Materi Fisika - Alat Optik: Penjelasan, Rumus & Contoh Soal

Materi Fisika SMA kelas 11 - Alat optik adalah alat-alat yang salah satu atau lebih komponennya menggunakan benda optik, misalnya cermin, lensa, atau prisma. Alat optik memanfaatkan prinsip pemantulan dan atau pembiasan cahaya. Ada beberapa alat optik antara lain kamera, lup, mikroskop, teleskop, proyektor, dan episkop.

Macam-Macam Alat Optik

1. Kamera

Kamera adalah alat optik yang berguna untuk menghasilkan gambar melalui proses fotografi, yaitu proses menghasilkan gambar dengan cahaya pada film. Pada kamera terdapat sebuah lensa cembung untuk membiaskan sinar dari benda hingga bayangan yang jatuh di film sebagai layar. Benda yang akan dipotret ditempatkan pada jarak lebih besar daripada 2 f (2 kali jarak titik api) di depan lensa. Hal ini dimaksud bahwa bayangan akan jatuh antara f dan 2 f yang memiliki sifat diperkecil, nyata dan terbalik.

Prinsip kerja kamera dan mata adalah sama. Apabila mata melihat benda, sinar dari benda yang masuk ke mata dibiaskan lensa mata. Bayangan jatuh di layar mata atau retina. Sifat bayangan yang terjadi nyata, diperkecil dan terbalik. Pelat film berupa celluloid, pelat itu dilapisi gerak bromida dan sangat peka terhadap cahaya. Apabila bayangan objek mengenai pelat film akan tercetak sebagai gambar negatif. Setelah proses pencucian, film dapat dicetak sebagai gambar positif pada kertas foto.

2. Mata

Mata adalah salah satu bagian tubuh manusia yang berfungsi sebagai alat/indera penglihatan. Mata memiliki diameter sekitar 2,5 cm.

# Bagian-Bagian Mata

Sklera
Kornea
Aqueous humour
Lensa mata
Vitreous humour
Iris
Retina
Pembuluh darah (koroid)
Otot-otot siliar dan sendi perekat
Pupil

# Lensa Mata

Gambar 1. Mata, indera penglihatan dan bagian-bagiannya

Bentuk mata menyerupai bola. Pada bola mata terdapat benda bening yang disebut lensa mata. Lensa mata bersifat tembus cahaya. Lensa mata berupa lensa cembung. Lensa mata memiliki fungsi membiaskan sinar-sinar yang datang ke mata. Dengan demikian bayangan benda dapat tepat jatuh di retina mata. Jadi mata memiliki fungsi seperti pada kamera. Oleh karena itu mata disebut alat optik.

# Proses terjadinya bayangan pada retina
Pupil adalah : Bagian mata yang berfungsi mengatur besar kecilnya cahaya yang masuk ke bola mata.

Retina adalah : Selaput tipis di bagian belakang bola mata. Lapisan itu paling banyak mengandung saraf penglihatan.

Fovea/bintik kuning : adalah bagian retina, tempat berkumpulnya ujung-ujung saraf penglihatan sehingga paling peka terhadap rangsangan (impuls) cahaya.

Syarat kita dapat melihat benda adalah harus ada cahaya. Cahaya dapat berasal langsung dari sumber cahaya/berasal dari cahaya yang dipantulkan oleh benda-benda yang berada di sekeliling kita. Cahaya masuk menembus kornea, terus melewati lensa mata.

Dan akhirnya sampai ke retina. Bayangan benda jatuh tepat di bintik kuning, bersifat nyata, terbalik, dan diperkecil. Bayangan itu merupakan rangsangan/informasi yang dibawa oleh saraf penglihatan menuju pusat saraf penglihatan di otak. Di otak rangsangan itu ditafsirkan dan barulah kemudian kita mendapat kesan melihat benda.

Kesamaan antara kamera dan mata, adalah cara kerja lensa kamera dan lensa mata dalam membentuk bayangan. Keduanya sama-sama memiliki sifat nyata, terbalik, dan diperkecil.

Perbedaan antara kamera dan mata

# Akomodasi Mata
Kemampuan mata untuk mengubah-ubah fokus mata disebut daya akomodasi mata. Adapun peristiwanya disebut akomodasi. Ada pula jenis daya akomodasi mata yaitu:

Mata tanpa akomodasi

Mata tanpa akomodasi adalah kondisi mata ketika lensa mata agak datar atau kondisi otot-otot siliar dalam keadaan relaks (santai). Sinar yang datang dari jauh tak terhingga dibentuk bayangan pada bintik kuning. Titik paling jauh yang masih dapat jelas dilihat oleh mata tanpa akomodasi ini disebut dengan titik jauh punctum remotum (P. r). Untuk mata normal, titik jauh mata tersebut berada di depan mata pada jarak tak terhingga atau jarak jauh mata normal = P. r = ~ (tak terhingga).

