Gelombang, bunyi & optika: latihan soal dengan penyelesaian langkah demi langkah

Latihan soal Gelombang, bunyi & optika gratis dengan diagram, petunjuk, dan pembahasan lengkap. Nilai baru setiap kali, dalam tiga tingkat: kelajuan gelombang, tingkat bunyi, dan pembiasan, gelombang berdiri, lensa, dan Doppler, interferensi, kisi, cermin, dan serat.

Soal latihan gratisMudah
λ = ?

Cahaya dengan panjang gelombang 650 nm dalam vakum memasuki air (n = 1,33). Carilah panjang gelombangnya λ di dalam bahan.

n = 1,33λ0 = 650 nm
nm
Soal berikutnya →

Yang Anda latih

  1. Mudahkelajuan gelombang, tingkat bunyi, dan pembiasan
  2. Sedanggelombang berdiri, lensa, dan Doppler
  3. Sulitinterferensi, kisi, cermin, dan serat

Cara menyelesaikan soal Gelombang, bunyi & optika

  1. Kenali jenis soalnya: kelajuan gelombang, tingkat bunyi, gelombang berdiri, Doppler, pembiasan, lensa atau cermin, atau interferensi.
  2. Tulis dulu hubungannya: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) atau n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
  3. Ubah satuan: nm, mm, dan cm ke m, dan periksa apakah sudut diukur dari garis normal.
  4. Periksa tanda dan kewajaran: bayangan maya memiliki dᵢ < 0, sumber yang mendekat terdengar lebih tinggi, pipa tertutup hanya memiliki harmonik ganjil.

Kesalahan umum

  • Mengukur sudut dari permukaan dan bukan dari garis normal.
  • Memakai 20·log untuk intensitas atau menjumlahkan desibel secara langsung.
  • Menaruh kelajuan sumber di pembilang rumus Doppler.
  • Mengabaikan konvensi tanda untuk lensa cekung dan cermin cembung.
  • Membulatkan orde kisi tertinggi ke bilangan bulat terdekat dan bukan ke bawah.

Rumus utama

Kelajuan gelombang
v = fλ, T = 1/f
Tali
v = √(T/μ), μ = m/L
Tingkat bunyi
β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
Sumber titik
I = P/(4πr²)
Gelombang berdiri
tali atau pipa terbuka fn = n·v/(2L); pipa tertutup fn = n·v/(4L), n ganjil
Efek Doppler
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
Indeks bias
n = c/v, λ = λ0/n
Hukum Snell
n1sin θ1 = n2sin θ2
Sudut kritis
sin θc = n2/n1
Serat optik
NA = sin θa = √(n1² − n2²)
Lensa dan cermin
1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
Celah ganda
d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
Kisi
d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
Celah tunggal
a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

Pelajari Gelombang, bunyi & optika dari nol

Sebelum ini: Pegas & bandul

1Apa itu gelombang

Gelombang membawa energi dari satu tempat ke tempat lain tanpa membawa materi: medium hanya berosilasi. Pada tali atau air geraknya transversal (tegak lurus arah rambat); bunyi di udara longitudinal (searah rambatnya).

λAv = fλ

Panjang gelombang λ adalah panjang satu siklus penuh, periode T waktu satu siklus, dan frekuensi f = 1/T. Dalam satu periode gelombang bergerak sejauh satu panjang gelombang, sehingga:

v = fλ dawai: v = √(T/μ), μ = m/L

Bunyi di udara merambat dengan kelajuan sekitar 343 m/s, cahaya dengan c = 3,00 × 10⁸ m/s. Kelajuan bergantung pada medium, bukan pada frekuensi.

Tes mandiri Bunyi 686 Hz merambat dengan kelajuan 343 m/s. Berapa panjang gelombangnya?
  1. 0,002 m
  2. 0,5 m
  3. 2 m
  4. 235 000 m

Jawaban: 0,5 m. λ = v/f = 343/686 = 0,5 m. Membagi dengan cara sebaliknya memberi 2 m, dan mengalikan memberi angka yang sangat besar.

2Tingkat bunyi dan efek Doppler

Telinga kita merespons intensitas I (W/m²) pada skala logaritmik, sehingga kenyaringan dinyatakan dalam desibel:

β = 10·log₁₀(I/I₀) I₀ = 10⁻¹² W/m²

Intensitas sepuluh kali lipat menambah 10 dB; dua sumber identik menambah sekitar 3 dB. Sumber kecil menyebarkan dayanya di atas bola, I = P/(4πr²), sehingga jarak dua kali lipat menurunkan tingkat bunyi sekitar 6 dB.

