Contoh soalan dan formula untuk gelombang cahaya dalam optik fizikal
Ciri-ciri cahaya
1. Cahaya ialah gelombang elektromagnet, oleh itu cahaya….
A. Tidak mengalami pantulan
B. Tidak mengalami pembiasan
C. Tidak memerlukan medium penyebaran
D. Tidak membawa tenaga dalam perambatannya
Perbincangan
Cahaya ialah gelombang, oleh itu, ia mengalami pantulan, pembiasan, dan membawa tenaga semasa perambatannya, sama seperti gelombang lain. Cahaya ialah gelombang elektromagnet, jadi ia tidak memerlukan medium untuk perambatan.
Jawapan yang betul ialah C.
2. Beri perhatian kepada pernyataan berikut:
1. Cahaya bergerak dalam garis lurus
2. Cahaya ialah gelombang elektromagnet
3. Cahaya boleh diserap
4. Cahaya membawa cas elektrik
Pernyataan yang benar tentang sifat-sifat cahaya adalah...
A. pernyataan 1 sahaja
B. pernyataan 1 dan 2
C. pernyataan 1, 2 dan 3
D. semua pernyataan adalah benar
Perbincangan
1. Cahaya bergerak dalam garis lurus.
Pernyataan ini benar kerana walaupun cahaya bergerak seperti gelombang melintang, laluan cahaya adalah garis lurus. Dalam topik optik geometri (pantulan dan pembiasan cahaya), cahaya digambarkan sebagai sinar yang laluan gerakannya adalah garis lurus.
2. Cahaya ialah gelombang elektromagnet:
Pernyataan ini benar kerana cahaya ialah gelombang elektromagnet, di mana perambatan cahaya tidak memerlukan medium.
3. Cahaya boleh diserap:
Pernyataan ini benar. Cahaya adalah sejenis gelombang elektromagnet. Semua gelombang, baik mekanikal mahupun elektromagnet, membawa tenaga semasa ia bergerak dari satu lokasi ke lokasi lain. Oleh itu, sebahagian daripada tenaga cahaya boleh diserap oleh medium yang dilaluinya. Contohnya, apabila cahaya bergerak ke arah cermin satah, kebanyakan cahaya dipantulkan, tetapi sebahagian kecil diserap oleh cermin.
4. Cahaya membawa cas elektrik:
Pernyataan ini salah. Cahaya ialah gelombang elektromagnet, dan gelombang elektromagnet dihasilkan oleh medan elektrik dan magnet yang berayun. Gelombang elektromagnet dipancarkan oleh cas elektrik yang memecut.
Jawapan yang betul ialah C.
Pantulan sempurna
3. Gambar di sebelah kanan menunjukkan batu permata berlian yang sangat mahal kerana cahaya yang dipantulkan oleh berlian itu sangat berkilauan. Fenomena ini disebabkan oleh…
A. pembiasan sempurna di mana cahaya masuk dari medium yang kurang tumpat ke medium yang lebih tumpat
B. pembiasan sempurna di mana sudut tuju lebih kecil daripada sudut sempadan
C. pantulan sempurna di mana cahaya datang dari medium yang kurang tumpat ke medium yang lebih tumpat
D. pantulan sempurna di mana sudut tuju lebih besar daripada sudut sempadan
Perbincangan
Cahaya daripada berlian kelihatan berkilauan disebabkan oleh penyebaran cahaya dan pantulan yang sempurna. Pantulan sempurna berlaku apabila cahaya bergerak dari medium dengan indeks biasan yang lebih tinggi ke medium dengan indeks biasan yang lebih rendah. Contohnya, cahaya bergerak dari berlian (dengan indeks biasan yang lebih tinggi) ke udara (dengan indeks biasan yang lebih rendah). Untuk lebih memahami perkara ini, teliti imej di bawah.
Apabila cahaya bergerak dari medium dengan indeks biasan yang besar ke medium dengan indeks biasan yang kecil, cahaya dibengkokkan menjauhi garis normal. Jika sudut tuju (i) lebih besar maka sudut biasan (r) juga lebih besar. Pada sudut tuju tertentu, sudut biasan ialah 90o. Sudut tuju apabila sudut biasan ialah 90o dipanggil sudut genting (θk) atau sudut had. Jika sudut tuju lebih besar daripada sudut genting atau sudut had maka tiada cahaya dibiaskan; semua cahaya dipantulkan.
Jawapan yang betul ialah D.
