleh kanta bergantung pada kedudukan objek (u) berbanding panjang fokus (f). Hubungan antara jarak objek, jarak imej (v), dan panjang fokus diterangkan oleh Formula Kanta Nipis: 1/f = 1/u + 1/v. Pembesaran linear (m) pula dihitung menggunakan m = v/u. Kanta-kanta ini merupakan komponen asas dalam peralatan optik seperti kanta pembesar, mikroskop majmuk, dan teleskop.
GLOSARI
| Istilah | Definisi |
| Pembiasan Cahaya | Fenomena pembengkokan cahaya yang berlaku disebabkan oleh perubahan halaju cahaya apabila merambat melalui medium yang berlainan ketumpatan optik. |
| Ketumpatan Optik | Sifat suatu medium yang menentukan kelajuan cahaya di dalamnya. Tidak sama dengan ketumpatan fizikal (jisim per isi padu). |
| Indeks Biasan (n) | Nisbah laju cahaya dalam vakum kepada laju cahaya dalam medium. Ia menentukan darjah pembengkokan alur cahaya. |
| Hukum Snell | Formula yang menghubungkaitkan indeks biasan (n) dan sudut (θ) bagi dua medium yang berbeza: n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂. |
| Dalam Nyata (H) | Jarak sebenar suatu objek dari permukaan medium di mana ia berada. |
| Dalam Ketara (h) | Jarak imej yang kelihatan dari permukaan medium. Objek kelihatan lebih cetek disebabkan oleh pembiasan. |
| Pantulan Dalam Penuh | Fenomena di mana cahaya dipantulkan sepenuhnya apabila merambat dari medium berketumpatan optik tinggi ke rendah, dengan sudut tuju lebih besar daripada sudut genting. |
| Sudut Genting (c) | Sudut tuju dalam medium berketumpatan optik tinggi apabila sudut biasan dalam medium berketumpatan optik rendah sama dengan 90°. |
| Logamaya | Fenomena semula jadi yang disebabkan oleh pembiasan dan pantulan dalam penuh cahaya di lapisan udara yang berbeza suhu, menyebabkan imej seperti lopak air kelihatan di permukaan jalan yang panas. |
| Gentian Optik | Teknologi yang menggunakan pantulan dalam penuh untuk menghantar isyarat cahaya melalui gentian kaca atau plastik yang tulen, digunakan dalam telekomunikasi dan perubatan. |
| Kanta Cembung | Kanta yang lebih tebal di tengah, berfungsi sebagai kanta penumpu kerana ia menumpukan sinar cahaya selari ke satu titik fokus. |
| Kanta Cekung | Kanta yang lebih nipis di tengah, berfungsi sebagai kanta pencapah kerana ia seolah-olah mencapahkan sinar cahaya selari dari satu titik fokus maya. |
| Pusat Optik (O) | Titik di pusat kanta di mana sinar cahaya yang melaluinya tidak akan dibiaskan. |
| Paksi Utama | Garis lurus yang melalui pusat optik dan pusat kelengkungan kedua-dua permukaan kanta. |
| Titik Fokus (F) | Titik pada paksi utama di mana sinar selari ditumpukan (kanta cembung) atau seolah-olah berasal (kanta cekung) selepas melalui kanta. |
| Panjang Fokus (f) | Jarak antara titik fokus (F) dengan pusat optik (O) suatu kanta. Bernilai positif untuk kanta cembung dan negatif untuk kanta cekung. |
| Imej Nyata | Imej yang boleh terbentuk pada skrin dan terbentuk di sebelah kanta yang bertentangan dengan objek. |
| Imej Maya | Imej yang tidak boleh terbentuk pada skrin dan terbentuk di sebelah kanta yang sama dengan objek. |
| Pembesaran Linear (m) | Nisbah ketinggian imej kepada ketinggian objek (hᵢ / hₒ), atau nisbah jarak imej kepada jarak objek (v / u). |
| Formula Kanta Nipis | Persamaan yang menghubungkan jarak objek (u), jarak imej (v), dan panjang fokus (f): 1/f = 1/u + 1/v. |
| Kanta Objek | Kanta dalam mikroskop atau teleskop yang paling dekat dengan objek. |
| Kanta Mata | Kanta dalam mikroskop atau teleskop yang paling dekat dengan mata pemerhati. |
CONTOH SOALAN KBAT
Soalan Kemahiran Berfikir Aras Tinggi (KBAT)
1. Mengapakah intan kelihatan lebih berkilauan berbanding sekeping kaca dengan bentuk potongan yang sama?
Jawapan: Kilauan intan disebabkan oleh fenomena pantulan dalam penuh. Intan mempunyai indeks biasan yang sangat tinggi (n ≈ 2.42), manakala kaca mempunyai indeks biasan yang lebih rendah (n ≈ 1.52). Berdasarkan formula n = 1/sin c, indeks biasan yang tinggi menyebabkan sudut genting (c) intan menjadi sangat kecil (sekitar 24.4°). Ini bermakna, sebahagian besar cahaya yang memasuki intan akan mengalami pantulan dalam penuh berulang kali pada permukaan dalamnya sebelum keluar. Pantulan berulang ini menyebabkan penyebaran cahaya yang kuat (dispersi) dan menghasilkan kilauan yang menakjubkan. Kaca, dengan sudut genting yang lebih besar, membenarkan lebih banyak cahaya terlepas keluar tanpa mengalami pantulan dalam penuh, justeru ia kurang berkilauan.
