Materi Fisika Kelas X : Alat -Alat Optik

IPA-Area; Anda memiliki kamera? Meskipun Anda tidak memiliki kamera, tetapi setidaknya Anda pasti pernah berhadapan dengan kamera, yakni ketika Anda difoto. Pernahkah Anda bertanya, bagaimana kamera itu bekerja?

Kamera merupakan salah satu alat optik. Dewasa ini, seiring dengan pesatnya perkembangan teknologi, kualitas gambar yang dihasilkan kamera semakin baik. Hasil foto pun dapat diolah lagi. Ketika Anda difoto dengan latar belakang rumah Anda, hal tersebut dapat disulap menjadi berlatar belakang menara Pissa atau Istana Negara. Hal ini tidak terlepas dari berkembangnya kamera digital yang hasilnya dapat dibaca dan diolah dengan bantuan komputer.

Bukan hanya kamera yang termasuk alat optik, tetapi masih terdapat banyak benda yang termasuk alat optik, seperti lup, mikroskop, dan teropong. Bahkan, mata kita juga termasuk ke dalam alat optik. Bahkan, mata merupakan alat optik ciptaan Tuhan yang tiada ternilai harganya. Anda dapat menikmati keindahan dunia berkat mata. Anda juga dapat membaca tulisan ini karena mata. Oleh karena itu, bersyukurlah kepada Tuhan. Apakah Anda tahu bagaimana alat optik bekerja? Jika Anda menggunakan kacamata, bagaimanakah cara kerja kacamata sehingga Anda dapat melihat seperti mata normal? Supaya Anda memahami materi mengenai alat-alat optik, pelajarilah bahasan-bahasan berikut ini dengan saksama.

A Mata dan Kacamata

1. Mata

Mata merupakan alat optik alamiah, ciptaan Tuhan yang sangat berharga. Diagram sederhana mata manusia adalah seperti yang diperlihatkan pada Gambar di bawah. Bagian depan mata yang memiliki lengkung lebih tajam dan dilapisi selaput cahaya disebut kornea. Tepat di belakang kornea terdapat cairan (aquaeous humor). Cairan ini berfungsi untuk membiaskan cahaya yang masuk ke mata. Intensitas cahaya yang masuk ke mata diatur oleh pupil, yakni celah lingkaran yang dibentuk oleh iris. Iris sendiri merupakan selaput yang selain berfungsi membentuk pupil, juga berfungsi sebagai pemberi warna pada mata (hitam, biru, atau coklat). Setelah melewati pupil, cahaya masuk ke lensa mata. Lensa mata ini berfungsi untuk membentuk bayangan nyata sedemikian sehingga jatuh tepat di retina. Bayangan yang ditangkap retina bersifat nyata dan terbalik. Bayangan ini kemudian disampaikan ke otak melalui syaraf optik dan diatur sehingga manusia mendapatkan kesan melihat benda dalam kondisi tegak. Proses pembentukan bayangan pada mata diilustrasikan pada Gambar di bawah.

Mata memiliki daya akomodasi, yakni kemampuan untuk mengubahubah jarak fokus lensa mata sehingga bayangan benda yang dilihat selalu jatuh tepat di retina. Jarak fokus lensa mata diubah dengan cara mengatur ketebalannya (menipis atau menebal) yang dilakukan oleh otot siliar. Daya akomodasi ini memungkinkan mata dapat melihat dengan jelas setiap benda yang dilihatnya, meskipun jaraknya berbeda-beda di depan mata.

Akan tetapi, meskipun memiliki daya akomodasi, mata memiliki keterbatasan jangkauan pandang. Mata tidak dapat melihat benda yang terlalu dekat atau terlalu jauh. Sebagai contoh, mampukah Anda melihat partikel debu yang masuk/menempel pada kornea mata Anda? Atau ebaliknya, mampukah Anda melihat dengan jelas benda yang sangat jauh sekali? Tentu tidak, bukan? Jarak titik terdekat dari mata yang masih dapat dilihat dengan jelas disebut titik dekat, sedangkan jarak titik terjauh dari mata yang masih dapat dilihat dengan jelas disebut titik jauh. Ketika mata melihat pada titik dekatnya, mata dalam keadaan berakomodasi maksimum dan ketika mata melihat pada titik jauhnya, mata dalam keadaan tanpa akomodasi.

