Fisika Tahun 12: Ujian Latihan Hakikat Cahaya dan Pembahasan

Ini adalah naskah ujian latihan asli tutorgum untuk Fisika Tahun 12: Hakikat Cahaya, yang mencakup materi silabus 2025 yang disediakan. Naskah ini menggabungkan perhitungan, analisis data, bukti eksperimental, dan penjelasan mengenai perilaku gelombang, fisika kuantum, gelombang elektromagnetik, dan relativitas khusus. Ini merupakan sumber belajar mandiri yang orisinal, bukan naskah ujian NESA resmi, yang didukung secara resmi, atau yang diprediksi akan muncul.

01Petunjuk ujian

• Total nilai: 90
• Waktu pengerjaan yang disarankan: 110 menit
• Waktu membaca: 5 menit
• Peralatan yang diizinkan: Kalkulator ilmiah, penggaris, dan kertas grafik. Tidak boleh menggunakan catatan.
• Pengerjaan: Tunjukkan perhitungan, substitusi, satuan, dan angka penting yang sesuai. Jelaskan alasanmu dalam jawaban tertulis.

Waktu dan kondisi pengerjaan dalam naskah ini merupakan kondisi latihan yang disarankan, bukan pernyataan mengenai peraturan ujian resmi.

Cakupan materi yang dinilai

Naskah ini menilai materi Hakikat Cahaya Tahun 12 yang disediakan untuk edisi silabus Fisika 2025, termasuk model gelombang dan kuantum cahaya, pembentukan dan pengukuran gelombang elektromagnetik, serta relativitas khusus. Naskah ini tidak menilai materi dari modul lain atau menggabungkan materi dari edisi silabus yang berbeda.

Konstanta dan konversi

Gunakan data berikut jika diperlukan.

Kecuali jika suatu soal menyatakan sebaliknya, anggap bahwa cahaya merambat melalui udara dengan kecepatan yang kira-kira sama dengan kecepatannya di ruang hampa, filter polarisasi ideal digunakan, dan jawaban numerik dibulatkan secara wajar.

02Soal

Soal 1 (8 nilai)

(a) Nyatakan dua postulat relativitas khusus Einstein. Untuk soal ini, kerangka inersial adalah kerangka acuan yang tidak mengalami percepatan. (2 nilai)

(b) Persamaan Maxwell memprediksi kecepatan gelombang elektromagnetik di ruang hampa menggunakan

\[ c=\frac{1}{\sqrt{\mu_0\epsilon_0}} \]

dengan \(c\) adalah kecepatan gelombang, \(\mu_0\) adalah permeabilitas ruang hampa, dan \(\epsilon_0\) adalah permitivitas ruang hampa.

Hitung kecepatan gelombang yang diprediksi. (2 nilai)

(c) Jelaskan bagaimana muatan listrik yang mengalami percepatan dapat menghasilkan gelombang elektromagnetik. Sertakan orientasi medan listrik, medan magnet, dan arah perambatan energi. (2 nilai)

(d) Sebuah eksperimen tipe Michelson-Morley tidak mendeteksi perbedaan waktu tempuh cahaya yang dapat diukur pada dua arah yang saling tegak lurus ketika Bumi bergerak. Jelaskan kesimpulan apa yang didukung oleh hasil ini, dan berikan satu alasan mengapa hasil tersebut merupakan bukti yang relevan bagi relativitas khusus, bukan pembuktian seluruh teori tersebut. (2 nilai)

Soal 2 (6 nilai)

Heinrich Hertz menggunakan pemancar celah percikan dan rangkaian penerima terpisah yang memiliki celah kecil. Ketika pemancar menghasilkan percikan, percikan juga dapat diamati pada penerima, meskipun tidak ada kawat penghantar yang menghubungkan keduanya.

(a) Jelaskan mengapa pengamatan ini mendukung keberadaan gelombang elektromagnetik. (2 nilai)

(b) Gelombang elektromagnetik yang dipantulkan menghasilkan pola gelombang berdiri. Jarak antara dua simpul yang berdekatan adalah \(0.30\ \mathrm{m}\). Hitung panjang gelombang tersebut. (1 nilai)

(c) Frekuensi osilasi pemancar adalah \(5.0 \times 10^8\ \mathrm{Hz}\). Hitung kecepatan gelombang menggunakan jawabanmu pada bagian (b). (2 nilai)

(d) Nyatakan satu asumsi atau keterbatasan yang perlu dipertimbangkan saat menggunakan teknik ini untuk memperkirakan kecepatan gelombang elektromagnetik. (1 nilai)

Soal 3 (6 nilai)

(a) Sebuah laser berdenyut diarahkan menuju reflektor yang berjarak \(1.50\ \mathrm{km}\). Waktu yang terukur antara pengiriman pulsa dan pendeteksian pantulannya adalah \(10.0\ \mathrm{\mu s}\).