Mata berakomodasi

Mata berakomodasi adalah lensa mata yang mengatur penyesuaian terhadap jarak benda dengan jalan mengatur cembung dan pipihnya lensa sehingga bayangan jatuh di retina. Apabila jarak benda sangat dekat, lensa akan cembung, sebaliknya apabila lensa mata dalam keadaan secembung-cembungnya dikatakan berakomodasi maksimum. Titik paling dekat yang masih dapat dilihat punctum proximum (P. p) untuk mata yang normal memiliki lensa mata dalam keadaan sepipih-pipihnya, dikatakan berakomodasi minimum atau tidak berakomodasi.

Alat-Alat Optik Lain

Kemajuan sains dan teknologi menuntut beragamnya alat bantu, sesuai dengan kebutuhan hidup dan keingintahuan manusia, beberapa alat optik yang merupakan alat bantu kerja manusia antara lain;

# Lup atau Kaca Pembesar

Lup adalah lensa positif yang digunakan untuk mengamati benda-benda kecil agar tampak lebih besar dan lebih jelas. Lup banyak digunakan oleh tukang arloji pada waktu mereparasi kerusakan jam tangan. Perajin perhiasan pun memakainya untuk memperoleh hasil pekerjaan yang baik.

Cara menggunakan Lup

Untuk mata berakomodasi maksimum, benda diletakkan diantara f dan o atau jarak benda (So) selalu lebih kecil dari pada jarak titik api (f).
Untuk mata tidak berakomodasi, benda diletakkan tepat di titik api (f) atau jarak benda (So) sama dengan jarak titik api lup (f).

Untuk mengamati benda dalam waktu yang cukup lama, sebaiknya mata tidak berakomodasi sehingga tidak cepat lelah, jadi benda diletakkan tepat di titik api.

Perbesaran bayangan pada Lup
Jika berakomodasi maksimum, jarak bayangan benda titik dekat punctum proximum, atau pada jarak baca normal adalah 25 cm, karena bayangan terjadi adalah maya. Si = 25 cm atau Si = -n

Berdasarkan persamaan lensa:
Jadi perbesaran bayangan apabila mata berakomodasi maksimum adalah:

Jika mata tidak berakomodasi, jarak bayangan di tempat jauh tak terhingga atau Si = ~

Perbesaran bayangan:

Keterangan :
M : Perbesaran bayangan
n : Jarak baca normal 25 cm
f : Jarak titik api

Contoh:
Seorang tukang jam mengamati sebuah sekrup yang panjangnya 0,2 cm. Ia menggunakan lup yang jarak titik apinya 10 cm. Jika punctum proximum orang tersebut 25 cm, tentukan tinggi bayangan apabila mata tidak berakomodasi dan tentukan tinggi bayangan apabila mata berakomodasi maksimum!

Penyelesaian:
Dik : n : 25 cm
F : 10 cm
ho : 0,2 cm

Dit : a. hi apabila mata tidak berakomodasi
hi apabila mata berakomodasi maksimum

Jawab:
Mata tidak berakomodasi

Mata berakomodasi maksimum

Mikroskop adalah alat optik untuk mengamati benda-benda yang sangat kecil (mikro), misalnya bakteri dan kuman-kuman. Perhatikan gambar berikut ini !

Gambar 2. Mikroskop

Sebuah mikroskop terdiri atas dua lensa positif yaitu lensa objektif dan lensa okuler. Lensa objektif berada di dekat objek atau benda, sedangkan lensa okuler berada di depan mata pengamat.

Bagaimana pembentukan bayangan pada mikroskop? Perhatikan gambar berikut ini !

