Rangkuman Materi, Contoh Soal & Pembahasan Cahaya & Alat Optik Tingkat SMP

Cahaya

Cahaya merupakan suatu energi berupa gelombang dan partikel.

Sifat-Sifat Cahaya

Cahaya memiliki beberapa sifat, sebagai berikut:

• Cahaya merambat lurus
• Dapat menembus benda bening
• Terjadi pemantulan/refleksi
• Terjadi pembiasan/refraksi
• Terjadi pelenturan/difraksi
• Memiliki energi
• Bisa merambat tanpa medium
• Merupakan gelombang dan partikel (dualisme)
• Memancar dalam bentuk radiasi

Bayang-bayang

Bayang-bayang adalah daerah yang tidak terkena cahaya (daerah gelap) karena cahaya yang mengenai suatu permukaan terhalang oleh benda tertentu. Sedangkan bayangan adalah gambar yang terbentuk oleh pantulan cahaya dari cermin atau karena pembiasan yang terjadi pada pada lensa. Bayang-bayang dapat dibagi menjadi dua macam, yaitu:

1. Umbra/ bayang-bayang gelap: bayang-bayang yang tidak dilalui oleh berkas-berkas cahaya. Umbra terjadi ketika peristiwa gerhana bulan, dimana cahaya matahari yang seharusnya mengenai bulan terhalang oleh bumi.
2. Penumbra/ bayang-bayang samar: bayang-bayang yang masih dilalui sedikit oleh berkas cahaya. Penumbra berada di sekitar umbra dengan wilayah yang lebih luas dibandingkan wilayah umbra.penumbra juga terjadi ketika gerhana bulan, dimana cahaya matahari tidak sampai ke bulan secara sempurna.

Pemantulan Cahaya

Pemantulan cahaya adalah perubahan arah rambat cahaya ke arah sisi permukaan asalnya dengan sudut pantul cahaya akan sama dengan sudut datangnya, setelah menumbuk antar muka dua permukaan.

Hukum pemantulan cahaya Snellius pada cermin datar, bunyinya:

• Sinar datang, garis normal, dan sinar pantul terletak pada satu bidang datar dan berpotongan di satu titik.
• Sudut datang, sama besar dengan sudut pantul (i = r).

Berdasarkan permukaan bidang pantulnya, pemantulan cahaya dibedakan menjadi dua jenis yaitu:

• Pemantulan teratur, ketika seberkas sinar yang sejajar jatuh pada bidang datar (contoh: cermin) sehingga sinar dipantulkan pada arah yang sejajar. Pemantulan teratur menghasilkan bayangan yang jelas.
  
• Pemantulan baur/ difus ketika seberkas sinar yang sejajar jatuh pada bidang tidak rata atau berlekuk-lekuk, sehingga sinar dipantulkan ke segala arah dan mengakibatkan intensitas cahaya tidak terlalu besar.
  

Pembiasan Cahaya atau difraksi cahaya

Pembiasan cahaya adalah peristiwa pembelokkan arah cahaya ketika melewati bidang batas antara satu medium ke medium lainnya yang berbeda kerapatan optiknya. Pembiasan cahaya terjadi akibat kecepatan cahaya berbeda pada setiap medium.

Hukum yang berlaku pada pembiasan cahaya, yaitu:

• Sinar datang, garis normal, dan sinar pantul terletak pada satu bidang datar dan berpotongan di satu titik.
• Jika sinar datang dari medium kurang rapat ke medium lebih rapat, sinar akan dibiaskan mendekati garis normal. Ini berarti sudut bias lebih kecil daripada sudut datangnya.
• Jika sinar datang dari medium lebih rapat ke medium kurang rapat, cahaya akan dibiaskan menjauhi garis normal. Maka, sudut datang lebih kecil daripada sudut bias.
• Jika sinar datang tegak lurus batas dua medium, maka sinar tidak dibiaskan melainkan akan diteruskan.

Rumus-rumus yang berlaku pada pembiasan cahaya:

Keterangan:

n = indeks bias medium

c = cepat rambat cahaya di ruang hampa (3 x 10⁸ m/s)

v = cepat rambat cahaya dalam medium (m/s)

Indeks bias medium adalah nilai perbandingan antara proyeksi sinar datang dan proyeksi sinar bias pada bidang bias.

