soal fisika difraksi

Pengantar Soal Fisika Difraksi

Selamat datang di kumpulan soal fisika tentang difraksi! Difraksi adalah salah satu fenomena gelombang yang sangat menarik dan fundamental dalam fisika, terutama dalam optika. Ini terjadi ketika gelombang, seperti cahaya, membengkok di sekitar sudut atau menyebar setelah melewati bukaan atau celah. Memahami difraksi sangat penting untuk menguasai konsep gelombang dan aplikasinya dalam teknologi modern, seperti spektroskopi dan mikroskop.

Kumpulan soal ini dirancang untuk membantu Anda menguji dan memperdalam pemahaman Anda tentang prinsip-prinsip difraksi, termasuk difraksi celah tunggal, celah ganda, dan kisi difraksi. Kami menyajikan berbagai jenis soal, mulai dari pilihan ganda, isian singkat, uraian, hingga menjodohkan, untuk melatih kemampuan analisis dan pemecahan masalah Anda. Mari kita mulai latihannya!

I. Soal Pilihan Ganda

Cahaya monokromatik dengan panjang gelombang 500 nm melewati celah tunggal. Jika lebar celah 0,2 mm, sudut difraksi untuk minimum pertama adalah sekitar… (sin 0,0025 = 0,0025 rad)
A. 0,00125 rad
B. 0,0025 rad
C. 0,005 rad
D. 0,0075 rad
E. 0,01 rad
Sebuah kisi difraksi memiliki 5000 garis/cm. Jika cahaya dengan panjang gelombang 600 nm dilewatkan pada kisi tersebut, orde maksimum yang dapat diamati adalah…
A. 1
B. 2
C. 3
D. 4
E. 5
Pada difraksi celah tunggal, pola gelap pertama terjadi ketika beda lintasan antara tepi celah dan titik pengamatan adalah…
A. 0
B. λ/2
C. λ
D. 3λ/2
E. 2λ
Yang bukan merupakan syarat terjadinya difraksi cahaya adalah…
A. Adanya celah atau penghalang
B. Ukuran celah sebanding dengan panjang gelombang cahaya
C. Sumber cahaya bersifat koheren
D. Cahaya memiliki panjang gelombang tertentu
E. Cahaya mengenai permukaan yang memantulkan
Sebuah celah tunggal disinari cahaya dengan panjang gelombang 6000 Å. Jika lebar celah 0,6 mm, jarak pita gelap kedua dari terang pusat pada layar yang berjarak 1,2 m adalah…
A. 1,2 mm
B. 2,4 mm
C. 3,6 mm
D. 4,8 mm
E. 6,0 mm
Peristiwa difraksi dapat dijelaskan menggunakan prinsip…
A. Archimedes
B. Bernoulli
C. Huygens
D. Newton
E. Pascal
Ketika cahaya melewati celah sempit, ia akan menyebar. Peristiwa ini disebut…
A. Refleksi
B. Refraksi
C. Interferensi
D. Difraksi
E. Polarisasi
Pada difraksi oleh kisi, semakin banyak jumlah garis per satuan panjang kisi, maka…
A. Sudut difraksi semakin kecil
B. Sudut difraksi semakin besar
C. Lebar pita terang semakin besar
D. Lebar pita gelap semakin besar
E. Jarak antar pita semakin kecil
Difraksi celah ganda berbeda dengan difraksi celah tunggal karena difraksi celah ganda juga menunjukkan fenomena…
A. Refleksi
B. Refraksi
C. Interferensi
D. Polarisasi
E. Dispersi
Jika panjang gelombang cahaya yang digunakan dalam eksperimen difraksi diperbesar, maka pola difraksi akan…
A. Menjadi lebih rapat
B. Menjadi lebih renggang
C. Tidak berubah
D. Menghilang
E. Hanya terlihat pola terang pusat
Sebuah kisi difraksi memiliki konstanta kisi 2 x 10⁻⁶ m. Jika cahaya dengan panjang gelombang 400 nm dilewatkan, sudut difraksi orde pertama adalah… (sin 11,5° ≈ 0,2)
A. 5,75°
B. 11,5°
C. 23°
D. 30°
E. 45°
Pola difraksi yang dihasilkan oleh celah tunggal berupa…
A. Pita terang dan gelap dengan lebar yang sama
B. Pita terang dan gelap dengan intensitas yang sama
C. Pita terang pusat paling lebar dan intensitasnya paling tinggi, diikuti pita gelap dan terang lainnya yang semakin sempit dan redup
D. Hanya pita terang saja
E. Hanya pita gelap saja
Jarak antara dua celah pada percobaan difraksi celah ganda disebut…
A. Lebar celah
B. Jarak layar
C. Konstanta kisi
D. Jarak antarcelah
E. Panjang gelombang
Ketika cahaya putih dilewatkan pada kisi difraksi, akan terbentuk spektrum warna karena…
A. Interferensi konstruktif
B. Interferensi destruktif
C. Setiap warna memiliki panjang gelombang yang berbeda sehingga sudut difraksi berbeda
D. Setiap warna memiliki frekuensi yang sama
E. Kisi difraksi menyerap warna tertentu
Apa yang akan terjadi pada pola difraksi celah tunggal jika lebar celah diperkecil?
A. Pola difraksi menjadi lebih sempit
B. Pola difraksi menjadi lebih lebar
C. Intensitas terang pusat meningkat
D. Jumlah pita terang bertambah
E. Tidak ada perubahan yang signifikan
Difraksi Fraunhofer terjadi jika…
A. Sumber cahaya dan layar berada pada jarak terbatas dari celah
B. Sumber cahaya dan layar berada pada jarak tak terhingga dari celah
C. Hanya sumber cahaya yang berada pada jarak tak terhingga
D. Hanya layar yang berada pada jarak tak terhingga
E. Sumber cahaya monokromatik digunakan
Alat optik yang prinsip kerjanya memanfaatkan difraksi adalah…
A. Teropong
B. Mikroskop
C. Spektrometer kisi
D. Kamera
E. Kacamata
Jika dua sumber cahaya koheren melewati dua celah sempit, pola yang terbentuk di layar adalah hasil dari…
A. Refleksi dan refraksi
B. Difraksi dan interferensi
C. Polarisasi dan dispersi
D. Absorpsi dan emisi
E. Hanya difraksi
Orde difraksi menunjukkan…
A. Jumlah celah pada kisi
B. Jarak antara celah
C. Nomor pita terang atau gelap dari terang pusat
D. Panjang gelombang cahaya
E. Lebar celah
Pada kisi difraksi, jarak antar garis (konstanta kisi) d dapat dihitung dari N garis/cm dengan rumus…
A. d = N
B. d = 1/N
C. d = 100/N
D. d = N/100
E. d = 10⁻²/N

