Waves, Sound, and Physical Optics · ⁨Gelombang, Suara, dan Optik Fisik⁩

Tujuan Pembelajaran 14.1.A: Deskripsikan sifat fisik gelombang dan pulsa gelombang.

• 14.1.A.1 Gelombang mentransfer energi antara dua lokasi tanpa memindahkan materi antara lokasi-lokasi tersebut.
  • 14.1.A.1.i Pulsa gelombang adalah gangguan tunggal yang mentransfer energi tanpa memindahkan materi antara dua lokasi.
  • 14.1.A.1.ii Gelombang dimodelkan sebagai gangguan kontinu dan periodik dengan panjang gelombang dan frekuensi yang terdefinisi dengan jelas.
• 14.1.A.2 Gelombang mekanis atau pulsa gelombang memerlukan medium tempat merambat. Gelombang elektromagnetik atau pulsa gelombang tidak memerlukan medium tempat merambat.
• 14.1.A.3 Kecepatan perambatan gelombang atau pulsa gelombang melalui suatu medium bergantung pada jenis gelombang dan sifat medium tersebut.
  • 14.1.A.3.i Kecepatan semua gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa adalah konstanta fisika universal, $c = 3.00 \times 10^{8}$ m/s.
  • 14.1.A.3.ii Kecepatan perambatan pulsa gelombang atau gelombang sepanjang tali bergantung pada tegangan tali, $F_T$, dan massa per satuan panjang tali.
    • Persamaan: $v_{\text{string}} = \sqrt{\dfrac{F_T}{m/\ell}}$
  • 14.1.A.3.iii Dalam suatu medium tertentu, kecepatan gelombang suara meningkat seiring dengan kenaikan suhu medium.
• 14.1.A.4 Pada gelombang transversal, arah gangguan tegak lurus terhadap arah perambatan gelombang.
• 14.1.A.5 Pada gelombang longitudinal, arah gangguan sejajar dengan arah perambatan gelombang.
  • 14.1.A.5.i Gelombang suara dimodelkan sebagai gelombang longitudinal mekanis.
  • 14.1.A.5.ii Daerah bertekanan tinggi dan rendah dalam gelombang suara disebut kompresi dan regangan, masing-masing.
• 14.1.A.6 Amplitudo adalah simpangan maksimum gelombang dari posisi kesetimbangannya.
  • 14.1.A.6.i Amplitudo gelombang tekanan longitudinal dapat ditentukan dari peningkatan atau penurunan maksimum tekanan dari tekanan kesetimbangan.
  • 14.1.A.6.ii Kerasnya bunyi meningkat seiring dengan bertambahnya amplitudo.
  • 14.1.A.6.iii Energi yang dibawa oleh gelombang meningkat seiring dengan bertambahnya amplitudo.

Tujuan Pembelajaran 14.2.A: Deskripsikan sifat fisik gelombang periodik.

• 14.2.A.1 Gelombang periodik memiliki pengulangan teratur yang dapat dijelaskan menggunakan periode dan frekuensi.
  • 14.2.A.1.i Periode adalah waktu untuk satu osilasi lengkap gelombang.
  • 14.2.A.1.ii Frekuensi adalah laju berulang gelombang.
    • Persamaan: $T = \dfrac{1}{f}$
  • 14.2.A.1.iii Amplitudo gelombang tidak bergantung pada periode dan frekuensi gelombang tersebut.
  • 14.2.A.1.iv Energi gelombang meningkat seiring dengan bertambahnya frekuensi.
  • 14.2.A.1.v Frekuensi gelombang suara berkaitan dengan nadanya.
  • 14.2.A.1.vi Panjang gelombang adalah jarak antar posisi berkorespondensi yang bersesuaian secara berurutan (seperti puncak atau lembah) pada gelombang.
• 14.2.A.2 Gelombang sinusoidal dapat dijelaskan melalui persamaan perpindahan dari kesetimbangan pada suatu lokasi tertentu sebagai fungsi waktu. Gelombang juga dapat dijelaskan melalui persamaan perpindahan dari kesetimbangan pada waktu tertentu sebagai fungsi posisi.
  • Persamaan: $x(t) = A\cos(\omega t) = A\cos(2\pi f t)$
  • Persamaan: $y(x) = A\cos\left(2\pi \dfrac{x}{\lambda}\right)$
• 14.2.A.3 Untuk gelombang periodik, panjang gelombang berbanding lurus dengan kecepatan gelombang dan berbanding terbalik dengan frekuensi gelombangnya.
  • Persamaan: $\lambda = \dfrac{v}{f}$

Tujuan Pembelajaran 14.3.A: Deskripsikan interaksi antara gelombang dan batas.