2. Seorang penyelam di dalam air melihat seorang jurulatih yang berdiri di tepi kolam. Adakah jurulatih itu kelihatan lebih tinggi, lebih pendek, atau sama tinggi dengan ketinggian sebenar? Terangkan jawapan anda.
Jawapan: Jurulatih itu akan kelihatan lebih tinggi daripada ketinggian sebenarnya. Fenomena ini adalah kesan pembiasan cahaya apabila ia bergerak dari medium yang kurang tumpat (udara) ke medium yang lebih tumpat (air) untuk sampai ke mata penyelam. Sinar cahaya dari kepala jurulatih akan dibiaskan ke arah garis normal apabila memasuki air, manakala sinar dari kakinya merambat hampir serenjang dengan permukaan. Apabila otak penyelam mengekstrapolasi sinar-sinar ini dalam garis lurus, imej maya kepala jurulatih akan kelihatan pada kedudukan yang lebih tinggi daripada kedudukan sebenar. Ini menyebabkan imej jurulatih kelihatan “teregang” secara menegak dan kelihatan lebih tinggi.
3. Terangkan bagaimana gentian optik yang digunakan dalam bidang telekomunikasi dapat menghantar data dengan pantas dan selamat berbanding kabel kuprum.
Jawapan: Gentian optik menghantar data dalam bentuk isyarat cahaya. Ia terdiri daripada teras dalam (indeks biasan tinggi) yang dibalut oleh penyalut (indeks biasan rendah). Apabila isyarat cahaya memasuki teras pada sudut yang betul, ia akan mengalami pantulan dalam penuh secara berterusan di sepanjang gentian.
• Kelajuan: Isyarat cahaya bergerak pada kelajuan yang sangat tinggi, hampir kelajuan cahaya dalam vakum, membolehkan penghantaran data yang jauh lebih pantas berbanding isyarat elektrik dalam kabel kuprum.
• Keselamatan: Oleh kerana isyarat cahaya terperangkap sepenuhnya di dalam teras gentian, ia hampir mustahil untuk diceroboh atau diganggu dari luar tanpa memotong gentian secara fizikal. Isyarat ini juga tidak terjejas oleh gangguan elektromagnetik luar seperti kabel kuprum, menjadikan data lebih selamat dan bebas daripada gangguan.
4. Anda ditugaskan untuk mereka bentuk sebuah kanta pembesar yang berkuasa tinggi. Apakah ciri utama yang perlu ada pada kanta cembung yang anda pilih? Wajarkan pilihan anda.
Jawapan: Untuk sebuah kanta pembesar yang berkuasa tinggi, saya akan memilih kanta cembung yang tebal dan mempunyai panjang fokus (f) yang sangat pendek. Wajaran: Kanta pembesar berfungsi dengan meletakkan objek di dalam lingkungan panjang fokusnya (u < f) untuk menghasilkan imej maya, tegak, dan diperbesar. Pembesaran maksimum berlaku apabila objek diletakkan sangat dekat dengan titik fokus. Kanta yang lebih tebal mempunyai permukaan yang lebih melengkung, menyebabkan ia membiaskan cahaya dengan lebih kuat. Ini menghasilkan panjang fokus yang lebih pendek. Dengan panjang fokus yang pendek, objek boleh diletakkan sangat dekat dengan kanta dan masih berada dalam julat u < f, yang membolehkan pembesaran linear yang lebih tinggi dicapai.
5. Pembentukan pelangi melibatkan tiga proses optik utama. Namakan dan huraikan secara ringkas peranan setiap proses dalam pembentukan pelangi.
Jawapan: Tiga proses optik utama dalam pembentukan pelangi ialah pembiasan, penyebaran, dan pantulan dalam penuh.
1. Pembiasan dan Penyebaran (kali pertama): Apabila cahaya matahari (cahaya putih) memasuki titisan air hujan, ia melambat dan terbias. Oleh kerana indeks biasan air berbeza sedikit untuk setiap warna, cahaya putih akan terurai atau tersebar kepada komponen warnanya (spektrum), dengan warna ungu terbias paling banyak dan merah paling sedikit.
2. Pantulan Dalam Penuh: Warna-warna yang telah terpisah ini kemudian bergerak ke bahagian belakang permukaan dalam titisan air. Di sini, ia mengalami pantulan dalam penuh dan dipantulkan kembali ke arah hadapan titisan.
3. Pembiasan dan Penyebaran (kali kedua): Apabila sinar cahaya yang dipantulkan ini keluar dari titisan air kembali ke udara, ia mengalami pembiasan dan penyebaran sekali lagi. Ini meningkatkan lagi pemisahan antara warna-warna tersebut sebelum ia sampai ke mata pemerhati.