Hitung kecepatan cahaya menggunakan pengukuran ini. (2 nilai)

(b) Uraikan bagaimana metode roda bergigi Fizeau menggunakan berkas cahaya yang kembali dan rotasi roda untuk memperkirakan kecepatan cahaya. (2 nilai)

(c) Bandingkan metode laser berdenyut modern dengan metode historis Fizeau. Nyatakan satu keunggulan metode modern dan satu keterbatasan yang tetap perlu diatasi. (2 nilai)

Soal 4 (10 nilai)

(a) Benda hitam ideal memancarkan spektrum radiasi elektromagnetik yang kontinu. Jelaskan bagaimana spektrum yang diamati berbeda dari prediksi fisika klasik pada panjang gelombang yang sangat pendek, serta jelaskan bagaimana kuantisasi energi oleh Planck mengatasi masalah ini. (3 nilai)

(b) Panjang gelombang puncak spektrum benda hitam adalah \(580\ \mathrm{nm}\). Gunakan hukum pergeseran Wien,

\[ \lambda_{\max}T=b \]

dengan \(\lambda_{\max}\) adalah panjang gelombang puncak, \(T\) adalah suhu mutlak dalam kelvin, dan \(b\) adalah konstanta pergeseran Wien.

Hitung suhu benda hitam tersebut. (2 nilai)

(c) Sebuah foton memiliki panjang gelombang \(400\ \mathrm{nm}\). Gunakan

\[ E=\frac{hc}{\lambda} \]

dengan \(E\) adalah energi foton, \(h=6.63 \times 10^{-34}\ \mathrm{J\,s}\) adalah konstanta Planck, \(c=3.00 \times 10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) adalah kecepatan cahaya, dan \(\lambda\) adalah panjang gelombang.

Hitung energi foton dalam joule dan elektronvolt. (3 nilai)

(d) Jelaskan bagaimana sel fotovoltaik mengubah cahaya menjadi energi listrik. Identifikasi satu penerapan lain yang bergantung pada energi foton yang terkuantisasi, dan jelaskan secara singkat cara kerjanya. (2 nilai)

Soal 5 (10 nilai)

Efek fotolistrik terjadi ketika cahaya yang mengenai logam menyebabkan elektron terlepas. Fungsi kerja, \(\phi\), adalah energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari logam. Energi kinetik maksimum elektron yang dipancarkan adalah \(K_{\max}\).

Seorang siswa mengukur energi kinetik maksimum fotoelektron yang dipancarkan dari satu jenis logam pada berbagai frekuensi cahaya datang.

(a) Jelaskan bagaimana keberadaan frekuensi ambang dan emisi fotoelektron secara langsung menantang model gelombang klasik cahaya. (2 nilai)

(b) Gambarkan grafik \(K_{\max}\) terhadap frekuensi menggunakan kertas grafik. Beri label sumbu horizontal \(f/(10^{14}\ \mathrm{Hz})\), plot data, dan gambar garis paling sesuai yang tepat.

Gunakan grafikmu untuk memperkirakan frekuensi ambang dan jelaskan makna fisiknya. (3 nilai)

(c) Gunakan gradien grafikmu untuk memperkirakan konstanta Planck dalam \(\mathrm{J\,s}\). Lakukan konversi satuan energi dengan benar. (2 nilai)

(d) Gunakan persamaan fotolistrik

\[ K_{\max}=hf-\phi \]

untuk menghitung:

• fungsi kerja logam dalam elektronvolt;
• energi kinetik maksimum fotoelektron yang dipancarkan ketika frekuensi cahaya datang adalah \(8.0 \times 10^{14}\ \mathrm{Hz}\).