Gambar 3. Pembentukan bayangan pada mikroskop

Lensa objektif berfungsi membentuk bayangan sejati, terbalik, dan diperbesar dari benda yang diamati (AB) untuk memperoleh bayangan sejati, benda yang diamati diletakkan diantara Fob an 2 Fob di depan lensa objektif. Bayangan A1 B1 yang dibentuk lensa objektif dan dianggap sebagai benda bagi lensa okuler terletak antara Fob dan O.
Lensa okuler berfungsi membentuk bayangan maya, tegak dan memperbesar (A2 B2) dan bayangan objektif A1 B

Perbesaran bayangan

Perbesaran lensa objektif :
Perbesaran lensa okuler
Perbesaran mikroskop

Untuk mata tidak berakomodasi
Untuk mata berakomodasi maksimum

Perbesaran Mikroskop

M = Mob . Mok

Keterangan
Siob : Jarak bayangan dari lensa objektif
Soob : Jarak benda dari lensa objektif
Siok : Jarak bayangan dari lensa okuler
Sook : Jarak benda dari lensa okuler
hiob : Tinggi bayangan yang dibentuk lensa objektif
hoob : Tinggi benda yang berada di depan lensa objektif
hiok : Tinggi bayangan yang dibentuk lensa okuler
hook : Tinggi benda yang berada di depan lensa okuler
n : Jarak Punctum Proximum
D : Jarak lensa objektif dan lensa okuler
Sook : D – Siob
Mob : Perbesaran lensa objektif
Mok : Perbesaran lensa okuler
M : Perbesaran mikroskop

Contoh :
Seseorang bermata normal mempunyai punctum proximum 25 cm, mengamati sebuah preparat dengan mikroskop. Jarak titik api lensa objektif 1.25 cm dan lensa okuler 2,5 cm. Jika jarak preparat 1,5 cm, berapa perbesarannya jika mata tidak berakomodasi?

Penyelesaian:

Diketahui: n = 25 cm

Fob = 1,25 cm

Fok = 2,5 cm soob = 1.5 cm

Ditanyakan: M mata tidak berakomodasi

Jawab:

Lensa objektif

Lensa okuler :

Karena mata tidak berakomodasi maka:

Jadi, perbesaran yang terjadi adalah = 50 kali.

# Teleskop

Lup dan mikroskop adalah alat optik pandang dekat, yaitu untuk mengamati benda-benda yang dekat letaknya. Teleskop atau teropong adalah alat optik pandang jauh, yaitu untuk mengamati benda-benda yang jauh jaraknya.

Teleskop adalah alat optik untuk mengamati benda-benda di bumi atau di angkasa luar agar tampak lebih dekat dan jelas. Teleskop atau teropong dibedakan menjadi dua, yaitu teropong bintang dan teropong bumi.

# Teropong Bintang

Teropong bintang adalah alat untuk mengamati benda-benda angkasa luar, misalnya bintang, planet-planet, dan bulan. Ada dua jenis teropong bintang, yaitu teropong bias dan teropong pantul.

Teropong Bias

Teropong bias berupa tabung yang di dalamnya terdapat dua lensa positif, yaitu lensa objektif dan lensa okuler. Jarak titik api lensa objektif lebih besar daripada jarak titik api lensa okuler. Karena benda yang diamati berada di tempat yang sangat jauh, berkas sinar yang melewati lensa objektif adalah berkas sinar sejajar. Bayangan yang terbentuk oleh lensa objektif ialah nyata, terbalik, diperkecil, dan terletak di titik apinya.

Gambar 4. (a) Teropong bias (b) Pembentukan bayangan pada teropong bias

Teropong Pantul

Teropong pantul berupa tabung yang di dalamnya terdapat cermin cekung dan cermin datar sebagai reflektor atau pemantul, serta sebuah lensa cembung sebagai okuler. Yang berfungsi sebagai objektif adalah cermin cekung.

Teropong Bumi

Teropong bumi adalah alat untuk mengamati benda-benda di darat atau di laut yang jauh letaknya agar tampak lebih dekat dan jelas. Ada dua jenis teropong bumi, yaitu teropong bias dan teropong prisma.

Teropong Bias

Teropong bumi yang termasuk teropong bias terdiri atas tiga buah lensa positif.

Gambar 5. (a)Teropong pantul (b) Pembentukan bayangan pada teropong pantul

Yaitu lensa objektif, lensa pembalik, dan lensa okuler. Lensa pembalik terletak di antara lensa objektif dan lensa okuler. Lensa pembalik berfungsi memperoleh bayangan yang dibentuk oleh lensa objektif. Bayangan yang dibentuk lensa pembalik merupakan benda bagi lensa okuler. Lensa okuler selanjutnya membentuk bayangan maya, tegak dan diperbesar.

Teropong Prisma
Teropong Binokuler

Teropong binokuler menggunakan dua buah prisma siku-siku sama kaki untuk menggantikan fungsi lensa pembalik. Kedua prisma disusun bersilangan satu dengan lainnya. Teropong itu disebut teropong binokuler karena menggunakan dua buah lensa okuler.

Periskop

Periskop menggunakan dua lensa positif sebagai lensa objektif dan lensa okuler, serta dua buah prisma siku-siku sama kaki sebagai reflektor.

