EKSPERIMEN FISIKA 1 KECEPATAN CAHAYA DI
LAPORAN PRAKTIKUM EKSPERIMEN FISIKA 1
( KECEPATAN CAHAYA DI UDARA )
Diajukan untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah Eksperimen Fisika 1
Dosen pengampu : Drs. David Edison Tarigan, M.Si.
Disusun oleh :
Eka Fitri Rahayu
(1507104)
Teman Sekelompok :
Seli Nurpianti
(1506036)
PELAKSANAAN PERCOBAAN :
Hari/Tgl/Jam : Rabu/ 18 Oktober 2017/ 07.00 – 08.40 WIB
DEPARTEMEN PENDIDIKAN FISIKA
FAKULTAS PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA
2017
EKSPERIMEN 3 KECEPATAN CAHAYA DI UDARA
A. Tujuan Percobaan
Menentukan kecepatan cahaya di udara
B. Dasar Teori
Cahaya merupakan gelombang elektromagnetik yang merambat dalam
suatu medium vakum, karena cahaya merupakan gelombang elektromagnetik
yang dirambatkan, Hal tersebut menghendaki pandangan yang sungguhsungguh dan menimbulkan pertanyaan, “Berapa cepatkah cahaya merambat?”.
Usaha pertama untuk mengukur laju cahaya dilakukan oleh Galieo. Ia
dan seorang kawannya berdiri pada puncak bukit dengan jarak yang
ditentukan
dengam
masing-masing
memegang
sebuah
lentera
dan
penutupnya. Galileo mengukur waktu yang dibutuhkan oleh cahaya untuk
bergerak bolak-balik antara mereka berdua. Mula-mula temannya membuka
penutup lenteranya dan ketika yang lain melihat cahaya, maka ia akan
membuka penutup lenteranya juga. Waktu orang pertama untuk melihat
kembali cahaya dari yang lain setelah ia membuka lenteranya akan menjadi
waktu yang dibutuhkan cahaya. Percobaan ini memang masuk akal, namun
gagal karena kecepatan cahaya terlalu besar sehingga jarak waktu yang akan
diukur sangat kecil dibandingkan fluktuasi dalam waktu tanggapan manusia.
Indikasi pertama dalam pengukuran besaran yang benar akan laju
cahaya datang dari pengamatan astronomis dari mengukur waktu antara dua
gerhana periode satelit Jupiter Io. Periode gerhana kira-kira 42.5 jam, tetapi
pengukuran yang dibuat ketika bumi mendekati jupiter sepanjang lintasan
ABC memberikan nilai yang lebih besar pada periode ini dibandingkan
dengan pengukuran-pengukuran yang dibuat ketika bumi mendekati jupiter
sepanjang lintasan CDA. Karen pengukuran hanya berselisih 15 sekon dari
nilai rata-rata, ketidakcocokannya sulit diukur secara akurat. Pada tahun 1675,
astronomi Ole Romer menghubungkan ketidakcocokan ini dengan fakta
bahwa laju cahaya tak terbatas. Selama 42.5 jam antara dua gerhana dari
satelit jupiter, jarak antara bumi dan jupiter berubah yang membuat lintasan
bagi cahaya memanjang maupun memendek. Romer merancang metode untuk
mengukur efek kumulatif dari ketidakcocokan-ketidakcocokan ini. Karena
jupiter bergerak jauh lebih lambat dibandingkan bumi, kita dapat
mengabaikan gerakannya. Ketika bumi dititik A, terdekat ke Jupiter jarak
antara bumi dan jupiter sedikit berubah. Periode gerhana Io diukur,
memberikan waktu antara dua permulaan gerhana-gerhana sesudahnya.
Berdasarkan pengukuran ini, banyaknya gerhana dalam 6 bulan dihitung, dan
waktu saat sebuah gerhana harus mulai setengah tahun berikutnya ketika bumi
di titik C diprediksikan. Saat bumi benar-benar berada di C, permulaan
gerhana yang diamati kira-kira 16.6 menit lebih lambat dari yang
diprediksikan. Inilah saat yang diperlukan bagi cahaya untuk memulai sebuah
jarak yang sama dengan diameter orbit bumi.
Pengukuran cahaya secara non astronomis mula-mula dilakukan oleh
fisikawan Perancis, Fizeau pada tahun 1849. Diatas sebuah bukit di Paris , ia
menempatkan sebuah sumber cahaya dan sebuah sistem lensa yang diatur
sedemikian rupa sehingga cahaya yang direfleksikan dari sebuah cermin
semitransparan difokuskan pada sebuah celah didalam sebuah roda gigi.
Diatas sebuah bukit yang tingginya kira-kira 8.63 m dari bukit pertama, ia
menempatkan sebuah cermin untuk memantulkan kembali cahaya agar dapat
dilihat oleh pengamat. Roda bergerigi tersebut diputar, lalu laju putaran
diubah- ubah. Pada laju putar yang rendah, tidak ada cahaya yang dapat
dilihat karena cahaya yang dipantulkan terhalang oleh energi roda yang
berputar tersebut. Kemudian laju putaran diperbesar, tiba-tiba cahaya dapat
dilihat ketika laju putaran sedemikian rupa sehingga cahaya yang dipantulkan
melewati celah berikutnya dalam roda tersebut.
Metode yang digunakan oleh Fizeau diperbaiki oleh Foucault, yang
menggantikan roda begerigi dengan sebuah cermin putar bersisi delapan.
Cahaya mengenai satu muka cermin tetap ke muka lain dari cermin putar lalu
ke teleskop pengamat. Saat cermin berputar seperdelapan bagian atau n/8
putaran dengan n bilangan bulat, muka lain dari cermin tersebut berada pada
posisi yang tepat bagi cahaya yang dipantulkan untuk memasuki telskop.