Gunakan nilai konstanta Planck yang diperoleh dari grafikmu. (3 nilai)

Soal 6 (9 nilai)

(a) Jelaskan bagaimana emisi termionik terjadi, mengapa bahan pemancar biasanya ditempatkan dalam ruang hampa, dan satu perbedaan antara emisi termionik dan emisi fotolistrik. (3 nilai)

(b) Cahaya tak terpolarisasi dengan intensitas \(I_0\) melewati sebuah polarisator ideal, kemudian sebuah analisator ideal. Sudut antara sumbu transmisi kedua filter adalah \(30^\circ\).

Untuk cahaya terpolarisasi bidang yang datang pada analisator, hukum Malus adalah

\[ I=I_{\max}\cos^2\theta \]

dengan \(I\) adalah intensitas cahaya yang diteruskan, \(I_{\max}\) adalah intensitas cahaya yang datang pada analisator ketika sumbunya sejajar dengan arah polarisasi cahaya, dan \(\theta\) adalah sudut antara arah polarisasi dan sumbu transmisi analisator.

Hitung intensitas akhir cahaya yang diteruskan dalam bentuk \(I_0\). (3 nilai)

(c) Jelaskan mengapa polarisasi mendukung model gelombang transversal untuk cahaya. Mengapa polarisator ideal tidak dapat memilih arah osilasi menyamping tertentu dari gelombang longitudinal? (2 nilai)

(d) Nyatakan satu kondisi yang diperlukan agar hukum Malus dapat diterapkan dengan benar. (1 nilai)

Soal 7 (8 nilai)

(a) Cahaya monokromatik melewati satu celah sempit. Lebar celah dikurangi dari \(5\lambda\) menjadi \(\lambda\), dengan \(\lambda\) adalah panjang gelombang cahaya.

Jelaskan bagaimana pola difraksi berubah dan mengapa perubahan tersebut terjadi. (2 nilai)

(b) Dalam eksperimen celah ganda, jarak antara kedua celah adalah \(d=0.25\ \mathrm{mm}\). Cahaya dengan panjang gelombang \(\lambda=500\ \mathrm{nm}\) menyinari kedua celah tersebut.

Syarat terbentuknya garis terang adalah

\[ d\sin\theta=m\lambda \]

dengan \(\theta\) adalah sudut terhadap sumbu pusat dan \(m\) adalah orde bilangan bulat dari garis terang.

Hitung sudut garis terang orde kedua, \(m=2\). (3 nilai)

(c) Sebuah layar ditempatkan sejauh \(2.0\ \mathrm{m}\) dari celah. Gunakan pendekatan sudut kecil untuk menghitung perpindahan garis terang orde kedua dari maksimum pusat. (2 nilai)

(d) Jelaskan apa yang ditunjukkan oleh garis terang dan gelap yang berselang-seling mengenai perilaku cahaya. (1 nilai)

Soal 8 (6 nilai)

Sebuah kisi difraksi memiliki 600 garis per milimeter. Kisi disinari secara tegak lurus oleh cahaya monokromatik dengan panjang gelombang \(500\ \mathrm{nm}\).

(a) Hitung jarak \(d\) antara garis-garis kisi yang berdekatan dan sudut maksimum orde kedua. Gunakan

\[ d\sin\theta=m\lambda \]

dengan \(m\) adalah orde maksimum dan \(\theta\) adalah sudutnya terhadap garis normal. (3 nilai)

(b) Tentukan orde difraksi tertinggi yang mungkin untuk panjang gelombang ini. (1 nilai)

(c) Jelaskan mengapa kisi dengan banyak celah dapat membedakan dua panjang gelombang yang berdekatan secara lebih efektif daripada susunan dua celah. (2 nilai)

Soal 9 (10 nilai)

(a) Definisikan kerangka inersial dan jelaskan makna relativitas keserentakan. (2 nilai)

(b) Dua peristiwa, A dan B, terjadi pada posisi \(x_A=0\) dan \(x_B=+600\ \mathrm{m}\) dalam kerangka acuan peron. Kedua peristiwa tersebut terjadi secara bersamaan dalam kerangka itu, sehingga \(\Delta t=t_B-t_A=0\).

Kerangka acuan kereta bergerak ke arah \(+x\) dengan kecepatan \(0.60c\) relatif terhadap peron, dengan \(c=3.00 \times 10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\).

