PRISMA
Muhammad Rizal Fahlepy*
Laboratorium Fisika Dasar Jurusan Fisika FMIPA
Universitas Negeri Makassar
Abstrak. Telah dilakukan percobaan berjudul Prisma yang bertujuan untuk mengetahui tata cara menggunakan spektrometer optik dengan benar, memahami prinsip penguraian cahaya oleh prisma, dan menentukan indeks bias dan daya dispersi sebuah prisma. Praktikum ini terdiri dari dua kegiatan, kegiatan 1 dilakukan untuk menentukan sudut pembias prisma dan kegiatan 2 dilakukan untuk menentukan indeks bias dan daya dispersi prisma. Dari praktikum ini diketahui bahwa spektrometer optik adalah alat yang digunakan untuk mengukur sudut dimana alat ini terdiri atas tiga komponen utama yaitu kolimator, meja spektrometer, dan teleskop. Dalam menggunakan spektrometer optik harus dipastikan bahwa alat berada dalam kondisi stabil dan telah terkalibrasi dengan benar. Dari kegiatan 1 diketahui bahwa sudut pembias prisma yang digunakan dalam percobaan sebesar α=|59,51667±0,01667|°. Dari kegiatan dua diketahui bahwa indeks bias cahaya merah sebesar nm=|1,5285800±0,0001980|, indeks bias cahaya kuning sebesar n_k=|1,5325800±0,0001990|dan indeks bias cahaya biru sebesar n_b=|1,5804000±0,0002200|. Daya dispersi prisma yang digunakan dalam percobaan sebesar Φ=|0,0972900±0,0008210|.
A. RUMUSAN MASALAH
- Bagaimana cara menggunakan spektrometer dengan benar?
- Bagaimana prinsip penguraian cahaya oleh prisma?
- Bagaimana cara menentukan indeks bias dan daya dispersi sebuah prisma?
B. TUJUAN
- Mahasiswa dapat menggunakan spektrometer optik dengan benar.
- Mahasiswa dapat memahami prinsip penguraian cahaya oleh prisma.
- Mahasiswa dapat menentukan indeks bias dan daya dispersi sebuah prisma.
C. TEORI SINGKAT
Salah satu percobaan terpenting dalam fisika terjadi di sebuah kamar gelap di Cambridge, Inggris, pada sekitar tahun 1665. Fisikawan, Isaac Newton, melewatkan berkas sinar matahari menembus sebuah lubang di tirai dan menyinarkannya ke sebuah prisma kaca. Ia terkejut, pita-pita sejajar warna pelangi tampak di tembok di sebalik prisma. Dari pengamatan ini, Newton menyimpulkan bahwa sinar matahari terdiri atas campuran warna yang telah dipisahkan oleh prisma. Ketika ia memilih hanya satu warna dan menyinarkannya melalui prisma kedua, tidak terjadi perubahan lebih lanjut (Clark: 2009, 22).
Fisika modern dapat dengan mudah menjelaskan apa yang terjadi pada kamar Newton. Cahaya putih tersusun atas campuran warna pelangi, dari warna merah hingga ungu dengan keseluruhan warna lain diantaranya. Saat memasuki prisma, setiap warna dibiaskan (dibelokkan). Namun cahaya merah tidak dibelokkan sejauh cahaya ungu. Akibatnya, cahaya merah dan ungu keluar dari prisma pada sudut yang berbeda (dan warna-warna di antaranya muncul di antara kedua sudut warrna-warna itu). Ini berpengaruh pada penyebaran warna penyusun cahaya putih menjadi sebuah spektrum. Warna-warna tersebut adalah merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu (Clark: 2009, 23).
Jenis pembiasan khusus oleh prisma dikenal sebagai dispersi. Dan berbagai warna yang dihasilkan disebut spektrum. Ini menjelaskan warna-warna yang kadang terlihat ketika sinar matahari menyinari gelas kristal atau fiting lampu hias. Ini juga menjelaskan pembentukan pelangi (Clark: 2009, 23).
Peristiwa penguraian gelombang (dispersi) akan terjadi pada saat kumpulan gelombang dengan laju yang sama merambat dalam suatu medium sampai pada suatu bidang batas sehingga masing-masing gelombang mengalami pembiasan dengan laju yang berbeda-beda (indeks bias yang berbeda). Sehingga kumpulan gelombang tersebut akan diuraikan menjadi gelombang masing-masing. Dengan demikian, jika kita merambatkan satu kelompok gelombang dalam suatu medium, maka pada saat kelompok gelombang itu sampai pada bidang batas kelompok gelombang sesuai dengan arah rambat gelombang bias (Suroso: 2002, 225).