D = i + r – β

Keterangan:

D = sudut deviasi

i = sudut datang

r = sudut bias

β = sudut pembias

Sudut deviasi adalah sudut yang dibentuk oleh perpanjangan sinar datang dan sinar bias yang meninggalkan prisma.

Alat Optik

Alat optic adalah alat yang cara kerjanya menggunakan proses pemantulan dan pembiasa cahaya, yaitu:

Cermin

Jenis-jenis cermin:

1. Cermin cembung: cermin negative, cermin yang lengkungan permukaannya mengarah ke luar. Cermin sembung bayangannya bersifat maya, tegak, diperkecil, dan terletak di belakangcermin. Keistimewaan sinar cermin cembung, yaitu:
   • Sinar datang yang melalui titik pusat kelengkungan dipantulkan kembali seolah-oleh dari titik pusat kelengkungan tersebut.
   • Sinar datang apabila sejajar sumbu utama akan dipantulkan seolah-olah berasal dari titik fokus.
   • Sinar datang yang melalui titik fokus akan dipantulkan sejajar sumbu utama.
2. Cermin cekung: cermin positif, cermin yang lengkungan permukaannya mengarah ke dalam. Bersifat mengumpulkan cahaya/konvergen. Keistimewaan sinar cermin cekung, yaitu:
   • Sinar datang yang melalui titik pusat kelengkungan akan dipantulkan kembali melalui titik pusat kelengkungan tersebut.
   • Sinar datang yang sejajar sumbu utama akan dipantulkan melalui titik fokus.
   • Sinar datang yang melalui titik fokus akan dipantulkan sejajar sumbu utama.
3. Cermin datar: cermin yang terbuat dari kaca yang salah satu bagian pada permukaannya dilapisi amalgam perak. Cermin datar bayangannya bersifat:
   • Sama besar dan simetris
   • Maya, tidak dapat ditangkap layar
   • Jarak bayangan terhadap cermin sama dengan jarak benda terhadap cermin
   • Tegak, arah bayangan sama dengan arah bendanya

Rumus yang berlaku pada cermin cekung dan cermin cembung, yaitu:

Keterangan:

f = jarak fokus (cm)

s = jarak benda (cm)

s^’ = jarak bayangan (cm)

M = perbesaran bayangan

h = tinggi benda (cm)

h^’ = tinggi bayangan (cm)

f bertanda positif apabila cerminnya cekung, dan f bertanda negative apabila cerminnya cembung.

Lensa

Jenis-jenis lensa:

Lensa cekung

Lensa cekung adalah lensa dengan bagian tengah lebih tipis dibandingkan dengan bagian tepinya. Keistimewaan sinar pada lensa cekung, yaitu:

• Sinar datang yang melalui titik pusat lensa (O) akan diteruskan lurus tanpa dibiaskan.
• Sinar datang yang sejajar sumbu utama dibiaskan seolah-olah berasal dari titik fokus F₁ .
• Sinar datang yang seolah-olah menuju titik fokus F₂ akan dibiaskan sejajar sumbu utama.

Jenis-jenis lensa cekung ada 3, yaitu:

• Bikonkaf: lensa cekung ganda
• Plankonkaf: lensa cekung datar
• Konveks konkaf: lensa cekung cembung

Lensa cembung

Lensa cembung adalah lensa dengan bagian tengah yang lebih tebal dibandingkan bagian tepinya. Keistimewaan sinar pada lensa cembung, yaitu:

• Sinar datang yang melalui titik pusat lensa (O) akan diteruskan lurus tanpa dibiaskan.
• Sinar datang yang sejajar sumbu utama dibiaskan melalui titik fokus F₁ yang terdapat di belakang lensa.
• Sinar datang yang melalui titik fokus F₂ yang terdapat di depan lensa akan dibiaskan sejajar sumbu utama.

Rumus-rumus yang berlaku pada lensa cekung dan lensa cembung, yaitu:

Keterangan:

f = jarak fokus (cm)

s = jarak benda (cm)

s^’ = jarak bayangan (cm)

M = perbesaran bayangan

h = tinggi benda (cm)

h^’ = tinggi bayangan (cm)

P = kekuatan lensa (dioptri)

f bertanda negatif apabila lensanya cekung, dan f bertanda positif apabila lensanya cembung.

