Memahami cahaya memungkinkan kita memahami bagaimana kita melihat, merasakan warna, dan bahkan mengoreksi penglihatan kita dengan lensa. bidangoptikmengacu pada studi tentang cahaya.
Apa Itu Cahaya?
Dalam percakapan sehari-hari, kata "cahaya" sering kali benar-benar berarticahaya tampak, yang merupakan jenis yang dirasakan oleh mata manusia. Namun, cahaya datang dalam banyak bentuk lain, yang sebagian besar tidak dapat dilihat oleh manusia.
Sumber dari semua cahaya adalah elektromagnetisme, interaksi medan listrik dan magnet yang menembus ruang.Gelombang cahayaadalah bentuk dariradiasi elektromagnetik; istilahnya dapat dipertukarkan. Secara khusus, gelombang elektromagnetik adalah osilasi yang merambat sendiri dalam medan listrik dan magnet.
Dengan kata lain, cahaya adalah getaran dalam medan elektromagnetik. Ini melewati ruang sebagai gelombang.
Tips
Kecepatan cahaya dalam ruang hampa adalah 3 × 108 m/s, kecepatan tercepat di alam semesta!
Ini adalah fitur unik dan aneh dari keberadaan kita bahwa tidak ada yang bergerak lebih cepat dari cahaya. Dan meskipun semua cahaya, baik terlihat atau tidak, bergerak dengan kecepatan yang sama, ketika bertemu
masalah, itu melambat. Karena cahaya berinteraksi dengan materi (yang tidak ada dalam ruang hampa), semakin padat materi, semakin lambat perjalanannya.Interaksi cahaya dengan materi mengisyaratkan karakteristik penting lainnya: sifat partikelnya. Salah satu fenomena paling aneh di alam semesta, cahaya sebenarnya adalah dua hal sekaligus: gelombang dan partikel. Inidualitas gelombang-partikelmembuat belajar ringan agak tergantung pada konteks.
Kadang-kadang, fisikawan merasa paling membantu untuk menganggap cahaya sebagai gelombang, menerapkannya banyak matematika dan sifat yang sama yang menggambarkan gelombang suara dan gelombang mekanis lainnya. Dalam kasus lain, pemodelan cahaya sebagai partikel lebih tepat, misalnya ketika mempertimbangkan hubungannya dengan tingkat energi atom atau jalur yang akan diambilnya saat memantul dari cermin.
Spektrum Elektromagnetik
Jika semua cahaya, terlihat atau tidak, secara teknis sama – radiasi elektromagnetik – apa yang membedakan satu jenis dengan jenis lainnya? Sifat gelombangnya
Gelombang elektromagnetik ada dalam spektrum panjang gelombang dan frekuensi yang berbeda. Sebagai gelombang, kecepatan cahaya mengikuti persamaan kecepatan gelombang, di mana kecepatannya sama dengan produk panjang gelombang dan frekuensi:
v-\lambda f
Dalam persamaan ini,vadalah kecepatan gelombang dalam meter per sekon (m/s),λadalah panjang gelombang dalam meter (m) danfadalah frekuensi dalam hertz (Hz).
Dalam kasus cahaya, ini dapat ditulis ulang dengan variabelcuntuk kecepatan cahaya dalam ruang hampa:
c=\lambda f
Tips
cadalah variabel khusus yang mewakili kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Di media lain (bahan), kecepatan cahaya dapat dinyatakan sebagai sebagian kecil daric.
Hubungan ini menyiratkan bahwa cahaya dapat memiliki kombinasi panjang gelombang atau frekuensi apa pun, asalkan nilainya berbanding terbalik dan produknya sama.c. Dengan kata lain, cahaya dapat memilikibesarfrekuensi dankecilpanjang gelombang, atau sebaliknya.
Pada panjang gelombang dan frekuensi yang berbeda, cahaya memiliki sifat yang berbeda. Jadi, para ilmuwan telah membagi spektrum elektromagnetik menjadi segmen-segmen yang mewakili sifat-sifat ini. Misalnya, frekuensi radiasi elektromagnetik yang sangat tinggi, seperti sinar ultraviolet, sinar-X atau sinar gamma, sangat energik – cukup untuk menembus dan merusak jaringan tubuh. Lainnya, seperti gelombang radio, memiliki frekuensi sangat rendah tetapi panjang gelombang tinggi, dan mereka melewati tubuh tanpa hambatan sepanjang waktu. (Ya, sinyal radio yang membawa lagu DJ favorit Anda melalui udara ke perangkat Anda adalah bentuk radiasi elektromagnetik – cahaya!)
