Nota Sains Tambahan Tingkatan 5 Bab 6: Gelombang
RINGKASAN
Ringkasan Konsep Utama (Nota Sains Tambahan Tingkatan 5 Bab 6: Gelombang)
1. Penghasilan dan Sifat Asas Gelombang
Gelombang ialah satu proses pemindahan tenaga dari satu lokasi ke lokasi lain tanpa pemindahan jirim. Ia dihasilkan oleh pergerakan berayun atau bergetar akibat daya luar.
• Sistem Ayunan: Gerakan pergi dan balik secara berkala pada satu lintasan melalui satu titik tetap. Contohnya, ayunan bandul ringkas.
• Sistem Getaran: Pergerakan yang menghasilkan gelombang. Contohnya, getaran tala bunyi.
• Ciri-ciri Gelombang:
◦ Amplitud (A): Sesaran maksimum daripada kedudukan keseimbangan.
◦ Tempoh (T): Masa yang diambil untuk melengkapkan satu ayunan.
◦ Frekuensi (f): Bilangan ayunan lengkap dalam masa satu saat. Unitnya ialah Hertz (Hz). Hubungannya dengan tempoh ialah: f = 1/T.
◦ Panjang Gelombang (λ): Jarak antara dua puncak atau dua lembangan yang berturutan.
◦ Laju Gelombang (v): Kelajuan perambatan gelombang. Formulanya ialah: v = fλ.
2. Jenis-jenis Gelombang
Terdapat dua jenis gelombang utama berdasarkan arah getaran zarah medium berbanding arah perambatan tenaga.
• Gelombang Melintang: Zarah medium bergetar pada arah yang berserenjang dengan arah perambatan gelombang.
◦ Contoh: Gelombang air, gelombang cahaya, gelombang elektromagnet.
• Gelombang Membujur: Zarah medium bergetar pada arah yang selari dengan arah perambatan gelombang. Ia terdiri daripada kawasan mampatan (C) dan regangan (R).
◦ Contoh: Gelombang bunyi.
3. Pelembapan dan Resonans
• Pelembapan: Penyusutan amplitud bagi suatu sistem ayunan akibat kehilangan tenaga. Ia boleh disebabkan oleh:
◦ Pelembapan Luar: Rintangan luar seperti rintangan udara (contoh: ayunan buaian yang semakin perlahan).
◦ Pelembapan Dalam: Geseran antara molekul-molekul dalam sistem (contoh: penyerap hentakan kenderaan).
• Resonans: Berlaku apabila suatu sistem dipaksa berayun oleh daya luar pada frekuensi yang sama dengan frekuensi aslinya. Ini menyebabkan sistem berayun pada amplitud maksimum.
◦ Aplikasi: Menala siaran radio atau televisyen, penghasilan bunyi daripada gitar.
◦ Kesan Negatif: Runtuhan Jambatan Gantung Tacoma akibat angin yang meniup pada frekuensi asli jambatan.
4. Sifat-sifat Gelombang (Fenomena Gelombang)
Terdapat empat fenomena utama yang boleh dialami oleh gelombang.
1. Pantulan: Berlaku apabila gelombang terkena halangan dan mengubah arah perambatannya. Ia mematuhi Hukum Pantulan: sudut tuju (i) = sudut pantulan (r). Frekuensi, panjang gelombang, dan laju tidak berubah.
2. Pembiasan: Perubahan arah perambatan gelombang apabila ia bergerak dari satu medium ke medium lain yang berbeza kedalaman atau ketumpatan. Ini menyebabkan perubahan pada laju dan panjang gelombang, tetapi frekuensi kekal malar. Contohnya, gelombang air bergerak dari kawasan dalam ke kawasan cetek menjadi lebih perlahan.
3. Pembelauan: Penyebaran gelombang apabila ia melalui satu celah atau melepasi satu penghalang. Kesan pembelauan lebih ketara jika saiz celah atau halangan lebih kecil atau sama dengan panjang gelombang (λ ≥ a). Amplitud berkurang selepas pembelauan kerana tenaga disebarkan.
4. Interferens: Kesan superposisi (gabungan) dua atau lebih gelombang koheren (frekuensi sama, beza fasa tetap) yang bertemu.