Gunakan transformasi Lorentz

\[ \Delta t'=\gamma\left(\Delta t-\frac{v\Delta x}{c^2}\right) \]

dengan \(\Delta t'=t'_B-t'_A\), \(\Delta x=x_B-x_A\), \(v\) adalah kecepatan relatif, dan

\[ \gamma=\frac{1}{\sqrt{1-v^2/c^2}} \]

adalah faktor Lorentz.

Hitung \(\Delta t'\) dalam kerangka kereta dan nyatakan peristiwa mana yang terjadi lebih dahulu dalam kerangka tersebut. (3 nilai)

(c) Sebuah jam yang diam di dalam wahana antariksa mencatat selang waktu \(2.00\ \mathrm{\mu s}\) antara dua peristiwa yang terjadi di titik yang sama pada wahana tersebut. Seorang pengamat di Bumi mengukur kecepatan wahana antariksa sebesar \(0.80c\).

Hitung selang waktu yang diukur oleh pengamat di Bumi. (3 nilai)

(d) Sebuah wahana antariksa memiliki panjang wajar \(120\ \mathrm{m}\), yang diukur dalam kerangka diamnya sendiri. Hitung panjang yang diukur oleh pengamat di Bumi ketika wahana antariksa bergerak dengan kecepatan \(0.80c\). (2 nilai)

Soal 10 (5 nilai)

(a) Sebuah partikel memiliki massa diam \(1.67 \times 10^{-27}\ \mathrm{kg}\) dan bergerak dengan kecepatan \(0.90c\), dengan \(c=3.00 \times 10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\).

Gunakan persamaan momentum relativistik

\[ p=\gamma mv \]

dengan \(p\) adalah momentum, \(m\) adalah massa diam, \(v\) adalah kecepatan, dan \(\gamma\) adalah faktor Lorentz.

Hitung momentum relativistik partikel tersebut. (3 nilai)

(b) Jelaskan mengapa partikel bermassa tidak dapat dipercepat hingga mencapai kecepatan cahaya dengan memasok energi dalam jumlah terbatas. (2 nilai)

Soal 11 (8 nilai)

(a) Muon kosmik dihasilkan di atmosfer atas Bumi. Umur rata-rata muon dalam kerangka diamnya sendiri adalah \(2.20\ \mathrm{\mu s}\), dan muon bergerak menuju permukaan Bumi dengan kecepatan \(0.998c\).

Anggap muon bergerak vertikal dengan kecepatan konstan, dan abaikan kehilangan energi serta interaksi lainnya. Ketinggian tempat muon dihasilkan adalah \(10.0\ \mathrm{km}\).

Hitung:

• faktor Lorentz;
• umur rata-rata yang diukur dalam kerangka Bumi;
• jarak rata-rata yang ditempuh sebelum meluruh.

Gunakan hasil perhitunganmu untuk menjelaskan mengapa banyak muon dapat mencapai permukaan Bumi. (5 nilai)

(b) Dalam eksperimen bergaya Hafele-Keating, jam atom diterbangkan mengelilingi Bumi ke arah timur dan ke arah barat. Setelah penerbangan, pembacaan jam tersebut dibandingkan dengan jam referensi yang tetap berada di permukaan tanah.

Jelaskan apa yang sedang diuji, mengapa selisih waktu yang diprediksi dapat bergantung pada arah dan kondisi penerbangan, serta apa yang didukung oleh kesesuaian antara selisih waktu yang diukur dan diprediksi. Pertimbangkan efek yang bergantung pada kecepatan maupun efek yang berkaitan dengan ketinggian. (3 nilai)

Soal 12 (4 nilai)

Seorang siswa membuat pernyataan berikut:

“Difraksi dan interferensi menunjukkan bahwa cahaya adalah gelombang, sehingga efek fotolistrik tidak dapat dijelaskan menggunakan model fisik cahaya yang sama.”

(a) Nyatakan apa yang ditunjukkan oleh difraksi atau interferensi mengenai perilaku cahaya, dan mengapa model partikel klasik murni tidak cukup untuk menjelaskannya. (1 nilai)

(b) Nyatakan apa yang ditunjukkan oleh frekuensi ambang dan emisi langsung yang diamati dalam efek fotolistrik mengenai cara cahaya mentransfer energi. (1 nilai)

(c) Evaluasi pernyataan siswa tersebut dengan menggunakan kedua kelompok bukti. Jelaskan bagaimana model cahaya modern dapat menjelaskan pengamatan tersebut. (2 nilai)

03Pembahasan lengkap dan panduan penilaian

Metode yang setara dan jawaban numerik yang dibulatkan dengan benar harus memperoleh nilai yang sama. Dalam soal perhitungan, nilai lanjutan yang sesuai patut diberikan ketika siswa menggunakan hasil numerik sebelumnya secara konsisten, meskipun hasil tersebut mengandung kesalahan kecil.