Gambar 6. (a) Teropong binokuler (b) Pembentukan bayangan pada teropong binokuler

Periskop digunakan sebagai teropong untuk mengamati benda-benda di permukaan laut sehingga biasa dipasang pada kapal selam. Berkas cahaya yang berasal dari benda-benda di permukaan laut setelah melewati lensa objektif dipantulkan sempurna oleh sisi-sisi miring kedua prisma. Perhatikan Gambar di bawah ini !

Periskop dapat diputar 3600 sehingga dapat digunakan untuk mengamati seluruh medan di permukaan laut.

Gambar 7. Pembentukan bayangan pada periskop

# Proyektor

Proyektor adalah alat optik yang digunakan untuk memproyeksikan gambar pada sebidang layar. Berdasarkan jenis gambar yang dapat diproyeksikan, proyektor dibedakan menjadi dua, yaitu diaskop dan episkop.

# Diaskop

Diaskop adalah alat untuk memproyeksikan bayangan nyata dari sebuah gambar diapositif. Gambar diapositif adalah gambar positif tembus cahaya. Termasuk diaskop antara lain proyektor film, slide proyektor, dan overhead proyektor (OHP).

Proyektor Film

Sebuah proyektor film digunakan untuk memproyeksikan gambar tembus pandang. Gambar yang satu dengan lainnya sebenarnya adalah gambar terputus-putus dan merupakan gambar mati. Namun, karena diputar dengan kecepatan tinggi, yakni 16 gambar setiap detik, kesan yang ditangkap oleh mata kita adalah sebagai gambar hidup.

Bayangan iring adalah kesan cahaya yang terjadi dalam mata dan masih tetap berpengaruh lebih kurang detik setelah cahaya yang menyebabkannya sudah tidak ada lagi. Misalnya, apabila bara ujung lidi yang dibakar dikibas-kibaskan dalam ruangan gelap, akan tampak kesan garis cahaya, bukan titik cahaya. Oleh karena itu, apabila sejumlah gambar tembus cahaya (gambar diapositif) diputar lebih dari 10 gambar setiap detik, kesan bayangan yang diproyeksikan di layar adalah gambar hidup.

Slide Proyektor

Slide proyektor adalah proyektor yang memproyeksikan slide (film) satu demi satu ke bidang layar.

Bagian-bagian slide proyektor adalah sebagai berikut.

Lampu proyektor merupakan bagian utama. Lampu itu sangat kuat memancarkan cahaya.
Cermin cekung, berfungsi mengumpulkan cahaya agar daya pancar sinar proyektor lebih kuat.
Kondensor, berupa dua buah lensa cembung-datar yang disusun bertolak belakang. Kondensor berfungsi agar sinar jatuh ke slide merata ke seluruh permukaannya.
Filter, berfungsi melindungi slide dari panas yang dihasilkan lampu proyektor.
Lensa proyektor, berupa lensa cembung yang berfungsi sebagai pembalik. Oleh karena itu, untuk memperoleh bayangan tegak di layar, slide dipasang terbalik.

Gambar 8. Pembentukan bayangan pada slide proyektor

Overhead Proyektor (OHP)

Overhead proyektor adalah proyektor untuk memproyeksikan gambar diapositif.

Proyektor film dan slide proyektor hams digunakan di ruangan yang gelap untuk memperoleh bayangan yang tajam. Bagian-bagian OHP sama seperti slide proyektor. Bagian-bagian itu ialah dua buah cermin datar untuk memantulkan cahaya dan dua buah lensa cembung untuk lensa proyektor. Perhatikan Gambar di bawah. Gambar yang akan diproyeksikan diletakkan di meja objek.

Episkop

Episkop adalah proyektor untuk memproyeksikan gambar-gambar tidak tembus cahaya.

Gambar 9. (a) Overhead proyektor (b) Pembentukan bayangan pada overhead proyektor

Episkop biasanya digunakan oleh seniman lukis untuk mereproduksi lukisan, misalnya untuk membuat gambar pada billboard atau papan reklame.

Gambar yang akan diproyeksikan, misalnya foto seorang artis, diletakkan di meja objek. Sebagian cahaya yang berasal dari dua buah lampu L1 dan L2 dipantulkan oleh gambar itu. Seterusnya, cahaya tersebut ditangkap dan dipantulkan oleh cermin datar ke lensa proyektor. Akhirnya, terbentuk bayangan sejati dan diperbesar pada layar Perhatikan Gambar di bawah ini.

Alat yang dapat dipakai, baik untuk episkop maupun diaskop, dinamakan epidiaskop.