Modul Ajar Fisika Kelas 11 SMA: Gelombang Mekanik, Gelombang Bunyi, dan Cahaya (Bab 5)

Persamaan gelombang berjalan ($y = A\sin(\omega t \mp kx)$), gelombang stasioner ujung terikat/bebas, sifat gelombang bunyi (Efek Doppler, intensitas $I = \frac{P}{4\pi r^2}$ dan taraf intensitas desibel $TI$), serta optika fisis gelombang cahaya (interferensi celah ganda Young, difraksi kisi, dan polarisasi).

Capaian dan tujuan pembelajaran

  • Peserta didik mampu menganalisis persamaan matematis gelombang berjalan dan gelombang stasioner.
  • Peserta didik mampu menghitung taraf intensitas bunyi dan efek Doppler pada pergerakan relatif sumber bunyi.
  • Peserta didik mampu menerapkan konsep interferensi dan difraksi cahaya dalam mengukur panjang gelombang optik.

Materi pokok & uraian konsep pembelajaran

Gelombang merupakan getaran yang merambat dan membawa energi tanpa memindahkan medium perantaranya secara permanen. Gelombang berjalan harmonik dirumuskan $y(x,t) = A\sin(\omega t \pm kx)$, dengan frekuensi sudut $\omega = 2\pi f$ dan bilangan gelombang $k = \frac{2\pi}{\lambda}$, menghasilkan cepat rambat $v = \lambda f = \frac{\omega}{k}$. Superposisi dua gelombang pantul membentuk pola simpul dan perut gelombang stasioner.

Gelombang bunyi merupakan gelombang mekanik longitudinal yang merambat melalui kompresi dan peregangan medium. Efek Doppler ($f_p = \frac{v \pm v_p}{v \mp v_s} f_s$) menjelaskan pergeseran frekuensi bunyi teramati saat sumber dan pendengar bergerak relatif. Tingkat kenyaringan bunyi diukur secara logaritmik dalam satuan desibel ($TI = 10\log\frac{I}{I_0}$).

Optika fisis membuktikan hakikat cahaya sebagai gelombang transversal melalui fenomena interferensi celah ganda Thomas Young ($d\frac{y}{L} = n\lambda$), difraksi kisi spektroskopi ($d\sin\theta = n\lambda$), dan polarisasi Brewster.

Peta subtopik bahasan

  • Persamaan Gelombang Berjalan dan Gelombang Stasioner

    Menentukan amplitudo, panjang gelombang, cepat rambat, letak perut, dan simpul pada tali bergetar.

  • Karakteristik Bunyi, Intensitas, dan Taraf Intensitas (Desibel)

    Menghitung taraf intensitas dari $n$ sumber bunyi identik ($TI_n = TI_1 + 10\log n$) dan jarak sumber ($TI_2 = TI_1 - 20\log\frac{r_2}{r_1}$).

  • Efek Doppler pada Gelombang Bunyi

    Menghitung frekuensi layangan bunyi dan frekuensi pendengar saat ambulans mendekati/menjauhi pengamat.

  • Optika Fisis: Interferensi Celah Ganda, Difraksi Kisi, dan Polarisasi

    Menganalisis jarak terang-gelap celah ganda Young dan menghitung panjang gelombang laser dengan kisi difraksi.

Istilah kunci dan glosarium

Gelombang Berjalan
Gelombang yang merambat dengan amplitudo tetap pada setiap titik yang dilaluinya: $y = A\sin(\omega t \mp kx)$.
Efek Doppler
Peristiwa perubahan frekuensi gelombang bunyi yang didengar oleh pengamat akibat gerak relatif antara sumber bunyi dan pendengar.
Taraf Intensitas Bunyi ($TI$)
Logaritma perbandingan intensitas bunyi ($I$) terhadap intensitas ambang pendengaran manusia ($I_0 = 10^{-12}\text{ W/m}^2$), dinyatakan dalam desibel (dB).
Interferensi Cahaya
Perpaduan dua atau lebih gelombang cahaya koheren yang menghasilkan pola garis terang (interferensi konstruktif) dan garis gelap (destruktif).
Difraksi Kisi
Pelenturan berkas cahaya saat melewati keping penghalang dengan ribuan celah sempit sejajar (kisi) yang memisahkan spektrum warna.

Instrumen asesmen formatif & contoh soal pembelajaran

5 butir instrumen soal pilihan ganda berbasis HOTS untuk mengukur pemahaman konsep pada bab ini. Dilengkapi kunci jawaban dan uraian pembahasan analitis.

Soal 1

Persamaan gelombang berjalan dinyatakan oleh $y = 0.04\sin(20\pi t - 4\pi x)$ dalam satuan SI. Cepat rambat gelombang tersebut adalah...