Ketika sumber dan pendengar saling mendekat, nada naik; ketika saling menjauh, nada turun (efek Doppler):

f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)

Pakai tanda atas untuk gerak saling mendekat. Kelajuan pendengar berada di pembilang, kelajuan sumber di penyebut.

3Gelombang berdiri

Gelombang yang dipantulkan di kedua ujung tali berinterferensi menjadi gelombang berdiri. Tali yang terikat di kedua ujungnya memiliki simpul di ujung-ujungnya dan memuat setengah panjang gelombang bulat:

n = 1n = 2n = 3
L = nλ/2 fₙ = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, …

Pipa terbuka di kedua ujungnya mengikuti aturan yang sama. Pipa tertutup di satu ujung memiliki simpul di ujung tertutup dan perut di ujung terbuka, sehingga hanya harmonik ganjil yang muat: fₙ = n·v/(4L) dengan n = 1, 3, 5, …

Tes mandiri Pipa tertutup di satu ujung memiliki frekuensi dasar 100 Hz. Frekuensi manakah di bawah ini yang juga dapat dihasilkannya?
  1. 150 Hz
  2. 200 Hz
  3. 300 Hz
  4. 50 Hz

Jawaban: 300 Hz. Pipa tertutup hanya memiliki harmonik ganjil: 100, 300, 500 Hz, … 200 Hz memerlukan n = 2, yang tidak dapat dimuat pipa tertutup.

4Pembiasan dan lensa

Cahaya melambat di kaca atau air dengan faktor n = c/v (indeks bias). Pada batas dua medium, sinar berubah arah (hukum Snell), dengan sudut diukur dari garis normal:

θ₁θ₂n₁n₂ > n₁
n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ sudut kritis: sin θc = n₂/n₁

Dari medium rapat ke medium kurang rapat melewati θc, semua cahaya dipantulkan (pemantulan sempurna). Serat optik memandu cahaya dengan cara ini.

FFd₀dᵢ

Lensa tipis dan cermin lengkung mengikuti satu persamaan, dengan perbesaran m = −dᵢ/d₀:

1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ

Tanda: f > 0 untuk lensa cembung dan cermin cekung (f = R/2), f < 0 untuk lensa cekung dan cermin cembung. dᵢ positif berarti bayangan nyata, dᵢ negatif bayangan maya; m < 0 berarti bayangan terbalik.

5Interferensi dan difraksi

Cahaya dari dua celah sempit berjarak d saling tumpang tindih pada layar berjarak L. Di tempat selisih lintasan d·sin θ sama dengan bilangan bulat panjang gelombang, gelombang saling menguatkan: pita terang.

d·sin θ = mλ yₘ = mλL/d Δy = λL/d

Kisi difraksi memiliki banyak celah: N garis per mm berarti d = 1/N mm. Maksimumnya tajam dan berjauhan, dan orde tertingginya adalah bilangan bulat m terbesar dengan m ≤ d/λ. Celah tunggal selebar a memiliki pita gelap pada a·sin θ = mλ, sehingga maksimum pusatnya selebar 2λL/a.

6Contoh soal lengkap

Ikuti setiap langkah. Cobalah menebak langkah berikutnya sebelum membukanya.

Contoh soal

Sebuah benda berada 30 cm di depan lensa cembung dengan f = 10 cm. Cari jarak bayangan dan perbesarannya.

1

Persamaan lensa

1/dᵢ = 1/f − 1/d₀ = 1/10 − 1/30 = 2/30

Jadi dᵢ = 15 cm.

2

Sifat bayangan

dᵢ positif, jadi bayangannya nyata: terbentuk di sisi seberang lensa dan dapat ditangkap pada layar.

3

Perbesaran

m = −dᵢ/d₀ = −15/30 = −0,5

Bayangan terbalik dan berukuran setengah benda.

4

Periksa dengan sketsa

Sinar yang sejajar sumbu dibiaskan melalui F di sisi seberang; sinar yang melalui pusat lensa lurus terus. Keduanya berpotongan 15 cm di belakang lensa, di bawah sumbu.

Jawaban

dᵢ = 15 cm dan m = −0,5: bayangan nyata, terbalik, dan berukuran setengah.