4. Soalan Olimpiad Sains Kebangsaan 2011 untuk Sekolah Menengah Rendah di Peringkat Daerah/Bandar No. 39
Fenomena berikut, yang merupakan gejala pantulan sempurna, ialah….
A. pelangi
B. fatamorgana
Tasik berwarna C.
D. astigmatisme
Perbincangan
Fatamorgana dipanggil fenomena pantulan sempurna kerana dalam proses ini, tiada cahaya yang datang dari udara dibiaskan oleh permukaan jalan tetapi kelihatan seolah-olah semua cahaya dipantulkan oleh permukaan jalan. Fatamorgana berlaku kerana cahaya bergerak melalui lapisan udara yang mempunyai indeks biasan yang berbeza disebabkan oleh ketumpatan lapisan udara yang berbeza. Pada hakikatnya, cahaya tidak dipantulkan oleh permukaan jalan tetapi dibiaskan (dibengkokkan) oleh lapisan udara yang mempunyai indeks biasan yang berbeza.
Jawapan yang betul ialah B.
5. Soalan Olimpiad Sains Kebangsaan 2010 untuk Sekolah Menengah Rendah di Peringkat Daerah/Bandar No. 30
Pemandangan tumpahan minyak di permukaan jalan berturap pada hari yang panas pada dasarnya merupakan peristiwa refleksi sepenuhnya kerana….
A. Indeks biasan lapisan atas udara adalah lebih besar daripada lapisan bawah.
B. Indeks biasan lapisan atas udara adalah lebih kecil daripada lapisan bawah.
C. Titisan air memantulkan warna yang berbeza pada sudut pantulan yang berbeza.
D. Titisan air membiaskan warna yang berbeza pada sudut biasan yang berbeza.
Perbincangan
Pemandangan seperti tumpahan minyak di jalan raya berturap pada hari yang panas adalah contoh fatamorgana. Fatamorgana berlaku disebabkan oleh perbezaan indeks biasan antara lapisan udara berhampiran jalan raya dan lapisan udara di atasnya.
Pada hari yang panas, permukaan jalan memanaskan udara tepat di atasnya, menjadikan lapisan udara tepat di atas permukaan jalan lebih panas daripada lapisan udara di hulu. Lapisan udara yang lebih panas mengalami pengembangan isipadu yang lebih besar, menjadikannya kurang tumpat (ketumpatan yang lebih rendah). Sebaliknya, lapisan udara yang kurang panas di atasnya mengalami pengembangan isipadu yang lebih sedikit, menjadikannya lebih tumpat (ketumpatan yang lebih tinggi). Jadi lapisan udara bawah kurang tumpat, manakala lapisan udara atas lebih tumpat.
Oleh kerana lapisan udara di bahagian bawah (lebih dekat dengan permukaan jalan) kurang tumpat, cahaya bergerak lebih pantas apabila melaluinya, manakala lapisan udara di bahagian atas lebih tumpat jadi cahaya bergerak lebih perlahan apabila melaluinya.
Formula untuk indeks biasan ialah: n = c / v, di mana n ialah indeks biasan, c = kelajuan cahaya dalam vakum = malar = 3 x 108 m/s, v = halaju cahaya dalam medium. Berdasarkan formula ini, c ditetapkan supaya jika v menjadi lebih besar maka n menjadi lebih kecil dan sebaliknya jika v berkurangan maka n menjadi lebih besar.
Cahaya bergerak lebih pantas di lapisan udara bawah (v besar) supaya lapisan udara bawah mempunyai indeks biasan yang lebih kecil (n kecil) manakala cahaya bergerak lebih perlahan di lapisan udara atas (v kecil) supaya lapisan udara atas mempunyai indeks biasan yang lebih besar (n besar).
Jawapan yang betul ialah A.
indeks biasan
6. Satu pancaran cahaya yang boleh dilihat mempunyai panjang gelombang 510 nm di udara. Jika pancaran cahaya memasuki medium dengan indeks biasan 1,5, panjang gelombangnya berubah kepada….
A. 680 nm
B. 510 nm
C. 340 nm
D. 170 nm
Perbincangan
Adalah diketahui bahawa:
Panjang gelombang (λ) = 510 nm = 510 x 10-9 meter
Indeks biasan (n) = 1,5
Soalan: Panjang gelombang (λ) berubah kepada….
Jawapan:
Panjang gelombang (λ) berubah kepada 340 nanometer.
Jawapan yang betul ialah C.
