Bab 5: Radiasi Gelombang Elektromagnetik: Konsep, Sifat, dan Aplikasinya

Jawaban Benar: A. gelombang radio, sinar infra-merah, cahaya tampak, sinar ultraviolet Pembahasan: Urutan panjang gelombang ditentukan dari frekuensi, jika frekuensi besar maka panjang gelombang kecil. Gelombang radio memiliki frekuensi paling kecil sehingga panjang gelombang paling besar. Sinar ultraviolet memiliki frekuensi lebih tinggi daripada cahaya tampak dan infra-merah sehingga panjang gelombangnya lebih pendek.

Jawaban Benar: D. (2) dan (4) Pembahasan: Gelombang elektromagnetik bersifat transversal, bukan longitudinal, sehingga pernyataan (2) salah. Gelombang ini adalah medan listrik dan magnet yang saling tegak lurus sehingga (3) benar. Mereka tidak terdiri dari partikel bermuatan listrik (meskipun foton membawa energi, foton tidak bermuatan), jadi (4) juga salah maka pilihan tepat adalah yang menyatakan (2) dan (4) sebagai salah.

Jawaban Benar: A. 20 mm Pembahasan: Persamaan gelombang umumnya berbentuk $E=E_0\sin (kx\pm \omega t)$, dengan $k=\frac{2\pi }{\lambda }$. Dari soal diketahui $k=100\pi$. Maka: $\frac{2\pi }{\lambda }=100\pi \Rightarrow \lambda =\frac{2\pi }{100\pi }=0,02\text{m}=20\text{mm}.$ Jadi, panjang gelombang gelombang elektromagnetik tersebut adalah 20 mm.

Jawaban Benar: A. 20 mm Pembahasan: Persamaan gelombang umumnya berbentuk $E=E_0\sin (kx\pm \omega t)$, dengan $k=\frac{2\pi }{\lambda }$. Dari soal diketahui $k=100\pi$. Maka: $\frac{2\pi }{\lambda }=100\pi \Rightarrow \lambda =\frac{2\pi }{100\pi }=0,02\text{m}=20\text{mm}.$ Jadi, panjang gelombang gelombang elektromagnetik tersebut adalah 20 mm.

Jawaban Benar: A. $E_{\max }=c{B}_{\max }$ Pembahasan: Dalam ruang hampa, gelombang elektromagnetik memiliki kecepatan rambat (c) (≈ $3\times 10^8)m/s$. Hubungan antara amplitudo medan listrik dan medan magnetnya diberikan oleh: $E_{\max }=c,B_{\max }$ Artinya, besar medan listrik berbanding lurus dengan kecepatan cahaya dan medan magnetnya. Rasio antara keduanya, $E_{\max }/B_{\max }$, selalu sama dengan (c) di ruang hampa.

Jawaban Benar: B. $4,5\times 10^3$ N/C Pembahasan: Dalam ruang hampa, hubungan antara medan listrik maksimum dan medan magnet maksimum adalah $E_{\max }=c{B}_{\max }$ dengan $c=3\times 10^8$ m/s dan $B_{\max }=1,5\times 10^{-5}$ T. Maka: $E_{\max }=(3\times 10^8)(1,5\times 10^{-5})=4,5\times 10^3\text{N/C}.$

Jawaban Benar: B. $4,5\times 10^3$ N/C Pembahasan: Dalam ruang hampa, hubungan antara medan listrik maksimum dan medan magnet maksimum adalah $E_{\max }=c{B}_{\max }$ dengan $c=3\times 10^8$ m/s dan $B_{\max }=1,5\times 10^{-5}$ T. Maka: $E_{\max }=(3\times 10^8)(1,5\times 10^{-5})=4,5\times 10^3\text{N/C}.$

Jawaban Benar: B. $4,5\times 10^3$ N/C Pembahasan: Dalam ruang hampa, hubungan antara medan listrik maksimum dan medan magnet maksimum adalah $E_{\max }=c{B}_{\max }$ dengan $c=3\times 10^8$ m/s dan $B_{\max }=1,5\times 10^{-5}$ T. Maka: $E_{\max }=(3\times 10^8)(1,5\times 10^{-5})=4,5\times 10^3\text{N/C}.$

Jawaban Benar: D. 30 km Pembahasan: Waktu yang terukur $0,2ms=0,2\times 10^{-3}s$ adalah waktu bolak-balik sinyal dari radar ke pesawat dan kembali lagi. Maka waktu tempuh satu arah adalah: $t=\frac{0,2\times 10^{-3}}{2}=1\times 10^{-4}\text{s}.$ Jarak pesawat dari radar: $s=v\times t=(3\times 10^8)(1\times 10^{-4})=3\times 10^4\text{m}=30\text{km}.$ Jadi, jarak pesawat dari radar adalah 30 km.