Tahun1850, Foucault mengukur laju cahaya di udara dan di air, kemudian
mennjukan bahwa laju cahaya di air lebih kecil daripada laju cahaya di udara.
Memakai metode yang sama, fisikawan Amerika A.A Michelson membuat
pengukuran yang tepat akan laju cahaya dari tahun 1880 – 1930.
Metode lain dalam menentukan laju cahaya melibatkan pengukuran
konstanta elektrik
0
untuk menentukan
dari persamaan
konstanta
dapat diperoleh dengan mengukur kapasitansi dari kapasitor paralel.
Konstanta
didefinisikan berkenaan dengan definisi ampere yang akhirnya
menentukan coulumb. Dari berbagai metode pengukuran laju cahaya yang
telah dilakukan, sekarang telah ditentukan bahwa kecepatan cahaya
didefinisikan secara tepat sebesar 2,99792457 x 108
. Nilai
bagi laju cahaya cukup akurat untuk hampir semua perhitungan. Laju
gelombang-gelombang
radio
dan
semua
gelombang-gelombang
elektromagnetik lainnya dalam ruang hampa sama dengan laju cahaya.
Pada percobaan ini, kita mengukur kecepatan cahaya dengan
menggunakan hubungan antara jarak tempuh dan waktu yang dirumuskan
dengan :
arak te p h
akt te p h
Jarak tempuh dapat diukur dengan menggunakan mistar secara langsung
dan waktu tempuh dapat diperoleh dengan melihat beda fase antara dua
gelombang pada osiloskop.
Jika berkas sinar laser yang berasal dari pemancar ( emitter ) diarahkan
ke cermin pemantul dengan panjang lintasan L1 oleh cermin sinar dipantulkan
ke penerima (receiver) dengan jarak L2 dan dengan selang waktu t.
Osiloskop menangkap dua gelombang cahaya, masing-masing dari emitter
ketika laser dipancarkan dan kedua receiver ketika cahaya laser yang
dipantulkan oleh cermin diterima, seperti pada gambar dibawah ini
Dua gelombang cahaya dibentuk pada waktu yang berbeda, dua gelombang
yang dibentuk pada waktu yang tidak bersamaan ini ditampilkan di osiloskop dengan
beda fase tertentu, yang bergantung pada panjang lintasan-lintasan optik cahaya laser
tadi. Dengan memplot grafik antara panjang lintasan dengan waktu tempuhnya (beda
fasenya) maka laju cahaya dapat dihitung melalui kemiringannya. Beda fase yang
dirumuskan sebagai =
t2 t1
, karena pada praktikum ini menggunakan laser dan
T2 T1
salah satu sifat laser adalah monokromatis maka laser yang keluar dari emitter dan
laser yang diterima oleh receiver itu sama dalam arti memiliki panjang gelombang
yang sama sehingga periodanya pun sama juga (T2 = T1 = T) sebab v =
T
. Jadi =
1
t2 t1 , sehingga beda fase yang dimaksud disini adalah .T = t2 – t1 Pada
T
percobaan ini beda fasenya memiliki satuan yaitu dalam nano sekon.
C. Variabel Penelitian
Variabel bebas
: panjang lintasan cahaya
Variabel terikat
: waktu tempuh cahaya
D. Alat dan Bahan
No
Nama Alat
Jumlah
1
Oscilloscop dual trace 1 Set
2
Emitter laser
1 Set
3
Receiver laser
1 Set
4
Penggaris
2 buah
5
Cermin pemantul
1 buah
6
Power supplay
1 set
7
Kabel Konektor
secukupnya
E. Prosedur Percobaan
Receptor
L2
L1
Emitter
Osiloskop
Cermin pemantul
1. Menyiapkan alat dan bahan
2. Memastikan alat dapat berfungsi dengan baik
3. Menyusun emiter, receptor dan cermin pemantul seperti gambar diatas.
4. Menghubungkan ground pada emiter dan receptor menggunakan lead
wire.
5. Mengbungkan
osiloskop
pada
terminal
keluaran
emiter
dengan
menggunakan kabel koaksial (cahaya 1)
6. Mengbungkan osiloskop pada terminal keluaran receptor dengan
menggunakan kabel koaksial (cahaya 2)
7. Menyalakan emiter dan receptor. Tunggu beberapa
menit sebagai
pemanasan alat agar frekuensi modulasinya tetap.
8. Mengatur fokus laser sehingga membentuk lingkaran dengan diameter
3mm pada receptor.
9. Mengatur cermin pemantul agar sinar yang berasal dari emiter
tepat
masuk pada lubang receptor.
10. Mengatur posisi vertikal pada osiloskop sehingga gelombang cahaya 1
dan 2 berada pada sumbu horizontal yang sama.
11. Mencatat selisih waktu ( t ) antara gelombang cahaya 1 dan 2 yang
ditunjukkan oleh osiloskop.
12. Melakukan percobaan dengan dengan mengubah jarak antara cermin
pemantul dengan emiter (L1 ) dan jarak antara cermin pemantul dengan
receptor (L2) sebanyak 10 kali.
