Sains notesnota, bab 8

Cahaya dan Optik

Notes made with reference toNota dibuat dengan rujukan kepada TextbookBuku teks Sains Tingkatan 1 (KSSM), pageshalaman 220-252

What this chapter coversMatlamat bab ini

Saya boleh membezakan imej sahih dengan imej maya, dan menyatakan ciri imej dalam cermin satah, cermin cekung dan cermin cembung (8.1.1, 8.1.2)
Saya boleh menyatakan bahawa jarak objek sama dengan jarak imej dalam cermin satah, dan menggunakan cermin satah untuk mengaplikasikan konsep pantulan cahaya (8.1.3, 8.1.4)
Saya boleh mewajarkan aplikasi cermin cekung dan cermin cembung, membina alat optik (periskop, kaleidoskop) dan menyelesaikan masalah harian dengan cermin (8.1.5, 8.1.6, 8.1.7)
Saya boleh berkomunikasi mengenai sifat cahaya, iaitu bergerak sangat laju dan bergerak lurus sehingga membentuk bayang-bayang (8.2.1)
Saya boleh menyatakan ciri imej cermin satah, menyatakan hukum pantulan dan melukis gambar rajah sinar pantulan cahaya (8.3.1, 8.3.2, 8.3.3, 8.3.4)
Saya boleh mengitlakkan bahawa pembiasan cahaya berlaku apabila cahaya merambat melalui medium yang berbeza ketumpatan, melukis gambar rajah sinar pembiasan dan merumuskan hubungan antara sudut tuju, i dengan sudut biasan, r (8.4.1, 8.4.2, 8.4.3, 8.4.4)
Saya boleh berkomunikasi mengenai penyebaran cahaya dan menjelaskan contohnya dalam kehidupan harian (8.5.1, 8.5.2)
Saya boleh berkomunikasi mengenai penyerakan cahaya dan menjelaskan mengapa langit biru pada waktu tengah hari dan kemerahan pada waktu senja (8.6.1, 8.6.2)
Saya boleh mengenal pasti warna primer, penambahan warna primer bagi membentuk warna sekunder, penolakan cahaya dan warna selepas penapis warna, serta membezakan penambahan dengan penolakan cahaya (8.7.1, 8.7.2, 8.7.3, 8.7.4, 8.7.5, 8.7.6)

8.1Penggunaan cermin

Imej sahih dan imej maya

Imej sahih ialah imej yang terbentuk pada skrin.
Imej maya ialah imej yang tidak dapat terbentuk pada skrin.

Dalam Aktiviti 8.1, cahaya lilin melalui lubang jarum pada kadbod hitam dan membentuk imej lilin pada kadbod putih yang bertindak sebagai skrin. Imej itu terbentuk pada skrin, maka ia ialah imej sahih. Apabila kita melihat cermin, imej kita terbentuk di belakang cermin dan tidak dapat ditangkap pada skrin, maka imej dalam cermin satah ialah imej maya.

Tiga jenis cermin

Cermin satah, cermin cekung dan cermin cembung dilihat dari sisi — Cermin satah, cermin cekung dan cermin cembung. (Rajah 8.3, m.s. 223)

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 1 (KSSM), m.s. 223.

Cermin	Bentuk permukaan	Aplikasi dalam kehidupan
Cermin satah	Rata	Membantu penari membetulkan pergerakannya; menjadikan ruang bilik kelihatan luas; mengaplikasikan konsep pantulan cahaya (periskop, kaleidoskop)
Cermin cekung	Melengkung ke dalam	Membesarkan imej supaya memudahkan seseorang bersolek; doktor gigi melihat gigi pesakit dengan imej yang lebih besar dan dekat
Cermin cembung	Menonjol ke luar	Memantau keselamatan di selekoh jalan yang berbahaya; melihat setiap sudut pasar raya untuk mengelakkan kecurian; cermin sisi kereta

Penari berlatih di hadapan cermin dinding yang besar

Cermin satah
Penari membetulkan pergerakannya

Cermin tangan bulat yang membesarkan wajah semasa bersolek

Cermin cekung
Imej wajah dibesarkan

Cermin kecil doktor gigi di dalam mulut pesakit

Cermin cekung
Gigi kelihatan lebih besar dan dekat

Cermin bulat pada tiang di selekoh jalan

Cermin cembung
Keselamatan di selekoh berbahaya

Cermin kubah bulat pada siling pasar raya

Cermin cembung
Setiap sudut pasar raya kelihatan

Gambar foto daripada buku teks Sains Tingkatan 1 (KSSM), Gambar foto 8.2, m.s. 224-225.