• 14.3.A.1 Gelombang yang merambat dari satu medium ke medium lain dapat ditransmisikan atau dipantulkan, tergantung pada sifat batas pemisah kedua medium tersebut.
  • 14.3.A.1.i Gelombang yang merambat dari satu medium ke medium lain (misalnya, gelombang yang merambat antara tali bermassa rendah dan tinggi) akan menghasilkan gelombang pantul dan gelombang transmisi.
  • 14.3.A.1.ii Gelombang pantul terbalik jika gelombang transmisi merambat masuk ke medium di mana kecepatan gelombangnya menurun.
  • 14.3.A.1.iii Gelombang pantul tidak terbalik jika gelombang transmisi merambat masuk ke medium di mana kecepatan gelombaknya meningkat.
  • 14.3.A.1.iv Frekuensi gelombang tidak berubah ketika merambat dari satu medium ke medium lain.
• 14.3.A.2 Gelombang transversal yang dipantulkan dari permukaan, dibiaskan melalui medium, atau melewati bukaan tertentu dapat terpolarisasi.
  • 14.3.A.2.i Gelombang transversal dapat terpolarisasi dan bergetar dalam satu bidang tunggal.
  • 14.3.A.2.ii Gelombang longitudinal tidak dapat terpolarisasi.
• 14.3.A.3 Polarisasi gelombang dapat menyebabkan penurunan intensitas gelombang.
  • 14.3.A.3.i Intensitas adalah ukuran jumlah daya yang ditransfer per satuan luas.
  • 14.3.A.3.ii Intensitas gelombang adalah rata-rata daya per satuan luas selama satu periode gelombang.

Tujuan Pembelajaran 14.4.A: Deskripsikan sifat-sifat gelombang elektromagnetik.

• 14.4.A.1 Gelombang elektromagnetik terdiri dari medan listrik dan medan magnet yang berosilasi dan saling tegak lurus.
  • 14.4.A.1.i Gelombang elektromagnetik adalah gelombang transversal karena osilasi medan listrik dan medan magnet tegak lurus terhadap arah rambatnya.
  • 14.4.A.1.ii Gelombang elektromagnetik umumnya diasumsikan sebagai gelombang bidang, yang dikarakteristikkan oleh muka gelombang planar.
• 14.4.A.2 Gelombang elektromagnetik tidak memerlukan medium untuk merambat.
• 14.4.A.3 Kategori gelombang elektromagnetik dikarakteristikkan oleh panjang gelombangnya.
  • 14.4.A.3.i Kategori gelombang elektromagnetik meliputi (berurutan berdasarkan penurunan panjang gelombang, mencakup rentang dari kilometer hingga pikometer) gelombang radio, mikrogelombang, inframerah, tampak, ultraviolet, sinar-X, dan sinar gamma.
  • 14.4.A.3.ii Gelombang elektromagnetik tampak dibagi lagi menjadi kategori warna, termasuk (berurutan berdasarkan penurunan panjang gelombang) merah, oranye, kuning, hijau, biru, dan ungu.
  • 14.4.A.3.iii Gelombang elektromagnetik tampak juga disebut cahaya. Terkadang, semua gelombang elektromagnetik dari berbagai panjang gelombang secara kolektif disebut sebagai cahaya atau radiasi elektromagnetik.

Pernyataan Batas: AP Physics 2 mengharapkan siswa mengetahui urutan spektrum elektromagnetik (termasuk cahaya tampak). Namun, siswa tidak diharapkan mendefinisikan rentang panjang gelombang yang tepat dalam spektrum elektromagnetik.

Tujuan Pembelajaran 14.5.A: Deskripsikan sifat gelombang berdasarkan gerakan relatif antara sumber gelombang dan pengamat gelombang.