II. Soal Isian Singkat

Jika cahaya dengan panjang gelombang 600 nm melewati kisi difraksi dengan 2000 garis/cm, sudut difraksi orde pertama adalah sekitar _______ derajat. (sin 6,87° ≈ 0,12)
Pada celah tunggal, pita terang pusat memiliki lebar _______ kali lebar pita terang orde pertama.
Difraksi adalah pembelokan atau penyebaran gelombang ketika melewati _______ atau _______ sempit.
Jika sebuah kisi difraksi memiliki 4000 garis/cm, maka konstanta kisi (d) dalam meter adalah _______.
Dalam difraksi celah tunggal, persamaan untuk posisi minimum ke-m adalah a sin θ = _______.

III. Soal Uraian

Jelaskan perbedaan mendasar antara difraksi dan interferensi cahaya! Berikan contoh fenomena yang menunjukkan masing-masing.
Sebuah kisi difraksi memiliki 3000 garis/cm. Kisi tersebut disinari tegak lurus dengan cahaya monokromatik. Orde terang kedua diamati pada sudut 30° terhadap normal. Hitunglah panjang gelombang cahaya tersebut dalam nanometer!
Bagaimana perubahan lebar celah pada difraksi celah tunggal memengaruhi pola difraksi yang terbentuk di layar? Jelaskan secara kualitatif dan kuantitatif.
Terangkan mengapa ketika cahaya putih melewati kisi difraksi, kita melihat spektrum warna, bukan hanya pita terang dan gelap seperti pada cahaya monokromatik!
Sebutkan dan jelaskan dua aplikasi praktis dari fenomena difraksi dalam kehidupan sehari-hari atau teknologi!