◦ Interferens Membina: Puncak bertemu puncak atau lembangan bertemu lembangan, menghasilkan amplitud maksimum.
◦ Interferens Memusnah: Puncak bertemu lembangan, menghasilkan amplitud sifar.
5. Gelombang Mekanik dan Elektromagnet
| Ciri-ciri | Gelombang Mekanik | Gelombang Elektromagnet |
| Keperluan Medium | Memerlukan medium (pepejal, cecair, atau gas) untuk merambat. Tidak boleh merambat dalam vakum. | Tidak memerlukan medium. Boleh merambat dalam vakum. |
| Jenis Gelombang | Boleh jadi gelombang melintang (cth: gelombang air) atau membujur (cth: gelombang bunyi). | Hanya gelombang melintang. |
| Kelajuan | Bergantung pada medium. Contoh: laju bunyi di udara ≈ 330 m s⁻¹. | Laju cahaya dalam vakum adalah malar, c = 3.0 × 10⁸ m s⁻¹. |
| Contoh | Gelombang bunyi, gelombang air, gelombang pada spring slinki. | Gelombang radio, gelombang mikro, cahaya nampak, sinar-X, sinar gama. |
| Penghasilan | Dihasilkan oleh getaran jirim. | Dihasilkan oleh getaran medan elektrik dan medan magnet yang berserenjang antara satu sama lain. |
Spektrum Elektromagnet: Adalah satu siri susunan gelombang elektromagnet mengikut urutan panjang gelombang (berkurang) atau frekuensi (bertambah).
GLOSARI
| Istilah | Definisi |
| Amplitud (A) | Sesaran maksimum sesuatu zarah dari kedudukan keseimbangannya. |
| Ayunan | Gerakan pergi dan balik secara berkala dalam satu lintasan pada satu titik yang tetap. |
| Frekuensi (f) | Bilangan ayunan lengkap yang terhasil dalam masa satu saat. Unit S.I. ialah Hertz (Hz). |
| Frekuensi Asli | Frekuensi sistem yang berayun secara bebas tanpa tindakan daya luaran. |
| Gelombang | Proses pemindahan tenaga dari satu lokasi ke lokasi lain yang dihasilkan oleh gerakan berayun atau bergetar, tanpa pemindahan jirim. |
| Gelombang Elektromagnet | Gelombang yang boleh merambat tanpa medium, terhasil daripada getaran medan elektrik dan medan magnet. |
| Gelombang Mekanik | Gelombang yang memerlukan medium (seperti pepejal, cecair, atau gas) untuk merambat. |
| Gelombang Membujur | Gelombang di mana getaran zarah medium adalah selari dengan arah perambatan gelombang (cth: gelombang bunyi). |
| Gelombang Melintang | Gelombang di mana getaran zarah medium adalah berserenjang dengan arah perambatan gelombang (cth: gelombang cahaya). |
| Getaran | Pergerakan suatu objek yang menghasilkan gelombang. |
| Interferens | Kesan superposisi (gabungan) dua atau lebih gelombang yang koheren apabila bertemu dan bertindih. |
| Interferens Membina | Interferens yang berlaku apabila puncak bertemu puncak atau lembangan bertemu lembangan, menghasilkan amplitud maksimum. |
| Interferens Memusnah | Interferens yang berlaku apabila puncak bertemu lembangan, menghasilkan amplitud sifar. |
| Panjang Gelombang (λ) | Jarak antara dua puncak atau dua lembangan yang berturutan pada satu gelombang. |
| Pantulan | Fenomena apabila gelombang dipantulkan selepas terkena suatu halangan, menyebabkan perubahan arah perambatan. |
| Pembelauan | Kesan penyebaran gelombang apabila ia merambat melalui suatu celah atau penghalang. |
| Pembiasan | Perubahan arah perambatan gelombang apabila ia bergerak dari satu medium ke medium yang lain. |
| Pelembapan | Penyusutan amplitud bagi suatu sistem ayunan akibat kehilangan tenaga kepada persekitaran. |
| Resonans | Fenomena yang berlaku apabila sistem dipaksa berayun pada frekuensi yang sama dengan frekuensi aslinya, menyebabkan ayunan pada amplitud maksimum. |
| Tempoh (T) | Masa yang diambil untuk melengkapkan satu ayunan atau satu kitaran gelombang. |
CONTOH SOALAN KBAT
Soalan Kemahiran Berfikir Aras Tinggi (KBAT)
Bahagian ini mengandungi soalan-soalan yang memerlukan analisis, penilaian, dan penaakulan kritis berdasarkan maklumat yang terdapat dalam teks.