• 14.5.A.1 Efek Doppler menggambarkan hubungan antara frekuensi diam sumber gelombang, frekuensi yang diamati dari sumber, dan kecepatan relatif sumber dan pengamat.
• 14.5.A.2 Kecepatan relatif yang lebih besar menghasilkan perbedaan terukur yang lebih besar antara frekuensi yang diamati dan frekuensi diam.
  • 14.5.A.2.i Untuk sumber gelombang yang bergerak dengan kecepatan yang sama seperti pengamat, frekuensi yang diamati sama dengan frekuensi diam.
  • 14.5.A.2.ii Untuk sumber gelombang yang bergerak mendekati pengamat, frekuensi yang diamati lebih besar daripada frekuensi diam.
  • 14.5.A.2.iii Untuk sumber gelombang yang menjauhi pengamat, frekuensi yang diamati lebih kecil daripada frekuensi diam.

Pernyataan Batas: Hanya perlakuan kualitatif efek Doppler yang diperlukan untuk AP Physics 2.

Tujuan Pembelajaran 14.6.A: Deskripsikan gangguan total yang terjadi ketika dua atau lebih denyut gelombang atau gelombang tumpang tindih.

• 14.6.A.1 Interferensi gelombang adalah interaksi dua atau lebih denyut gelombang atau gelombang.
• 14.6.A.2 Ketika dua atau lebih denyut gelombang atau gelombang berinteraksi satu sama lain, mereka merambat menembus satu sama lain dan tumpang tindih alih-alih memantul satu sama lain.
• 14.6.A.3 Ketika dua atau lebih denyut gelombang atau gelombang tumpang tindih, perpindahan yang dihasilkan dapat ditentukan dengan menjumlahkan perpindahan individu. Hal ini disebut superposisi.
• 14.6.A.4 Interferensi gelombang dapat bersifat konstruktif atau destruktif.
  • 14.6.A.4.i Ketika perpindahan dari denyut gelombang atau gelombang yang bersuperposisi berada dalam arah yang sama, interaksi tersebut disebut interferensi konstruktif.
  • 14.6.A.4.ii Ketika perpindahan dari denyut gelombang atau gelombang yang bersuperposisi berada dalam arah yang berlawanan, interaksi tersebut disebut interferensi destruktif.
  • 14.6.A.4.iii Dua atau lebih denyut gelombang atau gelombang yang merambat dapat berinteraksi sedemikian rupa sehingga menghasilkan variasi amplitudo dalam denyut gelombang atau gelombang hasil.
• 14.6.A.5 Representasi visual dari denyut gelombang atau gelombang berguna dalam menentukan hasil dari dua denyut gelombang atau gelombang yang berinteraksi.
• 14.6.A.6 Beat muncul dari penjumlahan dua gelombang dengan frekuensi yang sedikit berbeda.
  • 14.6.A.6.i Gelombang dengan frekuensi yang berbeda terkadang sefasa dan terkadang tidak sefasa di sepanjang lokasi pada gelombang, menyebabkan perubahan amplitudo periodik pada gelombang resultan.
  • 14.6.A.6.ii Frekuensi beat adalah selisih dari frekuensi kedua gelombang tersebut.
    • Persamaan: $\left|f_{\text{beat}}\right| = \left|f_1 - f_2\right|$
  • 14.6.A.6.iii Garpu tala adalah perangkat yang umum digunakan untuk mendemonstrasikan frekuensi beat.

Tujuan Pembelajaran 14.6.B: Jelaskan sifat-sifat gelombang berdiri.

• 14.6.B.1 Gelombang berdiri dapat timbul dari interferensi antara dua gelombang yang terkurung di suatu daerah dan merambat ke arah berlawanan.
  • 14.6.B.1.i Gelombang berdiri memiliki nodus dan antinodus. Nodus adalah titik pada gelombang berdiri di mana amplitudonya selalu nol. Antinodus adalah titik pada gelombang berdiri di mana amplitudonya selalu maksimum.
  • 14.6.B.1.ii Panjang gelombang yang mungkin terjadi pada gelombang berdiri ditentukan oleh ukuran dan kondisi batas daerah tempat gelombang itu terkurung.
  • 14.6.B.1.iii Daerah umum di mana gelombang berdiri dapat terbentuk meliputi pipa dengan ujung terbuka atau tertutup, serta dawai dengan ujung tetap atau longgar.
• 14.6.B.2 Gelombang berdiri dengan panjang gelombang terpanjang disebut fundamental atau harmonik pertama. Panjang gelombang terpanjang kedua biasanya disebut harmonik kedua, panjang gelombang terpanjang ketiga disebut harmonik ketiga, dan seterusnya. Namun, untuk gelombang berdiri dengan nodus di satu ujung dan antinodus di ujung lainnya, hanya harmonik ganjil yang dapat terbentuk.
• 14.6.B.3 Representasi visual dari gelombang berdiri berguna dalam menentukan hubungan antara panjang daerah, panjang gelombang, frekuensi, kecepatan rambat gelombang, dan harmonik.