Pembahasan 1

(a) Postulat Einstein

1. Hukum-hukum fisika sama dalam semua kerangka inersial. Tidak ada kerangka inersial yang menjadi kerangka istimewa tempat hukum fisika memiliki bentuk yang berbeda.
2. Kecepatan cahaya di ruang hampa sama bagi semua pengamat inersial, terlepas dari gerak sumber atau pengamat.

Penilaian:

• 1 nilai untuk setiap postulat yang dinyatakan dengan benar.

(b) Prediksi Maxwell

Substitusikan konstanta elektromagnetik yang diberikan ke dalam persamaan kecepatan gelombang.

\[ \begin{aligned} c&=\frac{1}{\sqrt{\mu_0\epsilon_0}}\\[4pt] &=\frac{1}{\sqrt{(4\pi\times10^{-7})(8.85\times10^{-12})}}\\[4pt] &\approx 3.00\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

Kecepatan gelombang elektromagnetik yang diprediksi sesuai dengan nilai kecepatan cahaya yang diterima di ruang hampa.

Penilaian:

• 1 nilai untuk substitusi yang benar.
• 1 nilai untuk kecepatan dan satuan yang benar.

(c) Pembentukan dan perambatan gelombang elektromagnetik

Muatan listrik yang mengalami percepatan menghasilkan medan listrik dan medan magnet yang berubah. Medan-medan ini merambat menjauhi muatan sebagai gelombang elektromagnetik.

Medan listrik dan medan magnet saling tegak lurus, dan keduanya tegak lurus terhadap arah perambatan. Gelombang tersebut membawa energi melalui ruang.

Penilaian:

• 1 nilai untuk menghubungkan muatan yang mengalami percepatan dengan medan elektromagnetik yang berubah.
• 1 nilai untuk susunan medan transversal dan perambatan energi.

(d) Bukti dari eksperimen tipe Michelson-Morley

Hasil nol mendukung kesimpulan bahwa tidak ada perubahan waktu tempuh cahaya yang dapat dideteksi akibat gerak Bumi melalui eter diam yang dihipotesiskan. Hasil ini membantu melemahkan model eter dan mendukung gagasan bahwa kecepatan cahaya tidak bergantung pada arah pengukuran dalam susunan eksperimen yang diuji.

Namun, hasil nol dibatasi oleh sensitivitas dan susunan eksperimen. Hasil tersebut tidak dengan sendirinya membuktikan setiap konsekuensi relativitas khusus atau secara langsung menguji setiap kerangka inersial.

Penilaian:

• 1 nilai untuk penjelasan yang benar mengenai hal yang didukung oleh hasil nol.
• 1 nilai untuk keterbatasan yang valid atau alasan mengapa hasil tersebut bukan bukti lengkap bagi teori tersebut.

Pembahasan 2

(a) Bukti dari Hertz

Penerima menghasilkan percikan meskipun tidak terhubung ke pemancar melalui kawat penghantar. Hal ini menunjukkan bahwa energi dapat merambat melalui ruang dari pemancar ke penerima, sesuai dengan perambatan gelombang elektromagnetik.

Pengamatan ini mendukung model gelombang elektromagnetik, meskipun susunan eksperimen juga perlu membedakan radiasi yang merambat dari kopling elektromagnetik langsung yang tidak diinginkan.

Penilaian:

• 1 nilai untuk mengidentifikasi transfer energi tanpa sambungan penghantar.
• 1 nilai untuk menghubungkan pengamatan dengan gelombang elektromagnetik.

(b) Panjang gelombang dari jarak antarsimpul

Simpul yang berdekatan pada gelombang berdiri terpisah sejauh setengah panjang gelombang.

\[ \begin{aligned} \frac{\lambda}{2}&=0.30\ \mathrm{m}\\ \lambda&=2(0.30)\\ &=0.60\ \mathrm{m} \end{aligned} \]

Penilaian:

• 1 nilai untuk panjang gelombang yang benar.