Berdasarkan jangkauan pandang ini, mata dibedakan menjadi mata normal (emetropi) dan mata cacat. Mata normal memiliki jangkauan pandang dari 25 cm sampai takhingga. Dengan kata lain, titik dekat mata normal adalah 25 cm, sedangkan titik jauhnya takhingga (jauh sekali). Mata yang jangkauan pandangnya tidak sama dengan jangkauan pandang mata normal disebut mata cacat, yang terdiri dari miopi, hipermetropi, dan presbiopi.

Miopi atau rabun jauh adalah mata yang hanya dapat melihat dengan jelas benda-benda dekat. Mata miopi memiliki titik dekat lebih dekat dari 25 cm dan titik jauh terbatas pada jarak tertentu. Miopi biasanya disebabkan oleh bola mata yang terlalu lonjong, bahkan kadang-kadang lengkungan korneanya terlalu besar. Pada mata miopi, bayangan benda jauh jatuh di depan retina, seperti diilustrasikan pada Gambar di bawah. Akibatnya, bayangan benda jauh akan tampak kabur.

Hipermetropi atau rabun dekat adalah mata yang tidak dapat melihat benda-benda dekat dengan jelas. Mata hipermetropi memiliki titik dekat lebih jauh dari 25 cm dan titik jauhnya takhingga. Meskipun dapat melihat dengan jelas benda-benda jauh, titik dekat yang lebih besar dari 25 cm membuat mata hipermetropi mengalami kesulitan untuk membaca pada jarakbaca normal. Cacat mata ini disebabkan oleh bola mata yang terlalu memipih atau lengkungan korneanya kurang. Ketika mata hipermetropi digunakan untuk melihat benda-benda dekat, bayangan benda-benda ini akan jatuh di belakang retina, seperti diilustrasikan pada Gambar. Akibatnya, bayangan benda dekat menjadi terlihat kabur.

Presbiopi memiliki titik dekat lebih jauh dari 25 cm dan titik jauh terbatas. Dengan demikian, penderita presbiopi tidak dapat melihat dengan jelas benda-benda jauh dan juga tidak dapat membaca dengan jelas pada jarak baca normal. Umumnya, presbiopi terjadi karena faktor usia (tua) sehingga otot siliarnya tidak mampu membuat lensa mata berakomodasi normal seperti ketika ia masih muda.

Selain ketiga jenis cacat mata tersebut, ada lagi yang disebut astigmatisma. Pada penderita astigmatisma, benda titik akan terlihat sebagai sebuah garis dan kabur, seperti diilustrasikan pada Gambar. Hal ini terjadi karena lensa matanya tidak berbentuk bola, melainkan berbentuk silinder.

2. Kacamata

Kacamata merupakan salah satu alat yang dapat digunakan untuk mengatasi cacat mata. Kacamata terdiri dari lensa cekung atau lensa cembung, dan frame atau kerangka tempat lensa berada, seperti yang dapat Anda lihat pada Gambar. Fungsi dari kacamata adalah mengatur supaya bayangan benda yang tidak dapat dilihat dengan jelas oleh mata menjadi jatuh di titik dekat atau di titik jauh mata, bergantung pada jenis cacat matanya.

Di SMP, Anda telah mempelajari bahwa jika sebuah benda berada di depan sebuah lensa, bayangan akan dibentuk oleh lensa tersebut. Jauh dekatnya bayangan terhadap lensa, bergantung pada letak benda dan jarak fokus lensa. Hubungan tersebut secara matematis dapat ditulis sebagai berikut.

Persamaan 1

Selain itu, Anda juga pernah mempelajari kekuatan atau daya lensa. Kekuatan atau daya lensa adalah kemampuan lensa untuk memfokuskan sinar yang datang sejajar dengan lensa. Hubungan antara daya lensa dan kekuatan lensa memenuhi persamaan

Persamaan 2

a. Kacamata Berlensa Cekung untuk Miopi

Seperti telah dibahas sebelumnya, mata miopi tidak dapat melihat dengan jelas benda-benda yang jauh atau titik jauhnya terbatas pada jarak tertentu. Lensa kacamata yang digunakan penderita miopi harus membentuk bayangan benda-benda jauh (S ?? ) tepat di titik jauh mata atau S' = –PR, dengan PR singkatan dari punctum remotum, yang artinya titik jauh. Tanda negatif pada S' diberikan karena bayangan yang dibentuk lensa kacamata berada di depan lensa tersebut atau bersifat maya. Jika nilai S dan S' tersebut Anda masukkan ke dalam Persamaan 1, diperoleh

sehingga diperoleh jarak fokus lensa kacamata untuk mata miopi memenuhi persamaan

Persamaan 3

Persamaan 3 menunjukkan bahwa jarak fokus lensa kacamata adalah negatif dari titik jauh mata miopi. Tanda negatif menunjukkan bahwa keterbatasan pandang mata miopi perlu diatasi oleh kacamata berlensa negatif (cekung atau divergen).