13. Mencatat data pada tabel pengamatan.
14. Merapikan kembali alat yang telah digunakan.
F. Tabel Pengamatan
No
(mm)
mm)
ns)
1
610
590
4,0
2
600
580
4,2
3
625
610
4,4
4
665
650
4,6
5
700
680
4,8
6
740
720
5,0
7
724
725
5,2
8
770
750
5,4
9
831
810
5,6
10
845
875
5,8
G. Pengolahan Data
1. Metoda Statistik
No
(m)
m)
s)
x=∆L
1
0,61
0,59
4,0 x 10-9
1,2
3,0 x 108
0,12 x 108
0,0144 x 1016
2
0,60
0,58
4,2 x 10-9
1,18
2,8 x 108
0,08 x 108
0,0064 x 1016
3
0,625
0,61
4,4 x 10-9
1,235
2,8 x 108
0,08 x 108
0,0064 x 1016
4
0,665
0,65
4,6 x 10-9
1,315
2,9 x 108
0,02 x 108
0,0004 x 1016
5
0,70
0,68
4,8 x 10-9
1,38
2,9 x 108
0,02 x 108
0,0004 x 1016
6
0,74
0,72
5,0 x 10-9
1,46
2,9 x 108
0,02 x 108
0,0004 x 1016
7
0,724
0,725
5,2 x 10-9
1,449
2,8 x 108
0,08 x 108
0,0064 x 1016
8
0,77
0,75
5,4 x 10-9
1,52
2,8 x 108
0,08 x 108
0,0064 x 1016
9
0,831
0,81
5,6 x 10-9
1,641
2,9 x 108
0,02 x 108
0,0004 x 1016
10
0,845
0,875
5,8 x 10-9
1,72
3,0 x 108
0,12 x 108
0,0144 x 1016
28,8 x 108
Jumlah
0,056 x 1016
Setelah dilakukan pengolahan data dengan menggunakan metoda statistika
diperoleh besar kecepatan cahaya di udara adalah sebagai berikut
=(
Dengan presentase kesalahan presisi
Dan presentase kesalahan akurasi menggunakan harga
2. Menggunakan Metoda Grafik Ms.Excel
x = ∆L
s)
4,0 x 10
-9
4,2 x 10-9
1,2
1,18
4,4 x 10-9
1,235
4,6 x 10-9
1,315
4,8 x 10-9
1,38
5,0 x 10-9
1,46
5,2 x 10-9
1,449
5,4 x 10-9
1,52
5,6 x 10-9
1,641
5,8 x 10
-9
1,72
x(m)
grafik x=f(t)
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
y = 0.2974x - 0.0472
R² = 0.9628
0
1
2
3
4
5
6
7
t(ns)
Dari pengolahan data menggunakan Ms.Excel didapatkan persamaan garis
linier
). Kecepatan cahaya hasil percobaan adalah
kemiringan garis dari persamaan linier
Dengan ketidakpastian
Jadi, dengan menggunakan grafik Ms. Excel didapat kecepatan cahaya di
udara sebesar
presisi
akurasi
sebesar
= (
dengan kesalahan
kesalahan
3. Metode Grafik Mc. Origin
Dari pengolahan data menggunakan origin didapatkan persamaan garis linier
.
Kecepatan
cahaya
hasil percobaan adalah kemiringan garis dari persamaan linier, yaitu
dengan ketidakpastian sebesar
Sehingga
.
. Dengan presentase kesalahan
dan
presisi hasil percobaan sebesar
kesalahan
G.
akurasi
Analisis
Berdasarkan literatur, kecepatan cahaya di udara memiliki besar
(Tipler Jilid II). Hasil pengolahan data yang diperoleh dari
percobaan menggunakan metode statistika menghasilkan nilai
=(
dengan presentase kesalahan presisi 2,7% dan kesalahan
akurasi 4%, metode grafik Ms.Excel menghasilkan nilai
= (
dengan kesalahan presisi sebesar 1,58% dan kesalahan
akurasi 0,87% dan menggunakan metode grafik Mc.Origin didapatkan hasil
dengan kesalahan presisi sebesar 6,9% dan
kesalahan akurasi 0,87%.
Hasil pengolahan menunjukkan bahwa pengolahan metode grafik
lebih baik daripada metode statistika dengan nilai kesalahan akurasi terkecil
yakni 0,87%. Perbedaan kecepatan cahaya di udara dengan literatur
disebabkan karena faktor-faktor berikut ini:
1. Cahaya yang datang menuju receiver sulit untuk difokuskan sehingga
grafik yang didapat di osiloskop kabur.
2. Kesulitan dalam menentukan jarak pergeseran fase pada osiloskop saat
grafiknya kabur.
3. Pengukuran panjang lintasan dari emitter ke cermin, dan cermin ke
receiver tidak pada acuan yang selalu sama
Adapun solusi yang dapat diberikan untuk mengurangi factor-faktor
tersebut adalah sebagai berikut :
1. Memastikan alat yang akan digunakan berfungsi dengan baik.
2. Memastikan berkas cahaya menuju receiver tepat masuk dan focus
sehingga grafik pada osiloskop tidak kabur.
3. Lebih teliti dalam menentukan titik acuan maupun jarak lintasan dari
emitter ke cermin dan cermin ke receiver .
Tugas Akhir
1.) Berdasarkan data yang anda peroleh hitunglah kecepatan cahaya di udara
dengan cara grafik!
Jawab:
a. Metode grafik Ms.Excel
x(m)
grafik x=f(t)
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
y = 0.2974x - 0.0472
R² = 0.9628
0
1
2
3
4
5
6
t(ns)
Dari pengolahan data menggunakan Ms.Excel didapatkan persamaan garis
linier
). Kecepatan cahaya hasil percobaan adalah
kemiringan garis dari persamaan linier
Dengan ketidakpastian
Jadi, dengan menggunakan grafik Ms. Excel didapat kecepatan cahaya di
udara sebesar
= (
dengan kesalahan
7
presisi
sebesar
kesalahan
akurasi
b. Metode grafik Mc.Origin
Dari pengolahan data menggunakan origin didapatkan persamaan garis linier
.
Kecepatan
cahaya
hasil percobaan adalah kemiringan garis dari persamaan linier, yaitu
dengan ketidakpastian sebesar
Sehingga
. Dengan presentase kesalahan
presisi hasil percobaan sebesar
kesalahan
akurasi
2.) Rumus apa yang saudara gunakan dari grafik diatas?