Cekung = membesarkan (solekan, doktor gigi). Cembung = pandangan luas (selekoh, pasar raya, basikal, cermin sisi kereta). Satah = imej sama saiz.

Pantulan cahaya pada cermin

Cermin satah mengaplikasikan konsep pantulan cahaya: sinar cahaya yang terpancar di atas cermin akan dipantulkan. Setiap imej yang kita lihat dalam cermin dihasilkan oleh cahaya yang dipantulkan.

Alat optik yang menggunakan konsep pantulan cahaya

Alat optik direka cipta oleh ahli sains untuk meningkatkan keupayaan deria penglihatan manusia. Kita seharusnya bersyukur dengan ciptaan itu dan menghargainya.

PeriskopDigunakan pada kapal selam untuk melihat keadaan di permukaan laut. Cahaya dari atas permukaan laut dikesan oleh satu cermin, dipantulkan oleh cermin lain dan menuju ke mata pemerhati. Dalam Aktiviti 8.4, dua cermin satah dipasang saling berhadapan di dalam sebuah kotak dan dua lubang dibuat persis berhadapan dengan tiap-tiap cermin.

KaleidoskopAlat mainan daripada tiga keping cermin satah yang dibentuk menjadi prisma segi tiga di dalam gulungan tisu, dengan manik berwarna-warni di hujungnya. Imej manik berkali-kali dipantulkan, maka bilangan imej yang kelihatan lebih banyak daripada bilangan manik dan pelbagai pola yang mengagumkan terbentuk.

Laluan cahaya dalam periskop dengan dua cermin pada 45 darjah — Periskop: cahaya dipantulkan dua kali oleh dua cermin satah. (Rajah 8.6, m.s. 226)

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 1 (KSSM), m.s. 226.

Sains dan Saya: menyelesaikan masalah dengan cermin (m.s. 228)

Mahu melihat pemandangan di sebelah dinding? Gunakan periskop.
Selekoh jalan yang berbahaya kerana tidak dapat melihat apa-apa di laluan selekoh? Pasang cermin cembung di selekoh itu.
Menunggang basikal dan mahu melihat keadaan di belakang untuk mengelakkan kemalangan? Pasang cermin cembung pada basikal.

Mengapakah kita memerlukan cermin satah di dalam lif?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Supaya ruang yang kecil nampak luas dan selesa. Cermin satah juga berfungsi untuk tujuan keselamatan, iaitu seseorang boleh melihat keadaan di belakang mereka (jawapan buku teks, Praktis Formatif 8.1).

8.2Sifat cahaya

Kelajuan cahaya ialah 3.0 × 10⁸ m s⁻¹. Cahaya bergerak lebih laju daripada bunyi.
Cahaya bergerak lurus.

Kilat dan guruh. Cahaya bergerak lebih laju daripada bunyi, maka kita melihat kilat dahulu sebelum mendengar bunyi guruh.
Cahaya bergerak lurus. Kita dapat melihat pergerakan cahaya yang lurus dalam acara pertunjukan cahaya.
Bayang-bayang. Cahaya matahari bergerak lurus. Payung ialah objek legap, maka cahaya matahari tidak dapat menembusinya. Apabila cahaya dihalang oleh objek legap, bayang-bayang terbentuk di belakang objek itu.
Pelangi. Cahaya boleh disebarkan oleh titisan air di langit untuk membentuk pelangi (lihat 8.5).

Cahaya matahari mengenai payung merah dan bayang-bayang terbentuk di belakangnya — Pembentukan bayang-bayang. (Gambar foto 8.5, m.s. 229)

Gambar foto daripada buku teks Sains Tingkatan 1 (KSSM), m.s. 229.

Bayang-bayang kita paling pendek pada waktu tengah hari, apabila Matahari berada tegak di atas kepala, dan menjadi panjang pada waktu petang apabila Matahari rendah. Jam matahari pada zaman dahulu menggunakan bayang-bayang yang terbentuk apabila cahaya matahari dihalang untuk menentukan masa siang hari. Wayang kulit juga menggunakan bayang-bayang yang terbentuk apabila cahaya dihalang.

Lukis bayang-bayang apabila dua objek legap disinarkan oleh lampu suluh pada skrin. Apakah sifat cahaya yang terlibat?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Bayang-bayang terbentuk di belakang setiap objek legap dengan bentuk yang serupa dengan objek itu. Sifat yang terlibat: cahaya bergerak lurus dan tidak dapat menembusi objek legap.