Jika Persamaan 3 dimasukkan ke dalam Persamaan 2, diperoleh

Persamaan 4

dengan PR dinyatakan dalam satuan m (meter) dan P dalam dioptri

b. Kacamata Berlensa Cembung untuk Hipermetropi

Karena hipermetropi tidak dapat melihat benda-benda dekat dengan jelas, lensa kacamata yang digunakannya haruslah lensa yang dapat membentuk bayangan benda-benda dekat tepat di titik dekat matanya. Benda-benda dekat yang dimaksud yang memiliki jarak 25 cm di depan mata. Oleh karena itu, lensa kacamata harus membentuk bayangan benda pada jarak S = 25 cm tepat di titik dekat (PP, punctum proximum) atau S' = –PP. Kembali tanda negatif diberikan pada S' karena bayangannya bersifat maya atau di depan lensa. Jika nilai S dan S' ini dimasukkan ke dalam Persamaan 1 dan 2, diperoleh

dengan PP dinyatakan dalam satuan meter (m) dan P dalam dioptri. Karena PP > 0,25 m, kekuatan lensa P akan selalu positif. Hal ini menunjukkan bahwa seseorang yang bermata hipermetropi perlu ditolong oleh kacamata berlensa positif (cembung atau konvergen).

c. Kacamata untuk Presbiopi dan Astigmatisma

Penderita presbiopi merupakan gabungan dari miopi dan hipermetropi. Oleh karena itu, kaca mata yang digunakannya haruslah berlensa rangkap atau bifokal, yakni lensa cekung pada bagian atas untuk melihat benda jauh dan lensa cembung pada bagian bawah untuk melihat benda-benda dekat. Sementara itu, astigmatisma dapat diatasi dengan menggunakan lensa silindris.

d. Lensa Kontak

Lensa kontak atau contact lens juga dapat digunakan untuk mengatasi cacat mata. Pada dasarnya lensa kontak adalah kacamata juga, hanya tidak menggunakan rangka, melainkan ditempelkan langsung ke kornea mata.

B Kamera

Kamera merupakan alat optik yang menyerupai mata. Elemen-elemen dasar lensa adalah sebuah lensa cembung, celah diafragma, dan film (pelat sensitif). Lensa cembung berfungsi untuk membentuk bayangan benda, celah diafragma berfungsi untuk mengatur intensitas cahaya yang masuk, dan film berfungsi untuk menangkap bayangan yang dibentuk lensa. Film terbuat dari bahan yang mengandung zat kimia yang sensitif terhadap cahaya (berubah ketika cahaya mengenai bahan tersebut). Pada mata, ketiga elemen dasar ini menyerupai lensa mata (lensa cembung), iris (celah diafragma), dan retina (film).

Prinsip kerja kamera secara umum sebagai berikut. Objek yang hendak difoto harus berada di depan lensa. Ketika diafragma dibuka, cahaya yang melewati objek masuk melalui celah diafragma menuju lensa mata. Lensa mata akan membentuk bayangan benda. Supaya bayangan benda tepat jatuh pada film dengan jelas maka letak lensa harus digeser-geser mendekati atau menjauhi film. Mengeser-geser lensa pada kamera, seperti mengatur jarak fokus lensa pada mata (akomodasi). Diagram pembentukan bayangan pada kamera ditunjukkan pada Gambar di bawah.