Tes mandiri Sebuah benda berada 5 cm di depan lensa cembung dengan f = 10 cm. Bayangan apa yang terbentuk?
  1. Maya dan tegak, di sisi yang sama dengan benda
  2. Nyata dan tegak, di sisi yang sama
  3. Nyata dan terbalik, di sisi seberang
  4. Tidak ada bayangan: sinar keluar sejajar

Jawaban: Maya dan tegak, di sisi yang sama dengan benda. 1/dᵢ = 1/10 − 1/5 = −1/10, jadi dᵢ = −10 cm: jarak bayangan negatif berarti bayangan maya, dan m = +2 berarti tegak dan diperbesar. Beginilah cara kerja kaca pembesar.

7Kesalahan umum dan soal ujian

  • Mengukur sudut dari permukaan dan bukan dari garis normal.
  • Memakai 10·log untuk amplitudo atau 20·log untuk intensitas: intensitas memakai 10·log.
  • Memberikan harmonik genap untuk pipa tertutup.
  • Menghilangkan tanda minus pada bayangan maya atau lensa cekung.
  • Lupa mengubah nm, mm, dan cm ke meter pada soal interferensi.
  • Mudah: v = fλ, gelombang pada tali, tingkat bunyi, hukum Snell, dan kelajuan cahaya dalam suatu bahan.
  • Sedang: gelombang berdiri pada tali dan dalam pipa, sudut kritis, lensa tipis, efek Doppler, dan hukum kuadrat terbalik.
  • Sulit: celah ganda, kisi, celah tunggal, cermin, sistem dua lensa, gema dari benda bergerak, dan serat optik.

Pelajari selangkah demi selangkah di aplikasiPelajari selangkah demi selangkah di aplikasi

Contoh dengan pembahasan

Contoh 1Mudah
λ = 0,343 mv = ?f = 1 kHz

Gelombang bunyi di udara memiliki frekuensi 1 kHz dan panjang gelombang 0,343 m. Carilah kelajuannya v.

f = 1 kHzλ = 0,343 m

Tentukan v (m/s)

Tampilkan petunjuk
  1. Gelombang bergerak satu panjang gelombang dalam satu periode T = 1/f.
  2. v = fλ.
  3. f = 1000 Hz.
Tampilkan jawaban dan penyelesaian langkah demi langkah

Gelombang: gelombang periodik bergerak satu panjang gelombang dalam satu periode, jadi v = fλ dengan T = 1/f. Pada tali yang direntangkan v = √(T/μ), dengan T tegangan tali dan μ = m/L massa per meter. Bunyi di udara merambat sekitar 343 m/s pada 20 °C, cahaya dalam vakum pada c = 3,00 × 10⁸ m/s. Kenyaringan diukur pada skala logaritmik: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB dengan I₀ = 10⁻¹² W/m², jadi intensitas 10 kali lipat menambah 10 dB. Sumber titik menyebarkan dayanya P di atas bola: I = P/(4πr²).

Kelajuan gelombang

v = fλ = 1000·0,343 = 343 m/s

Jawaban

v = 343 m/s
Contoh 2Sedang
L = ?n = 3

Pipa terbuka di kedua ujungnya harus memiliki harmonik ke-3 pada 686 Hz. Kelajuan bunyi adalah 343 m/s. Carilah panjang pipa L.

v = 343 m/sn = 3f3 = 686 Hz

Tentukan L (m)

Tampilkan petunjuk
  1. f = n·v/(2L).
  2. Selesaikan untuk L.
  3. λ = v/f = 0,5 m.
Tampilkan jawaban dan penyelesaian langkah demi langkah

Gelombang berdiri dan efek Doppler: tali yang terikat di kedua ujungnya, atau pipa terbuka di kedua ujungnya, memuat setengah panjang gelombang bulat: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … Pipa tertutup di satu ujung memiliki simpul di ujung tertutup dan perut di ujung terbuka: L = nλ/4 dengan n ganjil saja, fn = n·v/(4L). Ketika sumber atau pengamat bergerak sepanjang garis di antara keduanya, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): pakai tanda atas untuk gerak saling mendekat. Dua gelombang dengan frekuensi hampir sama berpelayangan pada |f₁ − f₂|.