8.3Pantulan cahaya

Ciri imej yang terbentuk pada cermin satah

Jadual lima ciri imej dalam cermin satah: tegak, sama saiz, jarak objek sama dengan jarak imej, songsang sisi dan maya — Ciri-ciri imej yang terbentuk pada cermin satah. (Jadual 8.1, m.s. 231)

Jadual daripada buku teks Sains Tingkatan 1 (KSSM), m.s. 231.

Imej dalam cermin satah: tegak · songsang sisi · sama saiz dengan objek (H = h) · maya · jarak objek = jarak imej (OA = OB).

Contoh: jarak objek dan jarak imej

Mei berdiri 2 m di hadapan cermin satah.
Jarak imej = jarak objek = 2 m di belakang cermin.
Jarak antara Mei dengan imejnya = 2 + 2 = 4 m.

Hukum pantulan cahaya

Apabila sinar cahaya ditujukan ke atas cermin satah pada sudut tertentu (sudut tuju, i), sinar cahaya itu dipantulkan (sudut pantulan, r). Garis normal ialah garis yang berserenjang dengan cermin pada titik sinar tuju mengenai cermin. Sudut diukur dari garis normal.

Sinar tuju dan sinar pantulan di kedua-dua sisi garis normal pada cermin satah, dengan sudut i dan r — Gambar rajah sinar pantulan cahaya. (Rajah 8.13, m.s. 232)

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 1 (KSSM), m.s. 232.

Hukum pantulan
1. Sinar tuju, sinar pantulan dan garis normal semuanya berada pada satah yang sama.
2. Sudut tuju, i adalah sama dengan sudut pantulan, r (i = r).

Eksperimen 8.1 secara ringkas

Pemboleh ubah dimanipulasikan: sudut tuju, i (10°, 20°, 30°, 40°, 50°).
Pemboleh ubah bergerak balas: sudut pantulan, r. Pemboleh ubah dimalarkan: saiz celah.
Hipotesis: sudut tuju, i adalah sama dengan sudut pantulan, r. Setiap kali, r sama dengan i, maka hipotesis diterima.

Mengukur sudut dari permukaan cermin dan bukan dari garis normal. Jika sinar membuat sudut 30° dengan permukaan cermin, sudut tuju = 90° − 30° = 60°, maka sudut pantulan juga 60°.

Aplikasi pantulan dalam kehidupan harian: kon trafik, papan tanda jalan raya dan segi tiga amaran mempunyai permukaan yang memantulkan cahaya lampu kenderaan supaya pemandu dapat melihatnya pada waktu malam. Perkataan "AMBULANS" ditulis secara songsang sisi supaya pemandu di hadapan dapat membacanya dengan betul dalam cermin pandang belakang.

Sinar cahaya mengenai cermin satah dengan sudut tuju 35°. Berapakah sudut pantulan dan sudut antara sinar pantulan dengan cermin?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Sudut pantulan = 35° (i = r). Sudut dengan cermin = 90° − 35° = 55°.

8.4Pembiasan cahaya

Pembiasan cahaya ialah perubahan arah perambatan atau pembengkokan cahaya apabila cahaya bergerak melalui dua medium yang berbeza ketumpatan.

Pembiasan menerangkan mengapa dasar kolam kelihatan cetek, mengapa ikan kelihatan seperti berada di atas permukaan air dan mengapa pensel kelihatan bengkok dalam gelas berisi air.

Sinar cahaya dari ikan dibiaskan di permukaan air dan imej ikan kelihatan lebih cetek — Ikan kelihatan berada pada kedudukan yang lebih cetek daripada kedudukan sebenar. (Rajah 8.14, m.s. 234)

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 1 (KSSM), m.s. 234.

Gambar rajah sinar pembiasan

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 1 (KSSM), m.s. 234.

Cahaya bergerak dari ...	Apa yang berlaku	Sudut
Medium kurang tumpat ke lebih tumpat (udara ke air, udara ke kaca)	Cahaya terbias mendekati normal	r lebih kecil daripada i
Medium lebih tumpat ke kurang tumpat (air ke udara, kaca ke udara)	Cahaya terbias menjauhi normal	r lebih besar daripada i
Sinar tuju selari dengan normal	Tidak terbias	Arah tidak berubah

Lebih tumpat, dekati normal. Masuk ke medium yang lebih tumpat (udara ke air), cahaya terbias mendekati normal; keluar ke medium yang kurang tumpat (air ke udara), cahaya terbias menjauhi normal.

Eksperimen 8.2 secara ringkas (udara ke blok kaca)

Hipotesis: semakin besar sudut tuju, i, semakin besar sudut biasan, r.
Pemboleh ubah dimanipulasikan: sudut tuju cahaya, i. Bergerak balas: sudut biasan, r. Dimalarkan: saiz celah dan bentuk bongkah kaca.
Graf i melawan r menunjukkan bahawa apabila i bertambah, r juga bertambah, maka hipotesis diterima. Cahaya bergerak dari udara (kurang tumpat) ke kaca (lebih tumpat), maka r sentiasa lebih kecil daripada i.