Jawab:
.
dan
L1 (jarak antara emitter dengan cermin), L2 (jarak antara receptor dengan
cermin) dan sudut fase antara cahaya yang dikeluarkan oleh emitter
terhadap cahaya yang diterima osiloskop setelah dipantulkan oleh
cermin). Maka kecepatan cahaya dapat dihitung dari grafik L= f(t). Rumus
yang digunakan yaitu rumus kelajuan, yaitu :
Jika dalam grafik L = f(t), menggunakan tanθ = y/x, dengan fungsi sumbu-y
sebagai jarak (L) dan sumbu-x sebagaibeda fase (t).
L
θ
t
3.) Apakah sudut yang dibentuk L1 dan L2 berpengaruh terhadap hasil
perhitungan kecepatan cahaya? Terangkan
Jawab:
Sudut yang dibentuk L1 dan L2 tidak berpengaruh pada terhadap hasil
perhitungan kecepatan cahaya, karena dalam percepatan keceptan cahaya,
kita mengukur laju cahaya menggunakan mistar secara langsung dan
waktu tempuhnya menggunakan beda fase yang ditunjukan oleh dua
gelombang cahaya pada osiloskop. Jadi yang berpengaruh terhadap hasil
perhitungan kecepatan cahaya adalah jarak yang ditempuh cahaya dari
emitor ke cermin dan dari cermin ke receiver.
4.) Bandingkanlah harga kecepatan cahaya yang anda peroleh dengan harga
kecepatan cahaya di udara berdasarkan referensi, bila hasilnya
menyimpang cukup jauh coba analisis factor-faktor apa sajakah yang
menyebabkannya?
Jawab :
a. Metode statistic
dengan presentase kesalahan presisi
= (
2,7%. Maka kesalahan akurasinya :
b. Metode grafik Ms.Excel
Kecepatan cahaya di
udara sebesar
= (
dengan kesalahan presisi sebesar
kesalahan
akurasi
c. Metode grafik Mc.Origin
.
Dengan
presentase
kesalahan
presisi hasil percobaan sebesar
dan
kesalahan
akurasi
Perbedaan kecepatan cahaya di udara dengan literatur disebabkan
karena faktor-faktor berikut ini:
a. Cahaya yang datang menuju receiver sulit untuk difokuskan
sehingga grafik yang didapat di osiloskop kabur.
b. Kesulitan dalam menentukan jarak pergeseran fase pada osiloskop
saat grafiknya kabur.
c. Pengukuran panjang lintasan dari emitter ke cermin, dan cermin ke
receiver tidak pada acuan yang selalu sama
5.) Bandingkanlah harga kecepatan cahaya di udara yang anda ukur dengan
cepat rambat udara di ruang vakum berdasarkan referensi, mana lebih
besar? Jelaskan factor yang menyebabkannya
Jawab :
Cepat rambat cahaya di ruang vakum menurut referensi adalah
(Tipler Jilid II). Hasil percobaan yang paling mendekati
adalah pengolahan menggunakan metode grafik Ms.Excel dengan hasil
= (
. Yang lebih besar adalah cepat rambat
caya di ruang vakum. Perbedaan nilai kecepatan cahaya ini disebabkan
karena beberapa faktor kesalahan. Diantaranya :
a. Perbedaan Pengukuran antara di ruang biasa dengan ruang vakum
yang memiliki banyak perbedaan serta karakteristik yang berbeda
pula.
b. Cahaya yang datang menuju receiver sulit untuk difokuskan sehingga
grafik yang didapat di osiloskop kabur.
c. Kesulitan dalam menentukan jarak pergeseran fase pada osiloskop
saat grafiknya kabur.
d. Pengukuran panjang lintasan dari emitter ke cermin, dan cermin ke
receiver tidak pada acuan yang selalu sama
6.) Buat laporan akhir secara lengkap
7.) Apakah set alat yang anda gunakan ini dapat digunakan untuk mengukur
cepat rambat cahaya di medium lain? Misalnya dalam gelas kaca, air dan
meium lainnya yang transparan
Jawab :
Tidak.
8.) Bila anda menjawab tidak, berikan alasannya. Dan bila anda menjawab
iya, coba gambarkan skema percobaannya dengan gambar
Jawab:
Hal ini dikarenakan, jika set alat digunakan pada medium lain (contohnya
air atau kaca) sinar laser akan mengalami pembiasan (pembelokan
lintasan) sebelum mencapai cermin pemantul, untuk mengukur panjang
lintasnnya hasil pembiasan tersebut akan sangat sulit atau tidak bisa
diukur langsung. Sehingga dengan set alat yang sama tidak akan bisa
menentukan kecepatan cahaya pada medium yang berbeda.
H. Kesimpulan
Hasil pengolahan data yang diperoleh dari percobaan menggunakan
metode statistika menghasilkan nilai
=(
dengan
presentase kesalahan presisi 2,7% dan kesalahan akurasi 4%, metode grafik
Ms.Excel menghasilkan nilai
= (
dengan
kesalahan presisi sebesar 1,58% dan kesalahan akurasi 0,87% dan
menggunakan metode grafik Mc.Origin didapatkan hasil
dengan kesalahan presisi sebesar 6,9% dan kesalahan
akurasi 0,87%.
I. Daftar Pustaka
Tim Dosen Fisika UPI. 2009. Eksperimen Fisika I. Bandung: Jurusan
Pendidikan Fisika FPMIPA UPI.
Tipler, Paul A. 1991. Fisika untuk Sains dan Teknik, Jilid 2. Jakarta : Erlangga.