7. Seekor ikan kelihatan di dasar laut sebuah kolam yang jernih, kedalaman kolam itu ialah 2 meter, indeks biasan kolam itu ialah 4/3. Jika ikan itu dilihat hampir serenjang dengan permukaan kolam, sejauh manakah ikan itu kelihatan dari permukaan kolam?
A. 1 meter dari permukaan kolam
B. 1,5 meter dari permukaan kolam
C. 2 meter dari permukaan kolam
D. 2,67 meter dari permukaan kolam
Perbincangan
Adalah diketahui bahawa:
Indeks biasan kolam = 4/3
Kedalaman kolam = 2 meter
Soalan: Sejauh manakah ikan-ikan itu dapat dilihat dari permukaan kolam?
Jawapan:
Jarak ketara = 1 : n (jarak nyata)
Jarak ketara = 1 : 4/3 (2 meter)
Jarak ketara = 1 x 3/4 (2 meter)
Jarak ketara = 3/4 (2 meter)
Jarak ketara = 6/4
Jarak ketara = 1,5 meter
Jarak ikan yang boleh dilihat dari permukaan kolam = 1,5 meter
Jawapan yang betul ialah B.
8. Cahaya boleh dipancarkan dalam saluran yang indeks biasannya relatif kepada persekitaran ialah….
A. > 1
B. = 1
C. < 1
D. = 0
Perbincangan
Indeks biasan vakum = 1,0000
Indeks biasan sesuatu medium adalah lebih besar daripada indeks biasan vakum.
Jawapan yang betul ialah A.
Penyebaran cahaya
9. Sudut penyebaran ialah sudut antara dua warna cahaya monokromatik yang berlaku sekiranya….
A. pengkutuban cahaya
B. penyerapan cahaya
C. penyebaran cahaya
D. pembelauan cahaya
Perbincangan
Cahaya monokromatik ialah cahaya yang mempunyai satu warna atau panjang gelombang. Cahaya putih, seperti cahaya matahari, ialah gabungan semua warna, setiap satunya mempunyai panjang gelombang atau frekuensi yang berbeza. Pecahan cahaya putih kepada spektrum yang boleh dilihat (merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila dan ungu) dipanggil penyebaran cahaya.
Penyebaran cahaya boleh dicapai melalui prisma, titisan air atau objek lain. Pelangi merupakan contoh penyebaran cahaya dalam kehidupan seharian, di mana cahaya matahari disebarkan oleh titisan hujan.
Jawapan yang betul ialah C.
10. Soalan Olimpiad Sains Kebangsaan 2011 untuk Sekolah Menengah Rendah di Peringkat Daerah/Bandar No. 60
Pelangi muncul sebagai reben berwarna-warni berbentuk seperti bulatan separa. Susunan empat warna pelangi di bawah yang betul, dari jejari terkecil hingga terbesar, ialah…
A. merah, oren, kuning, hijau
B. biru, ungu, hijau, kuning
C. hijau, biru, nila, ungu
D. nila, biru, hijau, kuning
Perbincangan
Susunan warna pelangi ialah merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila dan ungu.
Cahaya merah mempunyai panjang gelombang terpanjang, manakala cahaya ungu mempunyai yang terpendek. Pesongan setiap warna cahaya bergantung pada panjang gelombangnya.
Apabila cahaya matahari putih disebarkan oleh titisan hujan, cahaya dengan panjang gelombang yang lebih panjang kurang terpesong, manakala cahaya dengan panjang gelombang yang lebih pendek lebih terpesong. Cahaya merah paling kurang terpesong kerana panjang gelombangnya lebih panjang, manakala cahaya ungu paling banyak terpesong kerana panjang gelombangnya lebih pendek, seperti yang ditunjukkan dalam rajah di bawah. Oleh itu, mata pemerhati melihat cahaya merah di bahagian atas dan cahaya ungu di bahagian bawah.
Semua warna cahaya pelangi berbentuk separa bulat, di mana bulatan cahaya merah berada di bahagian atas jadi ia mempunyai jejari terbesar, manakala bulatan cahaya ungu berada di bahagian bawah jadi ia mempunyai jejari terkecil.
Urutan warna cahaya dari jejari terbesar hingga jejari terkecil adalah merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, ungu.
Jawapan yang betul ialah D.
11. Warna-warna cerah daripada lapisan minyak di permukaan air berlaku kerana peristiwa...
A. gangguan
B. pengkutuban
C. penyebaran
D. pembelauan
Perbincangan
Jawapan yang betul ialah C.