Disebabkan pembiasan, ikan kelihatan lebih cetek daripada kedudukan sebenar. Untuk menangkap ikan dengan lembing, kita perlu menujukan lembing di bawah imej ikan yang kelihatan.

Mengapakah dasar kolam renang yang dalam kelihatan cetek?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Pembiasan cahaya berlaku apabila sinaran cahaya daripada dasar kolam renang bergerak keluar daripada air. Cahaya terbias menjauhi normal (air lebih tumpat ke udara kurang tumpat), maka imej dasar kolam renang kelihatan cetek berbanding dengan kedalaman sebenarnya.

8.5Penyebaran cahaya

Penyebaran cahaya ialah pemecahan cahaya putih kepada tujuh warna. Susunan warna itu dikenal sebagai spektrum: merah, jingga, kuning, hijau, biru, indigo, ungu.

Cahaya putih memasuki prisma kaca dan keluar sebagai spektrum tujuh warna — Penyebaran cahaya oleh prisma. (Rajah 8.17, m.s. 237)

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 1 (KSSM), m.s. 237.

Apabila cahaya putih ditujukan ke prisma, ia dipecahkan kepada komponen warna yang berbeza. Setiap warna membengkok mendekati normal pada sudut yang berlainan apabila memasuki prisma.
Cahaya yang keluar daripada prisma menjauhi normal dan disebarkan kepada tujuh warna dalam tertib tertentu, iaitu spektrum.

Setiap warna bergerak dengan kelajuan yang berlainan dalam sesuatu medium. Cahaya merah mempunyai kelajuan yang paling tinggi, maka ia paling kurang dibiaskan. Cahaya ungu mempunyai kelajuan yang paling rendah, maka ia paling banyak dibiaskan.

Pelangi: apabila sinar matahari mengenai titisan air hujan di langit, cahaya putih dibiaskan dan disebarkan kepada tujuh warna yang berlainan sebagai pelangi. Pelangi juga dapat dilihat pada air pancut. Dalam Aktiviti 8.7, kita membentuk pelangi dengan cermin di dalam besen air dan lampu suluh.

Namakan warna yang paling banyak dibiaskan oleh prisma kaca dan terangkan sebabnya.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Ungu, kerana cahaya ungu bergerak dengan kelajuan yang paling rendah dalam kaca, maka ia dibiaskan dengan paling banyak (jawapan buku teks, Praktis Formatif 8.5).

8.6Penyerakan cahaya

Penyerakan cahaya berlaku apabila sinar cahaya dihalang dan dipantulkan ke semua arah oleh awan atau zarah-zarah dalam udara (zarah udara, habuk dan debu).

Matahari di atas kepala dan cahaya biru diserak ke semua arah oleh zarah udara

Waktu tengah hari: langit biruCahaya biru diserak paling banyak ke semua arah oleh molekul udara yang halus dalam atmosfera, maka langit kelihatan biru.

Matahari di ufuk, cahaya biru diserak dan cahaya merah sampai kepada pemerhati

Waktu senja: langit kemerahanMatahari bersinar secara mengufuk. Cahaya yang paling kurang diserak (merah dan jingga) melalui atmosfera tanpa gangguan, manakala cahaya biru yang banyak diserak hilang daripada lintasan cahaya asal. Langit kelihatan kemerahan.

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 1 (KSSM), Rajah 8.21 dan 8.22, m.s. 239-240.

Dalam Aktiviti 8.8, serbuk susu ditambah ke dalam air untuk bertindak seperti zarah-zarah dalam udara. Alur cahaya dapat dilihat dengan jelas dari sisi bikar (cahaya diserak) dan warnanya berubah apabila lebih banyak serbuk susu ditambah.

Lengkapkan: Cahaya biru ______ diserak berbanding dengan cahaya merah pada waktu tengah hari. Cahaya merah ______ diserak berbanding dengan cahaya biru pada waktu senja.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

banyak; kurang (Praktis Formatif 8.6).

8.7Penambahan dan penolakan cahaya

Warna primer ialah warna asas yang tidak boleh dihasilkan melalui pencampuran warna: merah, biru, hijau.
Warna sekunder dihasilkan apabila dua atau lebih warna primer ditambah: sian, kuning, magenta.

Penambahan cahaya

Tiga bulatan cahaya merah, hijau dan biru bertindih menghasilkan kuning, magenta, sian dan putih — Penambahan cahaya. (Rajah 8.24, m.s. 241)

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 1 (KSSM), m.s. 241.