Dari uraian di atas, dapat dikatakan bahwa indeks bias merupakan fungsi panjang gelombang. Oleh karena itu hukum pembiasan Snell menunjukkan bahwa cahaya dengan berbagai panjang gelombang yang berbeda dibelokkan pada berbagai sudut yang berbeda saat datang mengenai suatu bahan refraktif. Nilai indeks bias umumnya menurun seiring bertambahnya panjang gelombang. Hal ini berarti bahwa cahaya ungu membelok lebih besar dibandingkan cahaya merah saat merambat dalam suatu bahan refraktif. Seberkas sinar cahaya dengan panjang gelombang tunggal yang datang pada prisma dari sebelah kiri keluar dibiaskan dari arah rambat awalnya oleh sudut δ yang disebut sudut deviasi (Serway: 2010, 22-23).
Secara matematis indeks bias (n) prisma adalah:
n= (sin 1/2 (α+δ_m))/(sin 1/2 α) (1.1)
Dengan sebagai sudut pembias prisma, dan adalah sudut deviasi minimum. Sudut deviasi adalah sudut antara perpanjangan sinar datang dengan perpanjangan sinar-sinar bias pada sisi kanan prisma. Sedangkan sudut deviasi minimum sudut terkecil yang dapat dihasilkan dengan mengubah sudut datang. Deviasi minimum terjadi jika sinar melalui prisma secara simetris. Berdasarkan persamaan 10.1 di atas, maka untuk spektrum warna merah, kuning dan biru dapat diturunkan persamaan indeks bias bahan prisma untuk berbagai panjang gelombang yaitu:
n_b= (sin 1/2 (α+δ_b))/(sin 1/2 α) (1.2)
Sedangkan daya dispersi bahan prisma yaitu :
Φ=(nb - nm)/(nk-1) (1.3)
Percobaan ini menggunakan alat ukur sudut dengan teropong yang disebut spektrometer,. Untuk itu, sebelum anda melakukan percobaan untuk mengungkapkan karakteristik prisma, maka terlebih dahulu anda harus mengetahui cara menggunakan dan membaca skala pada spektrometer. Susunan spektrometer dan komponen komponennya diperlihatkan seperti gambar di bawah ini.
Gambar 1. Susunan spektrometer dan komponen-komponennya
Komponen spektrometer yang harus diketahui oleh setiap praktikan adalah:
1. Kolimator
Kolimator merupakan tabung yang dilengkapi dengan sebuah lensa yang berhadapan dengan prisma, dan sebuah celah yang dapat diatur-atur lebarnya yang berhadapan dengan sumber cahaya.
2. Teleskop
Teleskop ini berfungsi untuk menentukan posisi benang silang maupun spectrum warna. Teleskop dilengkapi sebuah lensa obyektif yang menghadap langsung dengan meja prisma, dan sebuah lensa okuler yang dapat ditarik atau didorong. Teleskop ini juga dapat diputar ke kiri maupun ke kanan. Teleskop bagian bawahnya dilengkapi dengan skala derajat yang dapat dibaca pada skala S1 atau S2 (ada dua tempat untuk membaca skala). Skala yang berputarbersama teleskop dan mengitari lempengan skala utama disebut skala nonius.
3. Meja spektrometer
Meja ini berfungsi untuk menempatkan prisma. Meja ini dapat berputar dan memiliki kunci sudut pembias prisma (Herman: 2015, 33-35).
D. METODE EKSPERIMEN
Alat dan Bahan
a. Alat
- Spektrometer optik 1 buah
- Kaca pembesar 1 buah
- Sumber cahaya spektrum diskrit (Halogen atau Mercury) 1 buah
- Senter 1 buah
- Kalkulator 1 buah
b. Bahan
- Prisma sama sisi 60° 1 buah
Identifikasi Variabel
Kegiatan 1
Variabel diukur : Sudut pembias (α)
Kegiatan 2
Variabel diukur : Sudut deviasi minimum spektrum merah (δm), sudut deviasi minimum spektrum kuning (δk), sudut deviasi minimum spektrum biru (δb)
Definisi Operasional Variabel
Kegiatan 1
Variabel diukur: Sudut pembias (α). Sudut pembias adalah nilai yang didapatkan dari penjumlahan antara sudut 1 (T1) dan sudut 2 (T2) kemudian dibagi dua.
Kegiatan 2
Variabel diukur: Sudut deviasi minimum spektrum merah (δm), sudut deviasi minimum spektrum kuning (δk), sudut deviasi minimum spektrum biru (δb)
Sudut deviasi minimum spektrum merah (δm) adalah nilai yang didapatkan dari selisih antara sudut pembias spektrum merah (Tm) dan sudut acuan (T0), satuannya adalah derajat (°).