Jawaban Benar: D. 30 km Pembahasan: Waktu yang terukur 0,2 ms = 0,2 × 10⁻³ s adalah waktu bolak-balik sinyal dari radar ke pesawat dan kembali lagi. Maka waktu tempuh satu arah adalah: $t=\frac{0,2\times 10^{-3}}{2}=1\times 10^{-4}\text{s}.$ Jarak pesawat dari radar: $s=v\times t=(3\times 10^8)(1\times 10^{-4})=3\times 10^4\text{m}=30\text{km}.$ Jadi, jarak pesawat dari radar adalah 30 km.

Jawaban Benar: B. 300π m Pembahasan: Frekuensi osilasi alami rangkaian LC: $f=\frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}$ Substitusi nilai (L) dan (C): $f=\frac{1}{2\pi \sqrt{\left(\frac{1}{12}\right)(3\times 10^{-12})}}=\frac{1}{2\pi \sqrt{2,5\times 10^{-13}}}$ Hitung akar: $\sqrt{2,5\times 10^{-13}}=5\times 10^{-7}$ Maka: $f=\frac{1}{2\pi (5\times 10^{-7})}=\frac{1}{10\pi \times 10^{-7}}=\frac{10^7}{10\pi }=\frac{10^6}{\pi }\text{Hz}$ Panjang gelombang: $\lambda =\frac{c}{f}=\frac{3\times 10^8}{10^6/\pi }=3\times 10^2\pi =300\pi \text{m}$

Jawaban Benar: E. $10^{-10}$ T Pembahasan: $I=\frac{3,75\times 10^{-6}}{\pi }{\text{W/m}}^2$ $c=3\times 10^8\text{m/s},{\mu }_0=4\pi \times 10^{-7}\text{H/m}$ Rumus yang digunakan: Intensitas rata-rata gelombang elektromagnetik di ruang hampa adalah $I=\frac{1}{2}\frac{B_{\max }^{2}c}{{\mu }_0}$ Sehingga: $B_{\max }=\sqrt{\frac{2I{\mu }_0}{c}}$ Substitusi nilai: $B_{\max }=\sqrt{\frac{2\left(\frac{3,75\times 10^{-6}}{\pi }\right)(4\pi \times 10^{-7})}{3\times 10^8}}$ Langkah demi langkah: 1. $2\times \frac{3,75\times 10^{-6}}{\pi }=\frac{7,5\times 10^{-6}}{\pi }$ 2. Kalikan dengan $4\pi \times 10^{-7}$: $\frac{7,5\times 10^{-6}}{\pi }\times 4\pi \times 10^{-7}=7,5\times 10^{-6}\times 4\times 10^{-7}=3,0\times 10^{-12}$ (karena $\pi$ dan $/\pi$ saling meniadakan) 3. Bagi dengan $3\times 10^8$: $\frac{3,0\times 10^{-12}}{3\times 10^8}=1,0\times 10^{-20}$ 4. Ambil akar kuadrat: $\sqrt{1,0\times 10^{-20}}=1,0\times 10^{-10}$

Jawaban Benar: B. Membuktikan bahwa cahaya tidak membutuhkan medium untuk merambat Pembahasan: Percobaan Michelson dan Morley dirancang untuk mendeteksi perbedaan kecepatan cahaya akibat adanya “angin eter”, tetapi hasilnya menunjukkan tidak ada perbedaan sama sekali. Hal ini membuktikan bahwa eter tidak ada dan cahaya dapat merambat tanpa medium. Temuan ini menjadi dasar munculnya teori relativitas khusus Einstein, yang menyatakan bahwa kecepatan cahaya adalah konstan dalam semua kerangka acuan inersial.

Jawaban Benar: A. Menunjukkan bahwa cahaya merupakan salah satu bentuk gelombang elektromagnetik. Pembahasan: Eksperimen Hertz berhasil mendeteksi gelombang elektromagnetik dan mengukur kecepatannya, yang ternyata sama dengan kecepatan cahaya di ruang hampa, yaitu 3 × 10⁸ m/s. Hal ini membuktikan kebenaran teori Maxwell yang menyatakan bahwa cahaya adalah bagian dari spektrum gelombang elektromagnetik. Dengan demikian, cahaya bukan hanya fenomena optik, tetapi juga hasil dari osilasi medan listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus dan merambat sebagai gelombang transversal tanpa memerlukan medium perantara.

Jawaban Benar: A. sinar-X Pembahasan: Dalam spektrum EM, sinar-X mempunyai frekuensi yang jauh lebih tinggi dan panjang gelombang yang lebih pendek dibanding ultraviolet, infra-merah, dan radio. Sinar-X juga memiliki energi foton lebih besar sehingga panjang gelombangnya sangat pendek. Gelombang radio memiliki panjang gelombang terpanjang, berlawanan dengan sinar-X.

Jawaban Benar: A. alat sterilisasi Pembahasan: Sinar ultraviolet (terutama UV-C) efektif membunuh mikroorganisme sehingga sering dipakai untuk sterilisasi permukaan dan air. Kamera foto dan remote TV tidak menggunakan UV, serta melihat janin membutuhkan USG (gelombang ultrasonik). Untuk pemeriksaan keaslian uang kadang digunakan sinar UV (opsi D juga mungkin digunakan), namun fungsi steril utama adalah A.