IV. Soal Menjodohkan

Jodohkan pernyataan di kolom kiri dengan konsep atau rumus yang tepat di kolom kanan.

Kolom A
a. Kondisi untuk minimum pada difraksi celah tunggal
b. Jarak antar celah pada kisi difraksi
c. Kondisi untuk maksimum pada kisi difraksi
d. Fenomena pembelokan gelombang di sekitar penghalang
e. Satuan untuk panjang gelombang cahaya
Kolom B
i. d sin θ = mλ
ii. Nanometer
iii. Difraksi
iv. Konstanta kisi
v. a sin θ = mλ
Kolom A
a. Prinsip yang menjelaskan penyebaran gelombang
b. Orde pita paling terang pada pola difraksi
c. Rumus untuk menentukan posisi terang pada difraksi celah ganda
d. Ukuran celah yang sebanding dengan panjang gelombang
e. Jumlah garis per satuan panjang pada kisi
Kolom B
i. nλL/d
ii. Terang pusat
iii. Resolusi
iv. Prinsip Huygens
v. Kerapatan kisi

Kunci Jawaban

I. Pilihan Ganda

B. 0,0025 rad
Penjelasan: Untuk minimum pertama pada celah tunggal, a sin θ = mλ. Dengan m=1, a sin θ = λ. sin θ = λ/a = (500 x 10⁻⁹ m) / (0,2 x 10⁻³ m) = 2,5 x 10⁻³ = 0,0025. Jadi, sin θ ≈ θ = 0,0025 rad.
C. 3
Penjelasan: Konstanta kisi d = 1/N = 1/(5000 garis/cm) = 1/(5 x 10⁵ garis/m) = 2 x 10⁻⁶ m. Untuk orde maksimum, d sin θ = mλ. Karena sin θ ≤ 1, maka m ≤ d/λ = (2 x 10⁻⁶ m) / (600 x 10⁻⁹ m) = 2000 / 600 = 3,33. Jadi, orde maksimum yang dapat diamati adalah 3.
C. λ
Penjelasan: Untuk minimum pertama (m=1) pada difraksi celah tunggal, beda lintasan antara sinar dari tepi atas dan tepi bawah celah adalah λ.
E. Cahaya mengenai permukaan yang memantulkan
Penjelasan: Refleksi (pemantulan) adalah fenomena yang berbeda dari difraksi. Syarat difraksi adalah adanya celah/penghalang, ukuran celah sebanding λ, dan cahaya monokromatik (koheren).
B. 2,4 mm
Penjelasan: Untuk gelap kedua (m=2) pada celah tunggal, y = mλL/a. y = (2)(6000 x 10⁻¹⁰ m)(1,2 m) / (0,6 x 10⁻³ m) = (144 x 10⁻⁸) / (0,6 x 10⁻³) = 240 x 10⁻⁵ m = 2,4 x 10⁻³ m = 2,4 mm.
C. Huygens
Penjelasan: Prinsip Huygens menyatakan bahwa setiap titik pada muka gelombang dapat dianggap sebagai sumber gelombang sekunder yang menyebar ke segala arah, yang digunakan untuk menjelaskan difraksi.
D. Difraksi
Penjelasan: Difraksi adalah fenomena pembelokan atau penyebaran gelombang saat melewati celah atau penghalang.
B. Sudut difraksi semakin besar
Penjelasan: Semakin banyak garis per satuan panjang (N), maka konstanta kisi d = 1/N akan semakin kecil. Dari d sin θ = mλ, jika d mengecil, maka sin θ harus membesar untuk orde m yang sama, sehingga sudut difraksi semakin besar.
C. Interferensi
Penjelasan: Difraksi celah ganda merupakan kombinasi dari difraksi (oleh setiap celah) dan interferensi (antara gelombang dari kedua celah).
B. Menjadi lebih renggang
Penjelasan: Dari d sin θ = mλ atau a sin θ = mλ, jika λ diperbesar, maka sin θ juga harus membesar untuk orde m yang sama. Ini berarti pola difraksi akan menyebar lebih lebar atau menjadi lebih renggang.
B. 11,5°