Sudut deviasi minimum spektrum kuning (δk) adalah nilai yang didapatkan dari selisih antara sudut pembias spektrum kuning (Tk) dan sudut acuan (T0), satuannya adalah derajat (°).
Sudut deviasi minimum spektrum biru (δb) adalah nilai yang didapatkan dari selisih antara sudut pembias spektrum biru (Tb) dan sudut acuan (T0), satuannya adalah derajat (°).
Prosedur Kerja
Cara mengatur spektrometer
Mengatur sedemikian rupa sehingga teleskop segaris dengan kolimator dan goresan sejajar meja spektrometer segaris dengan sumbu optis teleskop dan kolimator. Setelah itu, Mengeratkan sekrup pengunci teleskop dan meja optik agar tidak bergeser. Kemudian menempatkan sumber cahaya kurang lebih 1 cm dari celah kolimator. Tanpa kisi atau prisma diatas meja optik, mengamati berkas cahaya lewat teleskop. Selanjutnya, mengusahakan untuk melihat garis vertikal terang dan jelas. Jika belum terlihat, mengatur lebar celah kolimator. Mengimpitkan berkas garis tersebut dengan garis vertikal pada teleskop. Mengatur sedemikian rupa agar titik nol skala utama tepat berimpit dengan titik nol skala nonius tepat dibawah teleskop atau titik nol skala nonius dengan titik 180o pada skala utama tepat dibawah kolimator. Menggunakan spektrometer.
Kegiatan 1. Menentukan sudut pembias prisma
Mengatur spektrometer sebagaimana penjelasan sebelumnya. Menempatkan prisma sedemikian sehingga salah satu ujung prisma tepat kena cahaya dari kolimator. Memutar teleskop ke arah kiri secara perlahan-lahan sedemikian sehingga akan terlihat garis cahaya dan menghimpitkan dengan tanda “+” pada teleskop. Pada kedudukan ini, mencatat berapa pembacaan skala pada spektrometer (T_1). Memutar kembali secara perlahan–lahan sedemikian sehingga pada teleskop tampak garis cahaya. Pada kedudukan ini, mencatat skala pada spektrometer (T_2).
Kegiatan 2
Mengatur posisi prisma sedemikian rupa sehingga salah satu sisi prisma membentuk sudut tertentu dengan kolimator. Memutar ke kiri secara perlahan-lahan sedemikian sehingga pada teleskop tampak spektrum warna. Setelah itu, mengamati spektrum tersebut dengan memutar meja prisma pada satu arah secara perlahan-lahan, maka akan tampak spektrum bergeser. Jika terus memutar meja dalam arah yang sama, spektrum itu akan berbalik arah dari arah semula. Posisi prisma pada saat spektrum tepat akan berbalik merupakan posisi yang memberikan sudut deviasi minimum. Tidak mengutak-atik prisma pada posisi ini. Menggeser teleskop sehingga tanda + berimpit tepat dengan garis spektrum warna merah. Pada kedudukan ini, mencatat posisi teleskop (T_m). Mengulangi langkah ke 4 untuk spektrum warna biru (T_b) dan spektrum warna kuning (T_k).
E. HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISIS DATA
Untuk dapat melihat hasil praktikum dan analisis data silahkan klik link berikut (Hasil dan Analisis Data Prisma)
F. PEMBAHASAN
Eksperimen berjudul Prisma ini terdiri atas dua kegiatan. Kegiatan pertama bertujuan untuk menentukan sudut pembias prisma dan kegiatan kedua bertujuan untuk menentukan indeks bias dan daya dispersi prisma.
Kegiatan pertama dilakukan dengan menentukan sudut acuan (T0) terlebih dahulu, yaitu sebesar T0 = |0,00000 ± 0,01667|° kemudian menentukan sudut 1 (T1) dan sudut 2 (T2) yaitu T1 = |62,75000 ± 0,01667|° dan T2 = |56,28334 ± 0,01667|°. Dari data-data tersebut dapat dihitung besarnya sudut pembias prisma dengan menggunakan persamaan α= (T_1+ T_2)/2 dan diperoleh hasil α = |59,51667 ± 0,01667|°. Besar kesalahan relatif untuk nilai sudut pembias prisma adalah 0,028 %. Kesalahan ini terjadi karena beberapa sebab, di antaranya spektrometer tidak terkalibrasi dengan tepat atau ketidaktelitian praktikan ketika membaca skala pada spektrometer.