Soalan 1: Bahan komposit seperti konkrit yang diperkukuh digunakan secara meluas dalam pembinaan bangunan pencakar langit dan jambatan. Berdasarkan pemahaman anda tentang sifat bahan komposit, jelaskan mengapa gabungan keluli dan konkrit adalah lebih baik berbanding menggunakan salah satu bahan tersebut secara tunggal untuk struktur mega ini.
Jawapan: Menggabungkan keluli dan konkrit untuk menghasilkan konkrit yang diperkukuh adalah lebih baik kerana ia memanfaatkan kekuatan kedua-dua bahan asal sambil mengatasi kelemahan masing-masing. Menurut teks, konkrit sahaja adalah kuat tetapi tidak tahan gegaran dan rapuh di bawah beban yang sangat besar. Manakala keluli pula sangat kuat tetapi boleh berkarat. Apabila digabungkan, batang keluli di dalam konkrit memberikan kekuatan tegangan yang tinggi dan keupayaan untuk menahan gegaran, manakala konkrit melindungi keluli daripada kakisan dan menyediakan kekuatan mampatan yang sangat baik. Hasilnya ialah bahan komposit yang sangat kuat, kukuh, tahan lama, dan mampu menyokong beban yang amat besar, menjadikannya ideal untuk pembinaan struktur mega seperti Menara Berkembar Petronas dan jambatan.
Soalan 2: Kemajuan teknologi yang pesat telah menyebabkan peningkatan sisa elektronik (e-sisa) yang memberi impak buruk kepada alam sekitar. Wajarkan dua strategi pengurusan sisa lestari yang boleh dilaksanakan untuk menangani masalah pelupusan sisa elektronik, dengan mengambil kira isu-isu yang dikenal pasti dalam teks sumber.
Jawapan: Dua strategi pengurusan sisa lestari yang boleh dilaksanakan adalah:
1. Program Kitar Semula dan Pemulihan Bahan: Daripada melupuskan sisa elektronik melalui pembakaran terbuka yang membebaskan gas beracun, karbon dioksida, dan karbon monoksida, satu program kitar semula yang teratur boleh diwujudkan. Program ini akan mengasingkan komponen elektronik, memulihkan logam berharga dan bahan lain yang boleh diguna semula, serta melupuskan bahan toksik dengan cara yang selamat. Ini secara langsung mengurangkan pencemaran udara dan kesan rumah hijau yang disebut dalam teks.
2. Memperkenalkan Konsep ‘Tanggungjawab Pengeluar Lanjutan’ (EPR – Extended Producer Responsibility): Strategi ini meletakkan tanggungjawab kepada pengeluar peralatan elektronik untuk menguruskan produk mereka pada akhir hayatnya. Pengeluar boleh digalakkan atau diwajibkan untuk mereka bentuk produk yang lebih mudah dibaiki, tahan lebih lama, dan boleh dikitar semula. Mereka juga bertanggungjawab untuk menyediakan pusat pengumpulan bagi produk lama. Ini menangani punca masalah, iaitu gaya hidup masyarakat yang mengejar teknologi baharu dengan pantas, dengan menggalakkan kitaran hayat produk yang lebih panjang dan mengurangkan kadar penghasilan sisa.
Soalan 3: Superkonduktor mempunyai keupayaan unik untuk mengalirkan arus elektrik tanpa rintangan pada suhu genting yang sangat rendah. Nilaikan potensi dan cabaran untuk menggunakan bahan superkonduktor dalam sistem pendawaian elektrik domestik berbanding aplikasinya dalam teknologi khusus seperti kereta api Maglev.