Tujuan Pembelajaran 14.7.A: Jelaskan perilaku gelombang dan pola difraksi yang dihasilkan dari gelombang yang melewati satu celah tunggal.

• 14.7.A.1 Difraksi adalah penyebaran gelombang di sekitar tepi penghalang atau melalui sebuah celah.
• 14.7.A.2 Difraksi paling nyata ketika ukuran celah sebanding dengan panjang gelombang gelombang tersebut.
• 14.7.A.3 Difraksi beberapa muka gelombang melalui satu celah tunggal menghasilkan pola interferensi yang dapat diamati.
• 14.7.A.4 Difraksi sering didemonstrasikan oleh cahaya monokromatik dengan panjang gelombang $\lambda$ yang mengenai celah sempit dengan lebar $a$ yang berjarak $L$ dari layar.
  • 14.7.A.4.i Interferensi konstruktif dan destruktif dari beberapa muka gelombang yang berasal dari celah akan menghasilkan pita terang dan gelap pada layar.
  • 14.7.A.4.ii Besarnya interferensi antara dua muka gelombang bergantung pada perbedaan panjang lintasan $\Delta D$ dari muka gelombang tersebut.
  • 14.7.A.4.iii Perbedaan panjang lintasan $\Delta D$ dapat dijelaskan dalam hal lebar celah $a$ dan sudut $\theta$ antara arah perambatan muka gelombang dan normal terhadap celah menggunakan persamaan $\Delta D = a\sin\theta$.
  • 14.7.A.4.iv Untuk sudut kecil, di mana $\theta < 10°$, pendekatan sudut kecil dapat digunakan untuk menghubungkan $\lambda$, $a$, dan $L$ dengan $y_{\min}$, jarak dari tengah pita terang sentral ke orde $m^{\text{th}}$ kecerahan minimum pada layar.
    • Persamaan: $a\left(\dfrac{y_{\min}}{L}\right) \approx m\lambda$
• 14.7.A.5 Pola difraksi yang dihasilkan oleh gelombang yang melewati celah bergantung pada bentuk celah tersebut.
• 14.7.A.6 Representasi visual dari pola difraksi celah tunggal berguna dalam menentukan sifat fisik celah dan gelombang yang berinteraksi.

Tujuan Pembelajaran 14.8.A: Jelaskan perilaku gelombang dan pola difraksi yang dihasilkan dari gelombang yang melewati banyak celah.

• 14.8.A.1 Pola yang dihasilkan dari cahaya monokromatik dengan panjang gelombang $\lambda$ yang mengenai dua celah berjarak $d$ disebabkan oleh kombinasi difraksi gelombang dan interferensi gelombang.
  • 14.8.A.1.i Ketika hanya mempertimbangkan interferensi gelombang, celah ganda menciptakan pola maksimum dengan jarak yang seragam.
  • 14.8.A.1.ii Interferensi konstruktif dan destruktif dari muka gelombang yang berasal dari setiap celah akan menghasilkan pita terang dan gelap pada layar.
  • 14.8.A.1.iii Besarnya interferensi antara dua muka gelombang bergantung pada perbedaan panjang lintasan $\Delta D$ dari muka gelombang tersebut.
  • 14.8.A.1.iv Perbedaan panjang lintasan $\Delta D$ dapat dijelaskan dalam hal pemisahan celah $d$ dan sudut $\theta$ antara arah perambatan muka gelombang dan normal terhadap celah menggunakan persamaan $\Delta D = d\sin\theta$.
  • 14.8.A.1.v Untuk sudut kecil, di mana $\theta < 10°$, pendekatan sudut kecil dapat digunakan untuk menghubungkan $\lambda$, $d$, dan $L$ dengan $y_{\max}$, jarak dari tengah pita terang sentral ke orde $m^{\text{th}}$ kecerahan maksimum pada layar.
    • Persamaan: $d\left(\dfrac{y_{\max}}{L}\right) \approx m\lambda$
  • 14.8.A.1.vi Saat mempertimbangkan interferensi gelombang dan difraksi gelombang, celah ganda menciptakan pola interferensi maksimum dan minimum yang tersusun di dalam amplop yang diciptakan oleh difraksi celah tunggal.
• 14.8.A.2 Pola interferensi yang dihasilkan oleh cahaya yang berinteraksi dengan celah ganda menunjukkan bahwa cahaya memiliki sifat gelombang. Sumber penemuan ini adalah eksperimen celah ganda Young.
• 14.8.A.3 Representasi visual dari pola difraksi celah ganda berguna dalam menentukan sifat fisik celah dan gelombang yang berinteraksi.
• 14.8.A.4 Kisi difraksi adalah kumpulan celah atau bukaan sejajar yang teratur yang menghasilkan pola interferensi yang merupakan kombinasi dari banyak pola difraksi yang saling menumpuk.
• 14.8.A.5 Ketika cahaya putih jatuh pada kisi difraksi, maksimum pusatnya berwarna putih dan maksimum orde lebih tinggi menyebarkan cahaya putih menjadi pelangi warna, dengan cahaya berpanjang gelombang terpanjang (merah) muncul paling jauh dari maksimum pusat.