Halliday & Resnick. 1984. Fisika Jilid 2 edisi ketiga . Jakarta : Erlangga.
J. Lampiran
( KECEPATAN CAHAYA DI UDARA )
Diajukan untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah Eksperimen Fisika 1
Dosen pengampu : Drs. David Edison Tarigan, M.Si.
Disusun oleh :
Eka Fitri Rahayu
(1507104)
Teman Sekelompok :
Seli Nurpianti
(1506036)
PELAKSANAAN PERCOBAAN :
Hari/Tgl/Jam : Rabu/ 18 Oktober 2017/ 07.00 – 08.40 WIB
DEPARTEMEN PENDIDIKAN FISIKA
FAKULTAS PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA
2017
EKSPERIMEN 3 KECEPATAN CAHAYA DI UDARA
A. Tujuan Percobaan
Menentukan kecepatan cahaya di udara
B. Dasar Teori
Cahaya merupakan gelombang elektromagnetik yang merambat dalam
suatu medium vakum, karena cahaya merupakan gelombang elektromagnetik
yang dirambatkan, Hal tersebut menghendaki pandangan yang sungguhsungguh dan menimbulkan pertanyaan, “Berapa cepatkah cahaya merambat?”.
Usaha pertama untuk mengukur laju cahaya dilakukan oleh Galieo. Ia
dan seorang kawannya berdiri pada puncak bukit dengan jarak yang
ditentukan
dengam
masing-masing
memegang
sebuah
lentera
dan
penutupnya. Galileo mengukur waktu yang dibutuhkan oleh cahaya untuk
bergerak bolak-balik antara mereka berdua. Mula-mula temannya membuka
penutup lenteranya dan ketika yang lain melihat cahaya, maka ia akan
membuka penutup lenteranya juga. Waktu orang pertama untuk melihat
kembali cahaya dari yang lain setelah ia membuka lenteranya akan menjadi
waktu yang dibutuhkan cahaya. Percobaan ini memang masuk akal, namun
gagal karena kecepatan cahaya terlalu besar sehingga jarak waktu yang akan
diukur sangat kecil dibandingkan fluktuasi dalam waktu tanggapan manusia.
Indikasi pertama dalam pengukuran besaran yang benar akan laju
cahaya datang dari pengamatan astronomis dari mengukur waktu antara dua
gerhana periode satelit Jupiter Io. Periode gerhana kira-kira 42.5 jam, tetapi
pengukuran yang dibuat ketika bumi mendekati jupiter sepanjang lintasan
ABC memberikan nilai yang lebih besar pada periode ini dibandingkan
dengan pengukuran-pengukuran yang dibuat ketika bumi mendekati jupiter
sepanjang lintasan CDA. Karen pengukuran hanya berselisih 15 sekon dari
nilai rata-rata, ketidakcocokannya sulit diukur secara akurat. Pada tahun 1675,
astronomi Ole Romer menghubungkan ketidakcocokan ini dengan fakta
bahwa laju cahaya tak terbatas. Selama 42.5 jam antara dua gerhana dari
satelit jupiter, jarak antara bumi dan jupiter berubah yang membuat lintasan
bagi cahaya memanjang maupun memendek. Romer merancang metode untuk
mengukur efek kumulatif dari ketidakcocokan-ketidakcocokan ini. Karena
jupiter bergerak jauh lebih lambat dibandingkan bumi, kita dapat
mengabaikan gerakannya. Ketika bumi dititik A, terdekat ke Jupiter jarak
antara bumi dan jupiter sedikit berubah. Periode gerhana Io diukur,
memberikan waktu antara dua permulaan gerhana-gerhana sesudahnya.
Berdasarkan pengukuran ini, banyaknya gerhana dalam 6 bulan dihitung, dan
waktu saat sebuah gerhana harus mulai setengah tahun berikutnya ketika bumi
di titik C diprediksikan. Saat bumi benar-benar berada di C, permulaan
gerhana yang diamati kira-kira 16.6 menit lebih lambat dari yang
diprediksikan. Inilah saat yang diperlukan bagi cahaya untuk memulai sebuah
jarak yang sama dengan diameter orbit bumi.
Pengukuran cahaya secara non astronomis mula-mula dilakukan oleh
fisikawan Perancis, Fizeau pada tahun 1849. Diatas sebuah bukit di Paris , ia
menempatkan sebuah sumber cahaya dan sebuah sistem lensa yang diatur
sedemikian rupa sehingga cahaya yang direfleksikan dari sebuah cermin
semitransparan difokuskan pada sebuah celah didalam sebuah roda gigi.
Diatas sebuah bukit yang tingginya kira-kira 8.63 m dari bukit pertama, ia
menempatkan sebuah cermin untuk memantulkan kembali cahaya agar dapat
dilihat oleh pengamat. Roda bergerigi tersebut diputar, lalu laju putaran
diubah- ubah. Pada laju putar yang rendah, tidak ada cahaya yang dapat
dilihat karena cahaya yang dipantulkan terhalang oleh energi roda yang
berputar tersebut. Kemudian laju putaran diperbesar, tiba-tiba cahaya dapat
dilihat ketika laju putaran sedemikian rupa sehingga cahaya yang dipantulkan
melewati celah berikutnya dalam roda tersebut.
Metode yang digunakan oleh Fizeau diperbaiki oleh Foucault, yang
menggantikan roda begerigi dengan sebuah cermin putar bersisi delapan.
Cahaya mengenai satu muka cermin tetap ke muka lain dari cermin putar lalu
ke teleskop pengamat. Saat cermin berputar seperdelapan bagian atau n/8
putaran dengan n bilangan bulat, muka lain dari cermin tersebut berada pada
posisi yang tepat bagi cahaya yang dipantulkan untuk memasuki telskop.