Jawapan: Potensi: Penggunaan superkonduktor dalam pendawaian domestik secara teorinya sangat berpotensi mengurangkan kehilangan tenaga secara drastik, kerana ia tidak menghasilkan haba dan boleh menampung arus yang besar. Ini akan membawa kepada penjimatan elektrik yang signifikan di peringkat isi rumah. Cabaran: Cabaran utama ialah keperluan untuk mengekalkan suhu pada atau di bawah “suhu genting”, yang sangat rendah. Mencapai dan mengekalkan suhu serendah ini di dalam setiap rumah memerlukan sistem penyejukan yang kompleks, mahal, dan tidak praktikal untuk kegunaan harian. Kos bahan superkonduktor seperti YBCO juga tinggi. Oleh itu, walaupun ia sangat efisien, kos dan kerumitan teknikal menjadikannya tidak berdaya maju untuk aplikasi domestik pada masa ini. Sebaliknya, dalam aplikasi khusus seperti kereta api Maglev, faedah (seperti keupayaan menghasilkan medan magnet yang sangat kuat untuk mengapungkan kereta api) mengatasi kos dan kerumitan sistem penyejukan yang boleh dipasang secara berpusat pada kenderaan dan landasan.
Soalan 4: Teks menyatakan bahawa tiub nanokarbon mempunyai ciri-ciri unggul seperti sangat kuat, ringan, dan pengalir haba serta elektrik yang baik. Bayangkan anda seorang saintis bahan. Pilih satu produk sedia ada yang tidak disebut dalam teks dan cadangkan bagaimana anda boleh menambah baik produk tersebut menggunakan tiub nanokarbon, serta jelaskan bagaimana ciri-ciri unggul tersebut menyumbang kepada penambahbaikan itu.
Jawapan: Produk yang boleh ditambah baik ialah bingkai basikal lumba. Penambahbaikan: Tiub nanokarbon boleh digabungkan dengan bahan komposit sedia ada (seperti gentian karbon) untuk menghasilkan bingkai basikal yang lebih ringan dan kuat secara eksponen. Sumbangan Ciri-ciri:
• Kekuatan dan Ketahanan Tinggi: Ciri ini akan menjadikan bingkai basikal lebih tahan lasak terhadap tekanan dan hentaman semasa perlumbaan berintensiti tinggi, mengurangkan risiko kegagalan struktur.
• Sifat Ringan: Ini adalah ciri paling penting. Bingkai yang lebih ringan akan mengurangkan berat keseluruhan basikal, membolehkan pelumba mencapai kelajuan yang lebih tinggi dengan usaha yang kurang, memberikan kelebihan kompetitif yang besar.
• Kekonduksian Haba: Walaupun kurang kritikal, keupayaan mengalirkan haba boleh membantu menyebarkan haba yang terhasil daripada geseran, walaupun impaknya mungkin kecil. Gabungan ciri-ciri ini akan menghasilkan basikal lumba yang lebih laju, lebih selamat, dan lebih efisien berbanding model sedia ada.
Soalan 5: Polimer sintetik seperti plastik dihargai kerana sifatnya yang ringan, kuat, dan lengai. Namun, ia menimbulkan cabaran besar kepada kelestarian alam sekitar. Dengan merujuk kepada konsep Teknologi Hijau yang disebut dalam teks, wajarkan mengapa pembangunan dan penggunaan bioplastik adalah satu langkah penting ke arah melestarikan alam sekitar.
Jawapan: Pembangunan dan penggunaan bioplastik adalah penting untuk kelestarian alam sekitar kerana ia secara langsung menangani kelemahan utama polimer sintetik konvensional. Teks menyatakan bahawa sisa elektronik (yang kebanyakannya mengandungi plastik) adalah bahan bukan terbiodegradasi. Bioplastik, yang dihasilkan daripada polimer semula jadi seperti kanji, direka untuk menjadi terbiodegradasi atau boleh dikompos. Ini bermakna ia boleh terurai secara semula jadi dalam alam sekitar, mengurangkan masalah pengumpulan sisa plastik di tapak pelupusan sampah dan lautan. Dengan menggantikan plastik berasaskan petroleum dengan bioplastik, kita mengurangkan kebergantungan kepada sumber yang tidak boleh diperbaharui dan mengurangkan jejak karbon yang berkaitan dengan pengeluaran dan pelupusan plastik konvensional, selaras dengan matlamat Teknologi Hijau untuk melestarikan alam sekitar.