(c) Kecepatan gelombang

Kecepatan gelombang \(v\) merupakan hasil kali frekuensi \(f\) dan panjang gelombang \(\lambda\).

\[ \begin{aligned} v&=f\lambda\\ &=(5.0\times10^8)(0.60)\\ &=3.0\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

Penilaian:

• 1 nilai untuk hubungan dan substitusi yang benar.
• 1 nilai untuk hasil dan satuan yang benar.

(d) Asumsi atau keterbatasan

Salah satu jawaban yang valid adalah bahwa frekuensi pemancar harus diketahui secara akurat. Jawaban lainnya adalah bahwa posisi simpul gelombang berdiri harus diukur secara akurat. Kopling medan dekat antara pemancar dan penerima juga dapat mempersulit interpretasi pengamatan.

Penilaian:

• 1 nilai untuk satu asumsi atau keterbatasan yang relevan.

Pembahasan 3

(a) Pengukuran waktu tempuh menggunakan laser modern

Cahaya bergerak menuju reflektor dan kembali, sehingga jarak totalnya adalah dua kali jarak satu arah.

\[ \begin{aligned} s&=2(1.50\times10^3)\\ &=3.00\times10^3\ \mathrm{m} \end{aligned} \]

Waktu perjalanan pulang-pergi adalah

\[ \Delta t=10.0\times10^{-6}\ \mathrm{s} \]

Oleh karena itu,

\[ \begin{aligned} c&=\frac{s}{\Delta t}\\ &=\frac{3.00\times10^3}{10.0\times10^{-6}}\\ &=3.00\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

Penilaian:

• 1 nilai untuk penggunaan jarak pulang-pergi yang benar.
• 1 nilai untuk kecepatan dan satuan yang benar.

(b) Metode roda bergigi Fizeau

Cahaya melewati celah pada roda bergigi yang berputar, bergerak menuju cermin yang jauh, kemudian kembali. Pada kecepatan putar roda tertentu, sebuah gigi menghalangi berkas yang kembali.

Laju rotasi roda dan jarak yang diketahui ke cermin memungkinkan waktu tempuh cahaya diperkirakan. Pembagian jarak pulang-pergi dengan waktu tersebut menghasilkan kecepatan cahaya.

Penilaian:

• 1 nilai untuk menjelaskan roda, berkas yang bergerak keluar, dan berkas yang kembali.
• 1 nilai untuk menghubungkan rotasi roda dan jarak pulang-pergi dengan perkiraan waktu tempuh, lalu dengan kecepatan.

(c) Perbandingan

Salah satu keunggulan metode laser berdenyut modern adalah bahwa pengukuran waktu elektronik dapat mengukur waktu tempuh yang sangat singkat dengan presisi tinggi tanpa memerlukan roda bergigi yang berputar.

Salah satu keterbatasannya adalah waktu tempuh dapat sangat singkat sehingga memerlukan perangkat elektronik pengukur waktu dan kalibrasi detektor yang presisi. Ketidakpastian jarak, efek atmosfer, dan penyelarasan reflektor juga dapat memengaruhi pengukuran.

Penilaian:

• 1 nilai untuk keunggulan yang valid.
• 1 nilai untuk keterbatasan yang valid.

Pembahasan 4

(a) Radiasi benda hitam dan kuantisasi Planck

Spektrum benda hitam yang diamati meningkat hingga mencapai puncak, kemudian menurun pada panjang gelombang yang lebih pendek. Fisika klasik memprediksi peningkatan intensitas pancaran tanpa batas pada panjang gelombang yang sangat pendek, yang menyebabkan bencana ultraviolet.

Planck mengatasi masalah ini dengan mengusulkan bahwa energi dapat dipertukarkan dalam paket-paket diskret, atau kuanta, bukan dalam jumlah kontinu yang sembarang. Energi suatu kuantum sebanding dengan frekuensi:

\[ E=hf \]

dengan \(E\) adalah energi kuantum, \(h\) adalah konstanta Planck, dan \(f\) adalah frekuensi. Kuantisasi ini memungkinkan spektrum yang diamati dijelaskan.

Penilaian:

• 1 nilai untuk menjelaskan spektrum yang diamati.
• 1 nilai untuk mengidentifikasi bencana ultraviolet dalam fisika klasik.
• 1 nilai untuk menjelaskan peran energi yang terkuantisasi.