C Lup

Lup atau kaca pembesar (atau sebagian orang menyebutnya suryakanta) adalah lensa cembung yang difungsikan untuk melihat benda-benda kecil sehingga tampak lebih jelas dan besar. Penggunaan lup sebagai kaca pembesar bermula dari kenyataan bahwa objek yang ukurannya sama akan terlihat berbeda oleh mata ketika jaraknya ke mata berbeda. Semakin dekat ke mata, semakin besar objek tersebut dapat dilihat. Sebaliknya, semakin jauh ke mata, semakin kecil objek tersebut dapat dilihat. Sebagai contoh, sebuah pensil ketika dilihat pada jarak 25 cm akan tampak dua kali lebih besar daripada ketika dilihat pada jarak 50 cm. Hal ini terjadi karena sudut pandang mata terhadap objek yang berada pada jarak 25 cm dua kali dari objek yang berjarak 50 cm.

Meskipun jarak terdekat objek yang masih dapat dilihat dengan jelas adalah 25 cm (untuk mata normal), lup memungkinkan Anda untuk menempatkan objek lebih dekat dari 25 cm, bahkan harus lebih kecil daripada jarak fokus lup. Hal ini karena ketika Anda mengamati objek dengan menggunakan lup, yang Anda lihat adalah bayangan objek, bukan objek tersebut. Ketika objek lebih dekat ke mata, sudut pandangan mata akanmenjadi lebih besar sehingga objek terlihat lebih besar. Perbandingan sudut pandangan mata ketika menggunakan lup dan sudut pandangan mata ketika tidak menggunakan lup disebut perbesaran sudut lup.

Untuk menentukan perbesaran sudut lup, perhatikan Gambar. Sudut pandangan mata ketika objek yang dilihat berada pada jarak Sn, yakni titik dekat mata, diperlihatkan pada Gambar (a), sedangkan sudut pandangan mata ketika menggunakan lup diperlihatkan pada Gambar (b). Perbesaran sudut lup secara matematis didefinisikan sebagai

Perlu dicatat bahwa objek yang akan dilihat menggunakan lup harus diletakkan di depan lup pada jarak yang lebih kecil daripada jarak fokus lup atau S = f (f = jarak fokus lup). Ketika objek diletakkan di titik fokus lup, S = f, bayangan yang dibentuk lup berada di tak terhingga, S' = -8 . Ketika bayangan atau objek berada di tak terhingga, mata dalam keadaan tanpa akomodasi. Jika S = f dimasukkan ke Persamaan (6–7), diperoleh perbesaran sudut lup untuk mata tanpa akomodasi, yaitu

Persamaan menunjukkan bahwa semakin kecil jarak fokus lup, semakin besar perbesaran sudut lup tersebut. Apabila mata berakomodasi maksimum mengamati bayangan dengan menggunakan lup, bayangan tersebut akan berada di titik dekat mata atau S' = –Sn (tanda negatif karena bayangannya maya). Sesuai dengan Persamaan 1 diperoleh

D Mikroskop

Sebuah mikroskop terdiri atas susunan dua buah lensa positif. Lensa yang berhadapan langsung dengan objek yang diamati disebut lensa objektif. Sementara itu, lensa tempat mata mengamati bayangan disebut lensa okuler. Fungsi lensa okuler ini sama dengan lup. Salah satu bentuk sebuah mikroskop diperlihatkan pada Gambar.

Fungsi mikroskop mirip dengan lup, yakni untuk melihat objek-objek kecil. Akan tetapi, mikroskop dapat digunakan untuk melihat objek yang jauh lebih kecil lagi karena perbesaran yang dihasilkannya lebih berlipat ganda dibandingkan dengan lup. Pada mikroskop, objek yang akan diamati harus diletakkan di depan lensa objektif pada jarak antara fob dan 2fob sehingga bayangannya akan terbentuk pada jarak lebih besar dari 2fob di belakang lensa objektif dengan sifat nyata dan terbalik. Bayangan pada lensa objektif dipandang sebagai objek oleh lensa okuler dan terbentuklah bayangan pada lensa okuler. Agar bayangan pada lensa okuler dapat dilihat atau diamati oleh mata, bayangan ini harus berada di depan lensa okuler dan bersifat maya. Hal ini dapat terjadi jika bayangan pada lensa objektif jatuh pada jarak kurang dari fok dari lensa okuler. Proses terbentuknya bayangan pada

mikroskop, seperti yang diperlihatkan pada Gambar di bawah . Pada Gambar di bawah terlihat bahwa bayangan akhir yang dibentuk oleh mikroskop bersifat maya, terbalik, dan diperbesar.