Panjang gelombang

λ = v/f = 343/686 = 0,5 m

Panjang

L = nλ/2 = 3·0,5/2 = 0,75 m

Jawaban

L = 0,75 m
Contoh 3Sulit
θa​ = ?n1​ = 1,52n2​ = 1,49n0​ = 1,00

Serat optik memiliki inti dengan n₁ = 1,52 dan selubung dengan n₂ = 1,49. Carilah sudut terbesar θa terhadap sumbu serat tempat cahaya dari udara dapat masuk ke ujung serat dan tetap dipandu oleh pemantulan dalam sempurna.

n1 = 1,52n2 = 1,49n0 = 1,00

Tentukan θa (°)

Tampilkan petunjuk
  1. Di dalam inti sinar harus mengenai selubung minimal pada sudut kritis: sin θc = n₂/n₁.
  2. Di muka masuk, sin θa = n₁·cos θc = √(n₁² − n₂²) = NA.
  3. n₁² − n₂² = 0,0903.
Tampilkan jawaban dan penyelesaian langkah demi langkah

Optika geometri: pada batas dua medium, n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (hukum Snell), dengan sudut diukur dari garis normal dan n = c/v. Memasuki medium yang lebih lambat, sinar membelok mendekati normal. Dari medium yang lebih rapat (n₁ > n₂) melewati sudut kritis θc = arcsin(n₂/n₁) semua cahaya dipantulkan: pemantulan dalam sempurna. Lensa tipis dan cermin bola mengikuti 1/f = 1/do + 1/di dengan perbesaran m = −di/do. Konvensi tanda: f > 0 untuk lensa cembung dan cermin cekung (f = R/2), f < 0 untuk lensa cekung dan cermin cembung; di > 0 untuk bayangan nyata, di < 0 untuk bayangan maya, dan m < 0 untuk bayangan terbalik.

Sudut kritis pada selubung

sin θc = 1,49/1,52 = 0,9803 → θc = 78,6°

Apertur numerik

NA = √(1,52² − 1,49²) = 0,3005

Sudut penerimaan

θa = arcsin(0,3005) = 17,49°

Jawaban

θa = 17,49°

Tanya jawab

Apa itu Gelombang, bunyi & optika?

Gelombang membawa energi dari satu tempat ke tempat lain tanpa membawa materi: medium hanya berosilasi. Pada tali atau air geraknya transversal (tegak lurus arah rambat); bunyi di udara longitudinal (searah rambatnya).

Bunyi di udara merambat dengan kelajuan sekitar 343 m/s, cahaya dengan c = 3,00 × 10⁸ m/s. Kelajuan bergantung pada medium, bukan pada frekuensi.

Bagaimana cara menyelesaikan soal Gelombang, bunyi & optika langkah demi langkah?
  1. Kenali jenis soalnya: kelajuan gelombang, tingkat bunyi, gelombang berdiri, Doppler, pembiasan, lensa atau cermin, atau interferensi.
  2. Tulis dulu hubungannya: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) atau n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
  3. Ubah satuan: nm, mm, dan cm ke m, dan periksa apakah sudut diukur dari garis normal.
  4. Periksa tanda dan kewajaran: bayangan maya memiliki dᵢ < 0, sumber yang mendekat terdengar lebih tinggi, pipa tertutup hanya memiliki harmonik ganjil.
Apa kesalahan yang sering terjadi pada Gelombang, bunyi & optika?
  • Mengukur sudut dari permukaan dan bukan dari garis normal.
  • Memakai 20·log untuk intensitas atau menjumlahkan desibel secara langsung.
  • Menaruh kelajuan sumber di pembilang rumus Doppler.
  • Mengabaikan konvensi tanda untuk lensa cekung dan cermin cembung.
  • Membulatkan orde kisi tertinggi ke bilangan bulat terdekat dan bukan ke bawah.
Apa saja yang dilatih dalam soal Gelombang, bunyi & optika?
  • Mudah: kelajuan gelombang, tingkat bunyi, dan pembiasan
  • Sedang: gelombang berdiri, lensa, dan Doppler
  • Sulit: interferensi, kisi, cermin, dan serat

Setiap soal memakai nilai baru, sehingga Anda mempelajari metodenya, bukan menghafal jawabannya. Buntu? Buka petunjuk kecil terlebih dahulu, dan penjelasan lengkap hanya jika Anda membutuhkannya.

Cara kerja latihan

  • Setiap soal memakai nilai baru, sehingga Anda mempelajari metodenya, bukan menghafal jawabannya.
  • Buntu? Buka petunjuk kecil terlebih dahulu, dan penjelasan lengkap hanya jika Anda membutuhkannya.
  • Kemajuan, kesalahan, dan soal tersimpan Anda disimpan, sehingga Anda dapat mengulasnya sebelum ujian.

Topik sebelum dan sesudah ini

Pelajari dulu

Mata kuliah dengan topik ini

Topik lain di Fisika

Lembar kerja yang dapat dicetak