Penjelasan: Untuk kisi difraksi, d sin θ = mλ. d = 2 x 10⁻⁶ m, λ = 400 nm = 400 x 10⁻⁹ m, m = 1. sin θ = mλ/d = (1)(400 x 10⁻⁹ m) / (2 x 10⁻⁶ m) = 400/2000 = 0,2. Jadi, θ = arcsin(0,2) ≈ 11,5°.
C. Pita terang pusat paling lebar dan intensitasnya paling tinggi, diikuti pita gelap dan terang lainnya yang semakin sempit dan redup
Penjelasan: Ini adalah karakteristik utama pola difraksi celah tunggal.
D. Jarak antarcelah
Penjelasan: Pada percobaan difraksi celah ganda, ‘d’ melambangkan jarak antara pusat-pusat kedua celah.
C. Setiap warna memiliki panjang gelombang yang berbeda sehingga sudut difraksi berbeda
Penjelasan: Karena d sin θ = mλ, dan setiap warna dalam cahaya putih memiliki panjang gelombang (λ) yang berbeda, maka setiap warna akan dibelokkan pada sudut (θ) yang berbeda, membentuk spektrum.
B. Pola difraksi menjadi lebih lebar
Penjelasan: Dari a sin θ = mλ, jika lebar celah ‘a’ diperkecil, maka sin θ harus membesar agar persamaan tetap berlaku, sehingga pola difraksi (sudut penyebaran) menjadi lebih lebar.
B. Sumber cahaya dan layar berada pada jarak tak terhingga dari celah
Penjelasan: Difraksi Fraunhofer adalah kasus khusus difraksi di mana sumber cahaya dan layar cukup jauh dari celah sehingga gelombang dapat dianggap sebagai gelombang bidang.
C. Spektrometer kisi
Penjelasan: Spektrometer kisi menggunakan kisi difraksi untuk memisahkan cahaya menjadi komponen panjang gelombangnya (spektrum).
B. Difraksi dan interferensi
Penjelasan: Pada celah ganda, cahaya mengalami difraksi saat melewati setiap celah, dan kemudian gelombang dari kedua celah berinterferensi.
C. Nomor pita terang atau gelap dari terang pusat
Penjelasan: Orde difraksi (m) menunjukkan urutan pita terang atau gelap dari terang pusat (m=0 untuk terang pusat).
C. d = 100/N
Penjelasan: Jika N garis/cm, maka d = 1/N cm. Untuk mengubah ke meter, d = (1/N) x 10⁻² m = 1/(100N) m. Atau jika N garis/cm, maka d = 1/N cm = 1/(N x 100) m. Ini adalah kesalahan penulisan pilihan. Pilihan yang tepat seharusnya d = 1/(N x 100) m. Namun, jika N adalah jumlah garis per meter, maka d = 1/N. Jika N adalah jumlah garis per cm, maka d = 1/N cm = 0,01/N m. Jadi, 10⁻²/N. Pilihan yang paling mendekati adalah E. 10⁻²/N jika N garis/cm. Jika N adalah jumlah garis per meter, maka B. 1/N. Karena soal menyebut N garis/cm, maka d = 1/N cm = 0,01/N meter = 10⁻²/N.

II. Isian Singkat

6,87
Penjelasan: d = 1/N = 1/(2000 garis/cm) = 1/(2 x 10⁵ garis/m) = 5 x 10⁻⁶ m. d sin θ = mλ. sin θ = mλ/d = (1)(600 x 10⁻⁹ m) / (5 x 10⁻⁶ m) = 600/5000 = 0,12. θ = arcsin(0,12) ≈ 6,87°.
Dua
Penjelasan: Lebar terang pusat adalah 2λL/a, sedangkan lebar pita terang orde pertama (dan seterusnya) adalah λL/a.
Celah, bukaan
2,5 x 10⁻⁶ m
Penjelasan: d = 1/N = 1/(4000 garis/cm) = 1/(4000 x 100 garis/m) = 1/400000 m = 2,5 x 10⁻⁶ m.
mλ
Penjelasan: a sin θ = mλ adalah persamaan untuk minimum ke-m pada difraksi celah tunggal (di mana m = 1, 2, 3, …).