Jarak antara lensa objektif dan lensa okuler menentukan panjang pendeknya sebuah mikroskop. Seperti dapat Anda lihat pada Gambar, panjang mikroskop atau jarak antara lensa objektif dan lensa okuler sama dengan jarak bayangan objektif ke lensa objektif ditambah jarak bayangan objektif tadi ke lensa okuler atau secara matematis dituliskan

dengan: d = panjang mikroskop, S'ob = jarak bayangan lensa objektif ke lensa objektif, dan Sok = jarak bayangan objektif ke lensa okuler. Perbesaran total yang dihasilkan mikroskop merupakan perkalian antara perbesaran yang dihasilkan oleh lensa objektif dan perbesaran sudut yang dihasilkan oleh lensa okuler. Secara matematis, perbesaran total yang dihasilkan mikroskop ditulis sebagai berikut.

dengan: M = perbesaran total yang dihasilkan mikroskop, Mob = perbesaran yang dihasilkan lensa objektif, dan Mok = perbesaran sudut yang dihasilkan lensa okuler. Perbesaran yang dihasilkan oleh lensa objektif memenuhi

sedangkan perbesaran sudut yang dihasilkan lensa okuler mirip dengan perbesaran sudut lup, yakni, untuk pengamatan tanpa akomodasi

dan untuk pengamatan dengan berakomodasi maksimum

dengan fok = panjang fokus lensa okuler.

E Teropong

Anda tentu pernah melihat bintang. Pada malam hari, terutama ketika sinar bulan tidak terlalu terang, bintang-bintang di langit akan terlihat sangat banyak. Akan tetapi bintang-bintang tersebut terlihat sangat kecil, meskipun aslinya sangat besar, bahkan mungkin lebih besar dari bulan yang Anda lihat. Lalu, apa yang digunakan untuk mengamati benda-benda tersebut agar tampak jelas dan dekat?

Teropong atau teleskop merupakan alat optik yang digunakan untuk mjelihat objek-objek yang sangat jauh agar tampak lebih dekat dan jelas. Benda-benda langit, seperti bulan, planet, dan bintang dapat diamati dengan bantuan teropong. Dengan adanya teropong, banyak hal-hal yang berkaitan dengan luar angkasa telah ditemukan. Bagaimana proses terlihatnya bintang menggunakan teropong? Dan tahukah Anda jenis-jenis teropong yang digunakan untuk melihat benda jauh?

Secara umum ada dua jenis teropong, yaitu teropong bias dan teropong pantul. Perbedaan antara keduanya terletak pada objektifnya. Pada teropong bias, objektifnya menggunakan lensa, yakni lensa objektif, sedangkan pada teropong pantul objektifnya menggunakan cermin.

1. Teropong Bintang

Teropong bintang menggunakan dua lensa cembung, masing-masing sebagai lensa objektif dan lensa okuler dengan jarak fokus objektif lebih besar daripada jarak fokus okuler ( fob > fok). Diagram sinar pembentukan bayangan pada teropong untuk mata tak terakomodasi sebagai berikut: Perbesaran sudut dan panjang teropong bintang memenuhi persamaanpersamaan sebagai berikut:

2. Teropong Bumi

Teropong bumi menggunakan tiga jenis lensa cembung. Lensa yang berada di antara lensa objektif dan lensa okuler berfungsi sebagai lensa pembalik, yakni untuk pembalik bayangan yang dibentuk oleh lensa objektif. Diagram sinar pembentukan bayangan pada teropong bumi mata tak berakomodasi sebagai berikut:

Perbesaran dan panjang teropong bumi untuk mata tak berakomodasi berturut-turut memenuhi persamaan:

3. Teropong Panggung

Teropong panggung atau teropong Galileo menggunakan sebuah lensa cembung sebagai objektif dan sebuah lensa cekung sebagai okuler. Diagram sinar pembentukan bayangan pada teropong panggung sebagai berikut:

Perbesaran dan panjang teropong panggung untuk mata tak berakomodasi berturut-turut memenuhi persamaan:

Oleh karena lensa okulernya adalah lensa cekung maka fok bertanda negatif.

4. Teropong Pantul

Teropong pantul tersusun atas beberapa cermin dan lensa. Teropong jenis ini menggunakan cermin cekung besar sebagai objektif untuk memantulkan cahaya, cermin datar kecil yang diletakkan sedikit di depan titik fokus cermin cekung F, dan sebuah lensa cembung yang berfungsi sebagai okuler.