Kegiatan kedua dilakukan untuk menentukan indeks bias dan daya dispersi prisma. Pertama-tama praktikan menentukan besarnya sudut pembias untuk masing-masing spektrum warna yaitu merah, kuning, dan biru. Dari hasil pengukuran sudut pembias spektrum warna dapat ditentukan sudut deviasi minimumnya, yaitu dengan cara menghitung selisih antara sudut pembias spektrum warna dan sudut acuan. Berdasarkan hasil pengamatan, besar sudut pembias spektrum warna merah adalah Tm = |39,18334 ± 0,01667|°, warna kuning Tk = |39,53334 ± 0,01667|°, dan warna biru Tb = |43,81667 ± 0,01667|°. Sehingga didapatkan nilai sudut deviasi minimum warna merah adalah δm = |39,18334 ± 0,03334|°, warna kuning δk = |39,53334 ± 0,03334|°, dan warna biru δb = |43,81667 ± 0,03334|° dengan kesalahan relatif berturut-turut 0,08508%, 0,08433%, dan 0,07608%. Besar kesalahan ini terjadi sebab praktikan kurang teliti dalam menentukan posisi prisma pada saat tepat akan berbalik sehingga memengaruhi nilai sudut deviasi minimum yang diperoleh. Dari nilai deviasi minimum tersebut dapat ditentukan besar indeks bias untuk masing-masing spektrum warna yaitu nm = |1,5285800 ± 0,0001980|, indeks bias untuk spektrum warna kuning yaitu nk = |1,5325800 ± 0,0001990| dan indeks bias untuk spektrum warna biru adalah nb = |1,580400000 ± 0,0002200|. Adapun besar kesalahan relatif dari ketiga nilai indeks bias tersebut secara berturut-turut adalah 0,0129%, 0,012984%, dan 0,000139%. Kesalahan ini didapatkan dari ketidakpastian nilai sudut deviasi minimum yang telah diperoleh sebelumnya, yakni berkaitan dengan pembacaan skala pada saat menentukan posisi prisma untuk mengetahui sudut deviasi minimum. Dari nilai-nilai indeks bias tersebut dapat diketahui bahwa besar indeks bias berbanding lurus dengan spektrum warna dan berbanding terbalik dengan panjang gelombangnya. Adapun besar daya dispersi prisma yang digunakan dalam kegiatan ini berrdasarkan analisis adalah Φ = |0,0972900 ± 0,0008210| dengan besar kesalahan relative 0,84%. Besar kesalahan relatif pada nilai daya dispersi prisma ini berasal dari besar kesalahan dari perhitungan indeks bias di atas.
Berdasarkan hasil pengamatan dan analisis data pada kegiatan ini, dapat dikatakan bahwa hasil eksperimen sesuai dengan teori, di mana nilai indeks bias berbanding terbalik dengan panjang gelombang untuk setiap spektrum warna dan indeks bias berbanding lurus dengan sudut deviasi minimum untuk warna merah, kuning, dan biru.
G. SIMPULAN
Setelah melakukan percobaan ini, dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:
Spektrometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur sudut. Penggunaan spektrometer harus dilakukan dengan teliti dan harus dipastikan bahwa spektrometer berada dalam keadaan stabil dan telah terkalibrasi dengan benar.
Prisma merupakan suatu benda bening yang dapat merupakan cahaya polikromatik menjadi cahaya yang terdiri atas satu gelombang (monokromatik). Cahaya polikromatik yang jatuh pada sisi prisma akan terurai menjadi panjang gelombang. Panjang gelombang sebuah cahaya berbanding terbalik dengan indeks bias cahaya itu.
Besar indeks bias untuk warna merah adalah nm = |1,5285800 ± 0,0001980|, indeks bias untuk spektrum warna kuning yaitu nk = |1,5325800 ± 0,0001990| dan indeks bias untuk spektrum warna biru adalah nb = |1,580400000 ± 0,0002200|. Adapun besar daya dispersi prisma yang digunakan dalam kegiatan ini berrdasarkan analisis adalah Φ = |0,0972900 ± 0,0008210|.
DAFTAR RUJUKAN
Clark, John O. 2009. Materi Fisika! Volume 4 CAHAYA. Bandung: PT. Intan Sejati.
Herman dan Asisten LFD. 2015. Penuntun Praktikum Fisika Dasar 2. Makassar: Universitas Negeri Makassar.
Serway, Raymond A. dan John W. Jewett. 2010. Fisika—untuk Sains dan Teknik Buku 2 Edisi 6. Jakarta: Salemba Teknika.
Suroso. 2002. Ensiklopedi Sains dan Kehidupan. Jakarta: CV. Tarity Samudera Berlian