Tujuan Pembelajaran 14.9.A: Jelaskan perilaku cahaya yang berinteraksi dengan lapisan tipis.

• 14.9.A.1 Ketika cahaya merambat dari satu medium ke medium lain, sebagian cahaya diteruskan, sebagian dipantulkan, dan sebagian diserap.
• 14.9.A.2 Perubahan fasa sinar pantul bergantung pada indeks bias relatif bahan dengan mana sinar tersebut berinteraksi.
  • 14.9.A.2.i Perubahan fasa sebesar 180 derajat terjadi ketika sinar cahaya dipantulkan dari medium dengan indeks bias yang lebih besar daripada medium tempat sinar tersebut merambat.
  • 14.9.A.2.ii Tidak ada perubahan fasa yang terjadi ketika sinar cahaya dipantulkan dari medium dengan indeks bias yang lebih rendah daripada medium tempat sinar tersebut merambat.
• 14.9.A.3 Fasa gelombang tidak berubah ketika mengalami pembiasan saat berpindah dari satu medium ke medium lain.
• 14.9.A.4 Interferensi lapisan tipis terjadi ketika cahaya berinteraksi dengan medium yang ketebalannya sebanding dengan panjang gelombang cahayanya.
  • 14.9.A.4.i Interaksi antara cahaya pantul awal dan cahaya yang keluar dari lapisan tipis setelah dipantulkan dari antarmuka kedua menunjukkan perilaku interferensi gelombang, menghasilkan satu gelombang yang merupakan jumlah dari dua gelombang yang berinteraksi.
  • 14.9.A.4.ii Besarnya interferensi konstruktif atau destruktif antara dua gelombang pantul bergantung pada hubungan antara ketebalan lapisan, panjang gelombang cahaya, pergeseran fasa apa pun, dan sudut di mana cahaya datang mengenai lapisan.
• 14.9.A.5 Contoh praktis interferensi lapisan tipis meliputi variasi warna yang terlihat pada gelembung sabun dan lapisan minyak, serta lapisan anti-pantulan.
  • 14.9.A.5.i Spektrum warna yang diamati pada lapisan minyak dan gelembung sabun timbul dari perbedaan ketebalan lapisan.
  • 14.9.A.5.ii Lapisan anti-pantulan menghilangkan cahaya pantul dengan menerapkan hubungan antara indeks bias, pergeseran fasa, dan interferensi gelombang untuk menciptakan interferensi destruktif cahaya yang dipantulkan dari dua permukaan lapisan.
  • 14.9.A.5.iii Lapisan anti-pantulan paling sederhana memiliki ketebalan sama dengan seperempat dari panjang gelombang cahaya dalam lapisan tersebut, dan indeks bias lapisan lebih besar daripada udara dan lebih kecil daripada permukaan tempat lapisan diterapkan. Ini mengasumsikan cahaya datang tegak lurus terhadap permukaan.

Pernyataan Batasan: Analisis kuantitatif interferensi lapisan tipis terbatas pada gelombang yang tegak lurus terhadap permukaan datang.