  • A. $5\text{ m/s}$
  • B. $20\text{ m/s}$
  • C. $4\text{ m/s}$
  • D. $80\text{ m/s}$
Lihat Kunci Jawaban & Pembahasan
Kunci Jawaban: Pilihan A

Pembahasan: $\omega = 20\pi\text{ rad/s}$ dan $k = 4\pi\text{ m}^{-1}$. Cepat rambat $v = \frac{\omega}{k} = \frac{20\pi}{4\pi} = 5\text{ m/s}$.

Soal 2

Taraf intensitas bunyi sebuah sepeda motor adalah $60\text{ dB}$. Jika terdapat $100$ sepeda motor identik yang dinyalakan serempak bersamaan, taraf intensitas bunyi totalnya menjadi...

  • A. $80\text{ dB}$
  • B. $600\text{ dB}$
  • C. $160\text{ dB}$
  • D. $70\text{ dB}$
Lihat Kunci Jawaban & Pembahasan
Kunci Jawaban: Pilihan A

Pembahasan: $TI_n = TI_1 + 10\log(n) = 60 + 10\log(100) = 60 + 10(2) = 60 + 20 = 80\text{ dB}$.

Soal 3

Sebuah mobil ambulans bergerak membunyikan sirine dengan frekuensi $680\text{ Hz}$ mendekati seorang pengamat yang diam di tepi jalan dengan kelajuan $20\text{ m/s}$. Jika cepat rambat bunyi di udara $340\text{ m/s}$, frekuensi sirine yang didengar pengamat adalah...

  • A. $722.5\text{ Hz}$
  • B. $640\text{ Hz}$
  • C. $680\text{ Hz}$
  • D. $760\text{ Hz}$
Lihat Kunci Jawaban & Pembahasan
Kunci Jawaban: Pilihan A

Pembahasan: Efek Doppler: $f_p = \frac{v + v_p}{v - v_s} f_s = \frac{340 + 0}{340 - 20} \times 680 = \frac{340}{320} \times 680 = 1.0625 \times 680 = 722.5\text{ Hz}$.

Soal 4

Pada eksperimen interferensi celah ganda Young, jarak antara dua celah adalah $d = 0.2\text{ mm} = 2 \times 10^{-4}\text{ m}$ dan jarak celah ke layar $L = 1\text{ meter}$. Jika jarak terang pusat ke garis terang kedua ($n=2$) adalah $y = 6\text{ mm} = 6 \times 10^{-3}\text{ m}$, panjang gelombang cahaya yang digunakan adalah...

  • A. $600\text{ nm}$ ($6 \times 10^{-7}\text{ m}$)
  • B. $500\text{ nm}$
  • C. $400\text{ nm}$
  • D. $700\text{ nm}$
Lihat Kunci Jawaban & Pembahasan
Kunci Jawaban: Pilihan A

Pembahasan: $\frac{d \cdot y}{L} = n\lambda \rightarrow \lambda = \frac{d \cdot y}{n \cdot L} = \frac{(2 \times 10^{-4})(6 \times 10^{-3})}{2 \times 1} = \frac{12 \times 10^{-7}}{2} = 6 \times 10^{-7}\text{ m} = 600\text{ nm}$.

Soal 5

Perbedaan fisis fundamental antara gelombang bunyi dengan gelombang cahaya adalah...

  • A. Bunyi merupakan gelombang mekanik longitudinal yang memerlukan medium materi, sedangkan cahaya adalah gelombang elektromagnetik transversal yang dapat merambat di ruang hampa udara
  • B. Bunyi selalu merambat lebih cepat daripada kecepatan cahaya
  • C. Cahaya tidak dapat mengalami pemantulan dan pembiasan
  • D. Bunyi dapat merambat sempurna di ruang hampa antariksa
Lihat Kunci Jawaban & Pembahasan
Kunci Jawaban: Pilihan A

Pembahasan: Bunyi membutuhkan medium materi elastis (mekanik), sedangkan cahaya adalah medan elektromagnetik mandiri yang merambat bebas di ruang hampa.

Petunjuk penggunaan berkas

Setelah mengunduh berkas perangkat ajar, ikuti langkah berikut untuk menggunakannya secara optimal:

  1. Buka dokumen menggunakan Microsoft Word, Google Docs, atau LibreOffice.
  2. Sesuaikan identitas satuan pendidikan, nama guru pengampu, NIP, serta alokasi waktu kelas.
  3. Cetak instrumen asesmen atau bagikan lembar kerja (LKPD) kepada peserta didik.

Bahan ajar Fisika lainnya

  • Pengukuran Besaran Fisika dan Ketidakpastian

    Fisika SMA Kelas 10 · Semester 1

  • Kinematika Gerak Lurus

    Fisika SMA Kelas 10 · Semester 1

  • Dinamika Gerak dan Hukum-Hukum Newton

    Fisika SMA Kelas 10 · Semester 1