Aplikasi lensa

Alat-alat yang memanfaatkan terjadinya pembiasan dan pemantulan cahaya pada lensa:

Mata

1. Terdapat lensa mata yang digunakan untuk menerima cahaya yang dipantulkan oleh benda yang kita lihat.
2. Daya akomodasi mata, yaitu:
   • Kemampuan lensa mata untuk menipis atau menebal sesuai dengan jarak benda yang di lihat.
   • Punctum proximum (titik terdekat yang dapat di lihat oleh mata) dan punctum remotum (titik terjauh yang dapat di lihat oleh mata)
3. Jenis-jenis cacat mata, diantaranya:
   • Rabun dekat (hipermetropi): mata tidak dapat melihat benda yang berjarak dekat, penderitanya dapat dibantu dengan kacamata berlensa cembung.
   • Rabun jauh (miopi): mata tidak dapat melihat benda yang berjarak jauh, penderitanya dapat dibantu dengan kacamata berlensa cekung.
   • Mata tua (presbiopi): mata tidak dapat melihat benda –benda yang berjarak jauh dan dekat. Penderitanya orang-orang lanjut usia dan dapat dibantu dengan kacamata berlensa ganda (lensa cembung dan lensa cekung).

Mikroskop

Mikroskop bermanfaat untuk melihat benda-benda yang berukuran sangat kecil (mikro). Lensa-lensa yang terdapat pada mikroskop, yaitu:

• Lensa okuler, lensa yang letaknya dekat dengan mata pengamat. Sifat bayangannya: maya, tegak, dan diperbesar.
• Lensa objektif, lensa yang letaknya dekat dengan objek. Sifat bayangannya: nyata, terbalik, dan diperbesar.

Kamera

Kamera berguna untuk merekam suatu peristiwa atau kejadian dalam bentuk gambar. Bagian-bagian yang terdapat pada kamera, yaitu:

1. Aperture: alat yang berfungsi untuk memasukkan cahaya dari objek yang dipotret.
2. Diafragma: alat untuk mengatur banyaknya cahaya yang masuk.
3. Film: alat untuk menangkap bayangan yang dibentuk lensa.
4. Lensa cembung: sebagai pembentuk bayangan objek yang akan diambil gambarnya

Lup

Lup adalah lensa cembung yang bermanfaat untuk melihat benda kecil sehingga terlihat lebih besar. Sifat bayangannya adalah maya, tegak, dan diperbesar.

Periskop

Periskop sering digunakan pada kapal selam untuk melihat benda-benda dipermukaan laut.

Teleskop /teropong

Teleskop adalah alat yang digunakan untuk melihat benda-benda yang berjarak jauh sehingga terlihat lebih dekat dan jelas. Jenis-jenis teropong, diantaranya:

• Teropong bintang: untuk mengamati benda-benda di langit.
• Teropong bumi: untuk mengamati benda-benda dipermukaan bumi yang letaknya sangat jauh.

Prisma

Prisma merupakan benda tembus cahaya yang terbuat dari kaca dan dibatasi oleh dua bidang permukaan yang membentuk sudut pembias.Prisma bisa digunakan untuk mengamati dan mengukur sudut deviasi cahaya datang karena pembiasan dan dispersi.

Soal No.1

Pada cermin di bawah sifat bayangan dari benda AB adalah ….

1. maya, tegak, diperkecil
2. nyata, terbalik, diperbesar
3. maya, tegak, diperbesar
4. nyata, terbalik, diperkecil

PEMBAHASAN :
Benda berada di ruang II di antara fokus (F) dan titik pusat (P) maka akan bersifat nyata, terbalik, dan diperbesar.
Dapat dijelaskan pada gambar berikut

Jawaban B

Soal No.2

Suatu benda di ruang II diamati menggunakan lup, maka bayangan yang terlihat adalah….

1. Jelas
2. Tidak terlihat
3. Maya
4. Tidak jelas

PEMBAHASAN :
Lup adalah alat optik dengan lensa positif atau lensa cembung. Karena benda ditempatkan di ruang II maka berada di antara F dan M.
Lihat gambar dibawah ini!