Bentuk-bentuk radiasi elektromagnetik dari panjang gelombang yang lebih panjang/frekuensi rendah/energi rendah ke panjang gelombang yang lebih pendek/frekuensi tinggi/energi tinggi adalah:
- Gelombang radio
- Gelombang mikro
- Gelombang inframerah
- Cahaya tampak
- Sinar ultraviolet
- sinar X
- Sinar gamma
[masukkan diagram spektrum EM]
Spektrum Terlihat
Spektrum cahaya tampak mencakup panjang gelombang dari 380-750 nanometer (1 nanometer sama dengan 10-9 meter – sepersemiliar meter, atau sekitar diameter atom hidrogen). Bagian spektrum elektromagnetik ini mencakup semua warna pelangi – merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu – yang terlihat oleh mata.
[Sertakan diagram dengan ledakan spektrum yang terlihat]
Karena merah memiliki panjang gelombang terpanjang dari warna yang terlihat, ia juga memiliki frekuensi terkecil dan dengan demikian energi terendah. Hal sebaliknya berlaku untuk warna biru dan ungu. Karena energi warna tidak sama, begitu pula suhunya. Faktanya, pengukuran perbedaan suhu dalam cahaya tampak ini mengarah pada penemuan keberadaan cahaya laintak terlihatuntuk manusia.
Pada tahun 1800, Sir Frederick William Herschel merancang eksperimen untuk mengukur perbedaan suhu untuk berbagai warna sinar matahari yang dia pisahkan menggunakan prisma. Meskipun dia memang menemukan suhu yang berbeda di wilayah warna yang berbeda, dia terkejut melihat yang terpanas suhu semua tercatat pada termometer tepat di luar merah, di mana tampaknya tidak ada cahaya di semua. Ini adalah bukti pertama bahwa ada lebih banyak cahaya daripada yang bisa dilihat manusia. Dia menamai cahaya di wilayah iniinframerah, yang diterjemahkan langsung menjadi "di bawah merah".
Cahaya putih, biasanya yang dihasilkan oleh bola lampu standar, adalah kombinasi dari semua warna. Hitam, sebaliknya, adalahketiadaancahaya apapun – tidak benar-benar warna sama sekali!
Muka Gelombang dan Sinar
Insinyur dan ilmuwan optik mempertimbangkan cahaya dalam dua cara berbeda saat menentukan bagaimana ia akan memantul, bergabung, dan fokus. Kedua deskripsi tersebut diperlukan untuk memprediksi intensitas akhir dan lokasi cahaya saat fokus melalui lensa atau cermin.
Dalam satu kasus, ahli kacamata melihat cahaya sebagai rangkaianmuka gelombang transversal, yang mengulangi gelombang sinusoidal atau berbentuk S dengan puncak dan lembah. Ini adalahoptik fisikpendekatan, karena menggunakan sifat gelombang cahaya untuk memahami bagaimana cahaya berinteraksi dengan dirinya sendiri dan mengarah pada pola interferensi, sama seperti gelombang di air dapat mengintensifkan atau membatalkannya keluar yang lain.
Optik fisik dimulai setelah tahun 1801 ketika Thomas Young menemukan sifat gelombang cahaya. Ini membantu untuk menjelaskan cara kerja instrumen optik seperti kisi difraksi, yang memisahkan spektrum cahaya menjadi panjang gelombang komponennya, dan lensa polarisasi, yang menghalangi panjang gelombang.
Cara lain untuk memikirkan cahaya adalah sebagaisinar, balok yang mengikuti lintasan garis lurus. Sinar digambarkan sebagai garis lurus yang berasal dari sumber cahaya dan menunjukkan arah perjalanan cahaya. Mengekspresikan cahaya sebagai sinar berguna dalamoptik geometris, yang lebih berhubungan dengan sifat partikel cahaya.
Menggambar diagram sinar yang menunjukkan jalur cahaya sangat penting untuk merancang alat pemfokus cahaya seperti lensa, prisma, mikroskop, teleskop, dan kamera. Optik geometris telah ada lebih lama dari optik fisik – pada tahun 1600, era Sir Isaac Newton, lensa korektif untuk penglihatan adalah hal yang biasa.