Tahun1850, Foucault mengukur laju cahaya di udara dan di air, kemudian
mennjukan bahwa laju cahaya di air lebih kecil daripada laju cahaya di udara.
Memakai metode yang sama, fisikawan Amerika A.A Michelson membuat
pengukuran yang tepat akan laju cahaya dari tahun 1880 – 1930.
Metode lain dalam menentukan laju cahaya melibatkan pengukuran
konstanta elektrik
0
untuk menentukan
dari persamaan
konstanta
dapat diperoleh dengan mengukur kapasitansi dari kapasitor paralel.
Konstanta
didefinisikan berkenaan dengan definisi ampere yang akhirnya
menentukan coulumb. Dari berbagai metode pengukuran laju cahaya yang
telah dilakukan, sekarang telah ditentukan bahwa kecepatan cahaya
didefinisikan secara tepat sebesar 2,99792457 x 108
. Nilai
bagi laju cahaya cukup akurat untuk hampir semua perhitungan. Laju
gelombang-gelombang
radio
dan
semua
gelombang-gelombang
elektromagnetik lainnya dalam ruang hampa sama dengan laju cahaya.
Pada percobaan ini, kita mengukur kecepatan cahaya dengan
menggunakan hubungan antara jarak tempuh dan waktu yang dirumuskan
dengan :
arak te p h
akt te p h
Jarak tempuh dapat diukur dengan menggunakan mistar secara langsung
dan waktu tempuh dapat diperoleh dengan melihat beda fase antara dua
gelombang pada osiloskop.
Jika berkas sinar laser yang berasal dari pemancar ( emitter ) diarahkan
ke cermin pemantul dengan panjang lintasan L1 oleh cermin sinar dipantulkan
ke penerima (receiver) dengan jarak L2 dan dengan selang waktu t.
Osiloskop menangkap dua gelombang cahaya, masing-masing dari emitter
ketika laser dipancarkan dan kedua receiver ketika cahaya laser yang
dipantulkan oleh cermin diterima, seperti pada gambar dibawah ini
Dua gelombang cahaya dibentuk pada waktu yang berbeda, dua gelombang
yang dibentuk pada waktu yang tidak bersamaan ini ditampilkan di osiloskop dengan
beda fase tertentu, yang bergantung pada panjang lintasan-lintasan optik cahaya laser
tadi. Dengan memplot grafik antara panjang lintasan dengan waktu tempuhnya (beda
fasenya) maka laju cahaya dapat dihitung melalui kemiringannya. Beda fase yang
dirumuskan sebagai =
t2 t1
, karena pada praktikum ini menggunakan laser dan
T2 T1
salah satu sifat laser adalah monokromatis maka laser yang keluar dari emitter dan
laser yang diterima oleh receiver itu sama dalam arti memiliki panjang gelombang
yang sama sehingga periodanya pun sama juga (T2 = T1 = T) sebab v =
T
. Jadi =
1
t2 t1 , sehingga beda fase yang dimaksud disini adalah .T = t2 – t1 Pada
T
percobaan ini beda fasenya memiliki satuan yaitu dalam nano sekon.
C. Variabel Penelitian
Variabel bebas
: panjang lintasan cahaya
Variabel terikat
: waktu tempuh cahaya
D. Alat dan Bahan
No
Nama Alat
Jumlah
1
Oscilloscop dual trace 1 Set
2
Emitter laser
1 Set
3
Receiver laser
1 Set
4
Penggaris
2 buah
5
Cermin pemantul
1 buah
6
Power supplay
1 set
7
Kabel Konektor
secukupnya
E. Prosedur Percobaan
Receptor
L2
L1
Emitter
Osiloskop
Cermin pemantul
1. Menyiapkan alat dan bahan
2. Memastikan alat dapat berfungsi dengan baik
3. Menyusun emiter, receptor dan cermin pemantul seperti gambar diatas.
4. Menghubungkan ground pada emiter dan receptor menggunakan lead
wire.
5. Mengbungkan
osiloskop
pada
terminal
keluaran
emiter
dengan
menggunakan kabel koaksial (cahaya 1)
6. Mengbungkan osiloskop pada terminal keluaran receptor dengan
menggunakan kabel koaksial (cahaya 2)
7. Menyalakan emiter dan receptor. Tunggu beberapa
menit sebagai
pemanasan alat agar frekuensi modulasinya tetap.
8. Mengatur fokus laser sehingga membentuk lingkaran dengan diameter
3mm pada receptor.
9. Mengatur cermin pemantul agar sinar yang berasal dari emiter
tepat
masuk pada lubang receptor.
10. Mengatur posisi vertikal pada osiloskop sehingga gelombang cahaya 1
dan 2 berada pada sumbu horizontal yang sama.
11. Mencatat selisih waktu ( t ) antara gelombang cahaya 1 dan 2 yang
ditunjukkan oleh osiloskop.
12. Melakukan percobaan dengan dengan mengubah jarak antara cermin
pemantul dengan emiter (L1 ) dan jarak antara cermin pemantul dengan
receptor (L2) sebanyak 10 kali.