Maka, bayangannya berada di ruang III  bersifat diperbesar dan maya.
Jawaban C

Soal No.3

Sebuah benda terletak 30 cm didepan lensa cembung seperti terlihat pada gambar.

Maka perbesaran bayangan yang terjadi adalah ….

1. 2 kali
2. 1,5 kali
3. 1 kali
4. 0,5 kali

PEMBAHASAN :
Diketahui:
Jarak benda (s) = 60cm
Jarak fokus (f) = 20cm
Menentukan jarak bayangan (s’).

Menentukan perbesaran bayangan

Maka perbesarannya adalah 2 kali
Jawaban A

Soal No.4
Sebelum menggunakan kacamata

Setelah menggunakan kacamata

Dari gambar di atas jenis cacat dan kacamata yang harus digunakan adalah …..

1. Miopi, menggunakan lensa cekung
2. Astigmatisme, menggunakan lensa silindris
3. Presbiopi, menggunakan lensa rangkap
4. hipermetropi, menggunakan lensa cembung

PEMBAHASAN :
Penjelasan untuk masing-masing

• Miopi atau rabun jauh, yaitu mata tidak dapat melihat benda yang jaraknya jauh. titik bayangan benda akan jatuh didepan retina. Dapat dibantu dengan kacamata berlensa cekung.
• astigmatisme atau mata dapat melihat garis vertikal lebih jelas daripada garis horizontal. Penderita astigmatisme dapat dibantu dengan kacamata berlensa silindris.
• hipermetropi atau rabun dekat yaitu mata yang tidak dapat melihat benda yang jaraknya dekat. titik bayangan benda jatuh di belakang retina. Dapat dibantu dengan kacamata berlensa cembung.
• Presbiopi merupakan mata orang Lanjut Usia, dapat dibantu dengan kacamata berlensa rangkap.

Karena bayangan jatuh di belakang retina maka termasuk cacat mata hipermetropi yang dapat dibantu dengan kacamata berlensa cembung.
Jawaban D

Soal No.5

Pada penderita cacat mata miopi jalannya sinar ditunjukkan oleh gambar

PEMBAHASAN :

Penjelasan jalannya sinar pada mata sebagai berikut.

• Pada mata normal bayangan akan jatuh tepat pada retina mata.
  
• Pada mata miopi (rabun jauh) bayangan akan jatuh di depan retina.
  
• Pada mata hipermetropi (rabun dekat) bayangan akan jatuh dibelakang retina.
  

Maka jalannya sinar pada cacat mata miopi yaitu gambar d
Jawaban D

Soal No.6

Perhatikan gambar berikut!

Berdasarkan data yang tampak pada gambar, jarak fokus lensa tersebut adalah ….

1. 5 cm
2. 8 cm
3. 10 cm
4. 12 cm

PEMBAHASAN :
Diketahui:

• Jarak benda (s) = 15 cm
• Jarak bayangan (s’) = 30 cm
  (s’ (+) positif karena bayangan berada di belakang lensa)

Menentukan jarak fokus dari persamaan lensa:

Jawaban C

Soal No.7

Gambar yang menunjukkan arah pembiasan cahaya dari udara ke air adalah….

PEMBAHASAN :
Berdasarkan hukum snellius
Sinar merambat dari zat optik yang kurang rapat ke zat yang lebih rapat, sehingga sinar akan dibiaskan mendekati garis normal.
Karena air merupakan zat optik yang lebih rapat dibandingkan udara, maka arah pembiasan akan mendekati garis normal seperti berikut:

Jawaban A

Soal No.8

Gambar sinar istimewa pada cermin cekung adalah ….

PEMBAHASAN :

Sifat sinar istimewa yang dimiliki cermin cekung yaitu sebagai berikut:

• Sinar datang sejajar sumbu utama dipantulkan melalui titik F.
  
• Sinar datang melalui titik F dipantulkan sejajar sumbu utama.
  
• Sinar datang melalui titik M dipantulkan titik M itu juga.
  

Maka, sinar istimewa yang benar pada cermin cekung yaitu gambar B
Jawaban B

Soal No.9

Perhatikan gambar

Di depan sebuah cermin diletakkan benda yang berjarak 5 m di muka cermin datar, tinggi bayangan dan jarak bayangannya dari cermin adalah ….