III. Uraian

Perbedaan Difraksi dan Interferensi:
- Interferensi: Terjadi ketika dua atau lebih gelombang koheren bertemu dan saling berinteraksi, menghasilkan pola penguatan (terang) dan pelemahan (gelap). Sumbernya biasanya dua atau lebih sumber titik atau celah. Contoh: Percobaan Young dengan celah ganda.
- Difraksi: Terjadi ketika gelombang membengkok di sekitar tepi penghalang atau menyebar setelah melewati bukaan/celah. Ini adalah fenomena tunggal yang terjadi pada satu celah atau satu objek. Contoh: Cahaya yang melewati celah tunggal, membentuk pola terang pusat yang lebar dan pita-pita gelap/terang yang semakin redup.
Menghitung Panjang Gelombang:
Konstanta kisi d = 1/N = 1/(3000 garis/cm) = 1/(3 x 10⁵ garis/m) m.Untuk orde terang kedua (m=2), d sin θ = mλ.
λ = (d sin θ) / m = ((1 / (3 x 10⁵)) m * sin 30°) / 2
λ = ((1 / (3 x 10⁵)) * 0,5) / 2 = 0,25 / (3 x 10⁵) = (0,25/3) x 10⁻⁵ m ≈ 0,0833 x 10⁻⁵ m = 8,33 x 10⁻⁷ m.
Dalam nanometer: 8,33 x 10⁻⁷ m = 833 nm.
Jadi, panjang gelombang cahaya tersebut adalah sekitar 833 nm.
Pengaruh Lebar Celah pada Pola Difraksi Celah Tunggal:
Secara kualitatif:
- Jika lebar celah (a) diperkecil, pola difraksi akan menjadi lebih lebar atau menyebar lebih luas.
- Pita terang pusat akan menjadi lebih lebar, dan pita-pita gelap/terang lainnya juga akan melebar.
- Intensitas terang pusat akan menurun karena energi cahaya tersebar pada area yang lebih luas.
Secara kuantitatif:
Persamaan untuk posisi minimum (gelap) ke-m adalah a sin θ = mλ. Jika ‘a’ mengecil, maka untuk orde ‘m’ yang sama, sin θ harus membesar, yang berarti sudut difraksi (θ) membesar, sehingga pola menyebar lebih lebar. Jarak pita gelap dari terang pusat (y) juga akan membesar karena y ≈ L tan θ ≈ L sin θ.
Spektrum Warna dari Cahaya Putih pada Kisi Difraksi:
Cahaya putih terdiri dari berbagai panjang gelombang (warna). Ketika cahaya putih melewati kisi difraksi, setiap panjang gelombang (warna) akan mengalami difraksi pada sudut yang berbeda. Ini dijelaskan oleh persamaan d sin θ = mλ. Karena λ berbeda untuk setiap warna (misalnya, merah memiliki λ lebih besar dari biru), maka sudut difraksi (θ) untuk orde tertentu (m) juga akan berbeda untuk setiap warna. Akibatnya, alih-alih melihat pita terang putih, kita melihat spektrum warna yang terpisah untuk setiap orde (kecuali terang pusat yang tetap putih karena semua warna memiliki θ=0).
Aplikasi Praktis Fenomena Difraksi:
- Spektrometer Kisi: Digunakan untuk menganalisis komposisi cahaya dengan memisahkan spektrumnya. Ini sangat penting dalam astronomi untuk mengidentifikasi elemen di bintang atau dalam kimia untuk analisis sampel.
- Holografi: Teknik yang menggunakan prinsip difraksi untuk merekam dan merekonstruksi gambar tiga dimensi objek. Hologram banyak digunakan untuk tujuan keamanan (misalnya pada kartu identitas atau uang kertas), seni, dan penyimpanan data.

IV. Menjodohkan

a – v (a sin θ = mλ)
b – iv (Konstanta kisi)
c – i (d sin θ = mλ)
d – iii (Difraksi)
e – ii (Nanometer)
a – iv (Prinsip Huygens)
b – ii (Terang pusat)
c – i (nλL/d)
d – iii (Resolusi) – (Catatan: ini lebih ke kriteria Rayleigh, namun konteksnya terkait dengan ukuran celah dan panjang gelombang)
e – v (Kerapatan kisi)