Warna primer	+ Warna primer	= Warna sekunder
Merah (M)	Biru (B)	Magenta
Merah (M)	Hijau (H)	Kuning
Biru (B)	Hijau (H)	Sian
Merah + Biru + Hijau = Putih

Mencampurkan cahaya tidak sama dengan mencampurkan cat. Cahaya merah + cahaya hijau menghasilkan cahaya kuning.

Penolakan cahaya

Penolakan cahaya: warna cahaya yang sama dengan objek legap dipantulkan ke mata kita, manakala warna lain diserap. Itulah sebab pisang kelihatan kuning, strawberi merah dan daun hijau.

Objek (dalam cahaya putih)	Memantulkan	Menyerap
Warna primer, contohnya hijau	Cahaya hijau sahaja	Cahaya berwarna yang lain
Warna sekunder, contohnya kuning	Kuning, serta warna primer yang membentuknya (merah dan hijau)	Warna lain
Putih	Semua warna	Tiada
Hitam	Tiada	Semua warna

Cahaya putih mengenai objek hijau, hanya cahaya hijau dipantulkan — Objek hijau memantulkan cahaya hijau sahaja; objek kuning memantulkan cahaya kuning, merah dan hijau. (m.s. 243)

Cahaya putih mengenai objek kuning, cahaya kuning, merah dan hijau dipantulkan — Objek hijau memantulkan cahaya hijau sahaja; objek kuning memantulkan cahaya kuning, merah dan hijau. (m.s. 243)

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 1 (KSSM), m.s. 243.

Penapis warna

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 1 (KSSM), m.s. 244.

Penapis warna primer membenarkan warna yang sama sahaja untuk melaluinya, warna lain diserap. Penapis merah hanya membenarkan cahaya merah.
Penapis warna sekunder membenarkan warna yang sama dan warna primer yang membentuknya. Penapis kuning membenarkan cahaya kuning, merah dan hijau; penapis magenta membenarkan magenta, merah dan biru; penapis sian membenarkan sian, biru dan hijau.

Contoh: dua penapis berturutan (Aktiviti 8.10)

Cahaya putih melalui penapis merah menjadi cahaya merah sahaja. Cahaya merah itu kemudian ke penapis kuning (membenarkan merah dan hijau), maka merah melaluinya. Warna pada skrin: merah.
Jika penapis kedua ialah sian (membenarkan hijau dan biru sahaja), cahaya merah diserap dan skrin gelap (tiada cahaya).

Penambahan cahaya ialah percampuran cahaya warna primer bagi membentuk warna sekunder.
Penolakan cahaya berlaku apabila objek legap memantulkan cahaya yang sama warna dengannya dan menyerap warna lain.

Aplikasi dalam kehidupan: televisyen berwarna, lampu berwarna di pentas dan stadium, serta lampu berwarna pada air pancut di depan KLCC.

Apakah warna pada skrin apabila cahaya putih melalui penapis magenta?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Magenta: penapis magenta membenarkan cahaya merah dan biru (serta magenta) melaluinya, dan merah + biru = magenta (Praktis Formatif 8.7, 2(c)).

Ringkasan

Ingat	Fakta penting
Imej sahih dan maya	Imej sahih terbentuk pada skrin; imej maya tidak dapat terbentuk pada skrin
Jenis cermin	Satah: sama saiz; cekung: membesarkan (solekan, doktor gigi); cembung: pandangan luas (selekoh, pasar raya, basikal)
Sifat cahaya	Sangat laju (3.0 × 10⁸ m s⁻¹); bergerak lurus, maka bayang-bayang terbentuk
Imej cermin satah	Tegak, songsang sisi, sama saiz, maya, jarak objek = jarak imej
Hukum pantulan	Sinar tuju, sinar pantulan dan normal pada satah yang sama; i = r
Pembiasan	Kurang tumpat ke lebih tumpat: mendekati normal; lebih tumpat ke kurang tumpat: menjauhi normal; sepanjang normal: tidak terbias
Penyebaran	Cahaya putih menjadi spektrum (merah ... ungu); merah paling kurang dibiaskan, ungu paling banyak; pelangi
Penyerakan	Biru diserak paling banyak: langit biru pada waktu tengah hari; merah paling kurang diserak: langit kemerahan pada waktu senja
Penambahan cahaya	M + B = magenta; M + H = kuning; B + H = sian; M + B + H = putih
Penolakan cahaya	Objek dan penapis menyerap sesetengah warna; putih memantulkan semua, hitam menyerap semua