PEMBAHASAN 
Jika suatu benda ditempatkan di depan cermin datar maka akan memiliki ifat bayangan sama tingginya dan sama jaraknya. Sehingga tinggi bayangannya sama dengan tinggi benda = 1 m dan  jarak bayangan sama dengan jarak benda yaitu 5 m
Jawaban A

Soal No.10

Suatu benda ditempatkan di depan lensa bayangan yang dibentuk dari lensa memiliki jarak….

1. 10 cm
2. 15 cm
3. 20 cm
4. 25 cm

PEMBAHASAN :
Diketahui:
F = 18 cm
s = 10 cm
Menentukan jarak bayangan (s’)

Maka, jarak bayangan yang dibentuk adalah 15 cm.
Jawaban B

Soal No.11

Sebuah patung diletakkan 8 cm di depan cermin datar. Apabila cermin di geser 12 cm menjauhi patung, jarak bayangan terhadap benda adalah …

1. 24 cm
2. 20 cm
3. 36 cm
4. 48 cm

PEMBAHASAN :
Cermin datar memiliki sifat, yaitu jarak bayangan = jarak benda. Jarak awal patung adalah 8 cm, maka jarak bayangan terhadap pada posisi ini adalah 8 cm + 8 cm = 16 cm. ketika jaraknya menjadi 12 cm maka jarak bayangan terhadap benda menjadi  12 cm + 12 cm = 24 cm.
Jawaban A

Soal No.12

Sebuah tongkat dengan tinggi 5 cm di letakkan  30 cm di depan sebuah cermin cembung yang jarak fokus 20 cm. Perbesaran bayangannya adalah …

1. 0,4 kali
2. 0,5 kali
3. 0,6 kali
4. 0,7 kali

PEMBAHASAN :
Diketahui:
Tinggi benda = h = 5 cm
Jarak benda = s = 30 cm
Jarak fokus = f = – 20 cm, cermin cembung f bernilai negatif

Menentukan letak bayangan, sebagai berikut:

Maka, letak bayangan 12 cm di belakang cermin.

Kemudian menentukan perbesaran bayangannya, dapat dihitung sebagai berikut:

Sehingga perbesaran bayangan tongkat tersebut adalah 0,4 kali.
Jawaban A

Soal No.13

Pernyataan berikut merupakan keistimewaan sinar pada cermin cembung yaitu …

1. Sinar datang yang melalui titik pusat kelengkungan akan dipantulkan kembali melalui titik pusat kelengkungan tersebut.
2. Sinar datang yang sejajar sumbu utama akan dipantulkan melalui titik fokus.
3. Sinar datang yang melalui titik fokus akan dipantulkan sejajar sumbu utama.
4. Sinar datang sejajar sumbu utama dibiaskan melalui titik fokus

PEMBAHASAN :
Keistimewaan sinar cermin cembung, yaitu:

• Sinar datang yang melalui titik pusat kelengkungan dipantulkan kembali seolah-oleh dari titik pusat kelengkungan tersebut.
• Sinar datang apabila sejajar sumbu utama akan dipantulkan seolah-olah berasal dari titik fokus.
• Sinar datang yang melalui titik fokus akan dipantulkan sejajar sumbu utama.

Jawaban C

Soal No.14

Alat optik yang digunakan untuk melihat benda-benda yang berukuran sangat kecil (mikro) adalah …

1. Kamera
2. Lup
3. Teleskop
4. Mikroskop

PEMBAHASAN :
Beberapa alat optik yang kita kenal, diantaranya:

• Kamera: berguna untuk merekam suatu peristiwa atau kejadian dalam bentuk gambar
• Lup: lensa cembung yang bermanfaat untuk melihat benda kecil sehingga terlihat lebih besar
• Teleskop: alat yang digunakan untuk melihat benda-benda yang berjarak jauh sehingga terlihat lebih dekat dan jelas
• Mikroskop: bermanfaat untuk melihat benda-benda yang berukuran sa.,mmngat kecil (mikro)

Jawaban D

Soal No.15

Lensa cekung adalah lensa dengan bagian tengah lebih tipis dibandingkan dengan bagian tepinya. Keistimewaan sinar pada lensa cekung adalah, kecuali:

1. Sinar datang yang melalui titik pusat lensa (O) akan diteruskan lurus tanpa dibiaskan.
2. Sinar datang yang sejajar sumbu utama dibiaskan seolah-olah berasal dari titik fokus F₁ .
3. Sinar datang yang seolah-olah menuju titik fokus F₂ akan dibiaskan sejajar sumbu utama
4. Sinar datang yang melalui titik fokus F₂ yang terdapat di depan lensa akan dibiaskan sejajar sumbu utama.