13. Mencatat data pada tabel pengamatan.
14. Merapikan kembali alat yang telah digunakan.
F. Tabel Pengamatan
No
(mm)
mm)
ns)
1
610
590
4,0
2
600
580
4,2
3
625
610
4,4
4
665
650
4,6
5
700
680
4,8
6
740
720
5,0
7
724
725
5,2
8
770
750
5,4
9
831
810
5,6
10
845
875
5,8
G. Pengolahan Data
1. Metoda Statistik
No
(m)
m)
s)
x=∆L
1
0,61
0,59
4,0 x 10-9
1,2
3,0 x 108
0,12 x 108
0,0144 x 1016
2
0,60
0,58
4,2 x 10-9
1,18
2,8 x 108
0,08 x 108
0,0064 x 1016
3
0,625
0,61
4,4 x 10-9
1,235
2,8 x 108
0,08 x 108
0,0064 x 1016
4
0,665
0,65
4,6 x 10-9
1,315
2,9 x 108
0,02 x 108
0,0004 x 1016
5
0,70
0,68
4,8 x 10-9
1,38
2,9 x 108
0,02 x 108
0,0004 x 1016
6
0,74
0,72
5,0 x 10-9
1,46
2,9 x 108
0,02 x 108
0,0004 x 1016
7
0,724
0,725
5,2 x 10-9
1,449
2,8 x 108
0,08 x 108
0,0064 x 1016
8
0,77
0,75
5,4 x 10-9
1,52
2,8 x 108
0,08 x 108
0,0064 x 1016
9
0,831
0,81
5,6 x 10-9
1,641
2,9 x 108
0,02 x 108
0,0004 x 1016
10
0,845
0,875
5,8 x 10-9
1,72
3,0 x 108
0,12 x 108
0,0144 x 1016
28,8 x 108
Jumlah
0,056 x 1016
Setelah dilakukan pengolahan data dengan menggunakan metoda statistika
diperoleh besar kecepatan cahaya di udara adalah sebagai berikut
=(
Dengan presentase kesalahan presisi
Dan presentase kesalahan akurasi menggunakan harga
2. Menggunakan Metoda Grafik Ms.Excel
x = ∆L
s)
4,0 x 10
-9
4,2 x 10-9
1,2
1,18
4,4 x 10-9
1,235
4,6 x 10-9
1,315
4,8 x 10-9
1,38
5,0 x 10-9
1,46
5,2 x 10-9
1,449
5,4 x 10-9
1,52
5,6 x 10-9
1,641
5,8 x 10
-9
1,72
x(m)
grafik x=f(t)
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
y = 0.2974x - 0.0472
R² = 0.9628
0
1
2
3
4
5
6
7
t(ns)
Dari pengolahan data menggunakan Ms.Excel didapatkan persamaan garis
linier
). Kecepatan cahaya hasil percobaan adalah
kemiringan garis dari persamaan linier
Dengan ketidakpastian
Jadi, dengan menggunakan grafik Ms. Excel didapat kecepatan cahaya di
udara sebesar
presisi
akurasi
sebesar
= (
dengan kesalahan
kesalahan
3. Metode Grafik Mc. Origin
Dari pengolahan data menggunakan origin didapatkan persamaan garis linier
.
Kecepatan
cahaya
hasil percobaan adalah kemiringan garis dari persamaan linier, yaitu
dengan ketidakpastian sebesar
Sehingga
.
. Dengan presentase kesalahan
dan
presisi hasil percobaan sebesar
kesalahan
G.
akurasi
Analisis
Berdasarkan literatur, kecepatan cahaya di udara memiliki besar
(Tipler Jilid II). Hasil pengolahan data yang diperoleh dari
percobaan menggunakan metode statistika menghasilkan nilai
=(
dengan presentase kesalahan presisi 2,7% dan kesalahan
akurasi 4%, metode grafik Ms.Excel menghasilkan nilai
= (
dengan kesalahan presisi sebesar 1,58% dan kesalahan
akurasi 0,87% dan menggunakan metode grafik Mc.Origin didapatkan hasil
dengan kesalahan presisi sebesar 6,9% dan
kesalahan akurasi 0,87%.
Hasil pengolahan menunjukkan bahwa pengolahan metode grafik
lebih baik daripada metode statistika dengan nilai kesalahan akurasi terkecil
yakni 0,87%. Perbedaan kecepatan cahaya di udara dengan literatur
disebabkan karena faktor-faktor berikut ini:
1. Cahaya yang datang menuju receiver sulit untuk difokuskan sehingga
grafik yang didapat di osiloskop kabur.
2. Kesulitan dalam menentukan jarak pergeseran fase pada osiloskop saat
grafiknya kabur.
3. Pengukuran panjang lintasan dari emitter ke cermin, dan cermin ke
receiver tidak pada acuan yang selalu sama
Adapun solusi yang dapat diberikan untuk mengurangi factor-faktor
tersebut adalah sebagai berikut :
1. Memastikan alat yang akan digunakan berfungsi dengan baik.
2. Memastikan berkas cahaya menuju receiver tepat masuk dan focus
sehingga grafik pada osiloskop tidak kabur.
3. Lebih teliti dalam menentukan titik acuan maupun jarak lintasan dari
emitter ke cermin dan cermin ke receiver .
Tugas Akhir
1.) Berdasarkan data yang anda peroleh hitunglah kecepatan cahaya di udara
dengan cara grafik!
Jawab:
a. Metode grafik Ms.Excel
x(m)
grafik x=f(t)
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
y = 0.2974x - 0.0472
R² = 0.9628
0
1
2
3
4
5
6
t(ns)
Dari pengolahan data menggunakan Ms.Excel didapatkan persamaan garis
linier
). Kecepatan cahaya hasil percobaan adalah
kemiringan garis dari persamaan linier
Dengan ketidakpastian
Jadi, dengan menggunakan grafik Ms. Excel didapat kecepatan cahaya di
udara sebesar
= (
dengan kesalahan
7
presisi
sebesar
kesalahan
akurasi
b. Metode grafik Mc.Origin
Dari pengolahan data menggunakan origin didapatkan persamaan garis linier
.
Kecepatan
cahaya
hasil percobaan adalah kemiringan garis dari persamaan linier, yaitu
dengan ketidakpastian sebesar
Sehingga
. Dengan presentase kesalahan
presisi hasil percobaan sebesar
kesalahan
akurasi
2.) Rumus apa yang saudara gunakan dari grafik diatas?