Jawaban Benar: B. sinar beta Pembahasan: Sinar beta adalah partikel bermuatan $elektronataupositron$ hasil peluruhan radioaktif, bukan gelombang elektromagnetik. Gelombang TV, cahaya tampak, sinar-X dan gelombang radio semuanya adalah bentuk gelombang elektromagnetik. Jadi opsi B benar sebagai yang bukan EM.

Jawaban Benar: A. gelombang radio → sinar infra-merah → cahaya tampak → ultraviolet → sinar-X → sinar gamma Pembahasan: Frekuensi meningkat dari radio (terendah) menuju gamma (tertinggi). Urutan pada A mencerminkan kenaikan frekuensi secara konsisten. Pilihan lain menempatkan komponen dalam urutan yang tidak konsisten.

Jawaban Benar: C. 300 V/m Pembahasan: $B_x=10^{-6}\sin (3\times 10^{-6}x-900t)\text{T}$ Artinya: $B_{\max }=10^{-6}\text{T}$ Gelombang elektromagnetik di ruang hampa, dengan $c=3\times 10^8\text{m/s}$ Rumus hubungan medan listrik dan medan magnet: $E_{\max }=c,B_{\max }$ Substitusi nilai: $E_{\max }=(3\times 10^8)(10^{-6})=3\times 10^2=300\text{N/C}$ Jadi besar amplitudo medan listrik maksimum adalah: $E_{\max }=3,0\times 10^2\text{N/C}$

Jawaban Benar: C. 300 V/m Pembahasan: $B_x=10^{-6}\sin (3\times 10^{-6}x-900t)\text{T}$ Artinya: $B_{\max }=10^{-6}\text{T}$ Gelombang elektromagnetik di ruang hampa, dengan $c=3\times 10^8\text{m/s}$ Rumus hubungan medan listrik dan medan magnet: $E_{\max }=c,B_{\max }$ Substitusi nilai: $E_{\max }=(3\times 10^8)(10^{-6})=3\times 10^2=300\text{N/C}$ Jadi besar amplitudo medan listrik maksimum adalah: $E_{\max }=3,0\times 10^2\text{N/C}$

Jawaban Benar: A. $1,0\times 10^{-6}$ T Pembahasan: $B_{\max }=\frac{300}{3\times 10^8}=1\times 10^{-6}\text{T}$

Jawaban Benar: A. $1,0\times 10^{-6}$ T Pembahasan: $B_{\max }=\frac{300}{3\times 10^8}=1\times 10^{-6}\text{T}$

Jawaban Benar: B. $\frac{3\times 10^2}{\pi }$ W/m² Pembahasan: $E_{\max }=300\text{N/C},c=3\times 10^8\text{m/s},{\epsilon }_0=8,85\times 10^{-12}\text{F/m}$ Rumus intensitas rata-rata gelombang elektromagnetik: $I=\frac{1}{2}c{\epsilon }_0{E}_{\max }^2$ Substitusi nilai: $I=\frac{1}{2}(3\times 10^8)(8,85\times 10^{-12})(300{)}^2$ $I=0,5\times 3\times 10^8\times 8,85\times 10^{-12}\times 9\times 10^4$ $I=1,5\times 10^8\times 8,85\times 10^{-12}\times 9\times 10^4$ $I=1,5\times 8,85\times 9\times 10^{8-12+4}=119,475\times 10^0=1,19\times 10^2{\text{W/m}}^2$ $I\approx 1,2\times 10^2{\text{W/m}}^2=\frac{3\times 10^2}{\pi }{\text{W/m}}^2$

Jawaban Benar: C. Karena waktu bersifat relatif terhadap kerangka acuan yang berbeda Pembahasan: Teori relativitas khusus Einstein menyatakan bahwa waktu tidak bersifat absolut, tetapi relatif terhadap kerangka acuan pengamat. Dalam kasus astronaut, waktu di pesawat tetap terasa normal karena berada pada kerangka acuan yang sama, sedangkan pengamat di Bumi melihat waktu di pesawat melambat akibat perbedaan gerak relatif mendekati kecepatan cahaya. Fenomena ini dikenal sebagai dilatasi waktu, yang merupakan konsekuensi langsung dari postulat kedua teori relativitas khusus bahwa kecepatan cahaya konstan untuk semua pengamat.

Jawaban Benar: B. Gelombang FM memiliki amplitudo tetap dan frekuensi yang berubah-ubah. Pembahasan: Gelombang AM (Amplitudo Modulasi) membawa informasi dengan cara mengubah amplitudo sinyal, sehingga sangat rentan terhadap gangguan listrik di udara yang memengaruhi amplitudo gelombang. Sebaliknya, gelombang FM (Frekuensi Modulasi) membawa informasi melalui perubahan frekuensi, sementara amplitudonya tetap konstan. Karena itu, gangguan listrik atau noise yang memengaruhi amplitudo tidak banyak berpengaruh terhadap kualitas sinyal FM, sehingga suaranya tetap jernih meskipun kondisi atmosfer kurang baik.