PEMBAHASAN :
Keistimewaan sinar pada lensa cekung, yaitu:

• Sinar datang yang melalui titik pusat lensa (O) akan diteruskan lurus tanpa dibiaskan.
• Sinar datang yang sejajar sumbu utama dibiaskan seolah-olah berasal dari titik fokus F₁
• Sinar datang yang seolah-olah menuju titik fokus F₂ akan dibiaskan sejajar sumbu utama

Jawaban D

Soal No.16

Sebuah lensa memiliki jarak fokus 20 cm, sehingga kekuatan lensanya adalah …

1. 5 dioptri
2. 4 dioptri
3. 3 dioptri
4. 2 dioptri

PEMBAHASAN :
Diketahui:
Jarak fokus = f = 20 cm = 0,2 m
Maka kekuatan lensa dapat dihitung sebagai berikut:

Jawaban A

Soal No.17

Sebuah pensil diletakkan tegak lurus pada sumbu utama cermin cekung dengan jarak fokus 4 cm. Apabila jarak pensil terhadap cermin 8 cm, maka jarak bayangannya adalah …

1. 4 cm
2. 5 cm
3. 6 cm
4. 8 cm

PEMBAHASAN :
Diketahui:
Jarak fokus = f = 4 cm
Jarak pensil = s = 8 cm

Maka jarak bayangan (s^’ ) dapat dihitung sebagai berikut:

Jawaban D

Soal No.18

Pernyataan yang sesuai dengan sifat-sifat yang dimiliki cahaya adalah sebagai berikut …

1. Cahaya hanya dapat dilihat dengan bantuan lensa khusus
2. Cahaya merambat memerlukan medium
3. Mengalami refleksi, refraksi, dan difraksi
4. Tidak dapat menembus benda bening

PEMBAHASAN :
Cahaya memiliki beberapa sifat, sebagai berikut:

• Cahaya dapat dilihat oleh mata
• Cahaya merambat lurus
• Dapat menembus benda bening
• Terjadi pemantulan/refleksi
• Terjadi pembiasan/refraksi
• Terjadi pelenturan/difraksi
• Memiliki energi
• Bisa merambat tanpa medium
• Merupakan gelombang dan partikel (dualisme)
• Memancar dalam bentuk radiasi

Jawaban C

Soal No.19

Diketahui sebuah benda memiliki tinggi 3 cm, jarak benda 8 cm di depan lensa cembung, dan jarak fokusnya 5 cm. Maka letak bayangannya berada …

1. 11,3 cm di belakang lensa
2. 12,3 cm di depan lensa
3. 13,3 cm di belakang lensa
4. 14,3 cm di depan lensa

PEMBAHASAN :
Diketahui:
Tinggi benda = h = 3 cm
Jarak benda = s = 8 cm, di depan lensa cembung
Jarak fokus = f = 5 cm, lensa cembung f bernilai positif

Maka jarak bayangan dapat dihitung sebagai berikut:

Sehingga letak bayangan berada 13,3 cm di belakang lensa, bernilai positif.
Jawaban C

Soal No.20

Terdapat sebuah benda yang diletakkan 15 cm di depan sebuah lensa cekung dengan jarak fokus 5 cm. Maka perbesaran bayangannya sebesar …

1. 0,15 kali
2. 0,25 kali
3. 0,35 kali
4. 0,45 kali

PEMBAHASAN :
Diketahui:
Jarak benda = s = 15 cm, di depan lensa
Jarak fokus = f = -5 cm, lensa cekung f bernilai negatif

Menentukan letak bayangan berada, sebagai berikut:

Bayangan berada -3,75 cm di depan lensa. Sedangkan perbesaran bayangannya adalah:

Jawaban B