Jawab:
.
dan
L1 (jarak antara emitter dengan cermin), L2 (jarak antara receptor dengan
cermin) dan sudut fase antara cahaya yang dikeluarkan oleh emitter
terhadap cahaya yang diterima osiloskop setelah dipantulkan oleh
cermin). Maka kecepatan cahaya dapat dihitung dari grafik L= f(t). Rumus
yang digunakan yaitu rumus kelajuan, yaitu :
Jika dalam grafik L = f(t), menggunakan tanθ = y/x, dengan fungsi sumbu-y
sebagai jarak (L) dan sumbu-x sebagaibeda fase (t).
L
θ
t
3.) Apakah sudut yang dibentuk L1 dan L2 berpengaruh terhadap hasil
perhitungan kecepatan cahaya? Terangkan
Jawab:
Sudut yang dibentuk L1 dan L2 tidak berpengaruh pada terhadap hasil
perhitungan kecepatan cahaya, karena dalam percepatan keceptan cahaya,
kita mengukur laju cahaya menggunakan mistar secara langsung dan
waktu tempuhnya menggunakan beda fase yang ditunjukan oleh dua
gelombang cahaya pada osiloskop. Jadi yang berpengaruh terhadap hasil
perhitungan kecepatan cahaya adalah jarak yang ditempuh cahaya dari
emitor ke cermin dan dari cermin ke receiver.
4.) Bandingkanlah harga kecepatan cahaya yang anda peroleh dengan harga
kecepatan cahaya di udara berdasarkan referensi, bila hasilnya
menyimpang cukup jauh coba analisis factor-faktor apa sajakah yang
menyebabkannya?
Jawab :
a. Metode statistic
dengan presentase kesalahan presisi
= (
2,7%. Maka kesalahan akurasinya :
b. Metode grafik Ms.Excel
Kecepatan cahaya di
udara sebesar
= (
dengan kesalahan presisi sebesar
kesalahan
akurasi
c. Metode grafik Mc.Origin
.
Dengan
presentase
kesalahan
presisi hasil percobaan sebesar
dan
kesalahan
akurasi
Perbedaan kecepatan cahaya di udara dengan literatur disebabkan
karena faktor-faktor berikut ini:
a. Cahaya yang datang menuju receiver sulit untuk difokuskan
sehingga grafik yang didapat di osiloskop kabur.
b. Kesulitan dalam menentukan jarak pergeseran fase pada osiloskop
saat grafiknya kabur.
c. Pengukuran panjang lintasan dari emitter ke cermin, dan cermin ke
receiver tidak pada acuan yang selalu sama
5.) Bandingkanlah harga kecepatan cahaya di udara yang anda ukur dengan
cepat rambat udara di ruang vakum berdasarkan referensi, mana lebih
besar? Jelaskan factor yang menyebabkannya
Jawab :
Cepat rambat cahaya di ruang vakum menurut referensi adalah
(Tipler Jilid II). Hasil percobaan yang paling mendekati
adalah pengolahan menggunakan metode grafik Ms.Excel dengan hasil
= (
. Yang lebih besar adalah cepat rambat
caya di ruang vakum. Perbedaan nilai kecepatan cahaya ini disebabkan
karena beberapa faktor kesalahan. Diantaranya :
a. Perbedaan Pengukuran antara di ruang biasa dengan ruang vakum
yang memiliki banyak perbedaan serta karakteristik yang berbeda
pula.
b. Cahaya yang datang menuju receiver sulit untuk difokuskan sehingga
grafik yang didapat di osiloskop kabur.
c. Kesulitan dalam menentukan jarak pergeseran fase pada osiloskop
saat grafiknya kabur.
d. Pengukuran panjang lintasan dari emitter ke cermin, dan cermin ke
receiver tidak pada acuan yang selalu sama
6.) Buat laporan akhir secara lengkap
7.) Apakah set alat yang anda gunakan ini dapat digunakan untuk mengukur
cepat rambat cahaya di medium lain? Misalnya dalam gelas kaca, air dan
meium lainnya yang transparan
Jawab :
Tidak.
8.) Bila anda menjawab tidak, berikan alasannya. Dan bila anda menjawab
iya, coba gambarkan skema percobaannya dengan gambar
Jawab:
Hal ini dikarenakan, jika set alat digunakan pada medium lain (contohnya
air atau kaca) sinar laser akan mengalami pembiasan (pembelokan
lintasan) sebelum mencapai cermin pemantul, untuk mengukur panjang
lintasnnya hasil pembiasan tersebut akan sangat sulit atau tidak bisa
diukur langsung. Sehingga dengan set alat yang sama tidak akan bisa
menentukan kecepatan cahaya pada medium yang berbeda.
H. Kesimpulan
Hasil pengolahan data yang diperoleh dari percobaan menggunakan
metode statistika menghasilkan nilai
=(
dengan
presentase kesalahan presisi 2,7% dan kesalahan akurasi 4%, metode grafik
Ms.Excel menghasilkan nilai
= (
dengan
kesalahan presisi sebesar 1,58% dan kesalahan akurasi 0,87% dan
menggunakan metode grafik Mc.Origin didapatkan hasil
dengan kesalahan presisi sebesar 6,9% dan kesalahan
akurasi 0,87%.
I. Daftar Pustaka
Tim Dosen Fisika UPI. 2009. Eksperimen Fisika I. Bandung: Jurusan
Pendidikan Fisika FPMIPA UPI.
Tipler, Paul A. 1991. Fisika untuk Sains dan Teknik, Jilid 2. Jakarta : Erlangga.
Halliday & Resnick. 1984. Fisika Jilid 2 edisi ketiga . Jakarta : Erlangga.
J. Lampiran