• Lebih dingin
• Lebih panas

(b) Hukum pergeseran Wien

Ubah panjang gelombang puncak menjadi meter:

\[ \lambda_{\max}=580\times10^{-9}\ \mathrm{m} \]

Susun ulang hukum Wien untuk mencari suhu.

\[ \begin{aligned} T&=\frac{b}{\lambda_{\max}}\\[4pt] &=\frac{2.90\times10^{-3}}{580\times10^{-9}}\\[4pt] &=5.00\times10^3\ \mathrm{K} \end{aligned} \]

Suhu benda hitam tersebut kira-kira \(5000\ \mathrm{K}\).

Penilaian:

• 1 nilai untuk konversi dan substitusi yang benar.
• 1 nilai untuk suhu dan satuan yang benar.

(c) Energi foton

Pertama, hitung energi dalam joule.

\[ \begin{aligned} E&=\frac{hc}{\lambda}\\[4pt] &=\frac{(6.63\times10^{-34})(3.00\times10^8)} {400\times10^{-9}}\\[4pt] &=4.97\times10^{-19}\ \mathrm{J} \end{aligned} \]

Konversikan ke elektronvolt dengan membaginya dengan energi ekuivalen satu elektronvolt.

\[ \begin{aligned} E&=\frac{4.97\times10^{-19}}{1.60\times10^{-19}}\\[4pt] &=3.11\ \mathrm{eV} \end{aligned} \]

Energi foton adalah \(4.97\times10^{-19}\ \mathrm{J}\), atau sekitar \(3.11\ \mathrm{eV}\).

Penilaian:

• 1 nilai untuk persamaan dan substitusi yang benar.
• 1 nilai untuk energi dalam joule.
• 1 nilai untuk energi dalam elektronvolt.

(d) Fotovoltaik dan penerapan kuantum lainnya

Dalam sel fotovoltaik, foton dengan energi yang cukup dapat mengangkat elektron ke keadaan berenergi lebih tinggi dalam semikonduktor, sehingga meninggalkan lubang. Medan listrik internal sel memisahkan muatan-muatan tersebut, sehingga arus listrik dapat mengalir melalui rangkaian eksternal.

Contoh lainnya adalah LED. Ketika elektron berekombinasi dengan lubang, energi dapat dilepaskan sebagai foton. Energi foton berkaitan dengan perbedaan energi antara kedua keadaan tersebut.

Penilaian:

• 1 nilai untuk menjelaskan dengan benar penyerapan foton dan pemisahan muatan dalam sel fotovoltaik.
• 1 nilai untuk mengidentifikasi penerapan kuantum lainnya dan menjelaskan prinsip kerjanya.

Pembahasan 5

(a) Frekuensi ambang dan emisi langsung

Frekuensi ambang \(f_0\) adalah frekuensi minimum cahaya datang yang memungkinkan fotoelektron dipancarkan. Di bawah frekuensi ini, peningkatan intensitas tidak menyebabkan emisi karena setiap foton tidak memiliki energi yang cukup untuk mengatasi fungsi kerja logam.

Di atas frekuensi ambang, emisi terjadi tanpa jeda yang dapat diukur. Hal ini menantang prediksi gelombang klasik bahwa elektron seharusnya secara bertahap mengumpulkan energi dari gelombang datang sebelum dapat terlepas.

Penilaian:

• 1 nilai untuk menjelaskan frekuensi ambang berdasarkan energi foton.
• 1 nilai untuk menjelaskan emisi langsung dan pertentangannya dengan prediksi klasik.

(b) Grafik dan frekuensi ambang

Grafik seharusnya menunjukkan lima titik data yang terletak dekat dengan garis lurus.

Titik potong dengan sumbu horizontal kira-kira adalah

\[ f_0=5.0\times10^{14}\ \mathrm{Hz} \]

Pada frekuensi ini, energi kinetik maksimum bernilai nol. Energi foton datang tepat cukup untuk mengatasi fungsi kerja, sehingga

\[ hf_0=\phi \]

Dengan demikian, frekuensi ambang menunjukkan frekuensi minimum yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari logam tertentu ini.

Penilaian:

• 1 nilai untuk memplot dan memberi label data dengan benar serta menggambar garis paling sesuai yang tepat.
• 1 nilai untuk memperkirakan titik potong dengan sumbu horizontal.
• 1 nilai untuk menjelaskan makna fisik frekuensi ambang.

• Data hasil pengukuran
• Garis regresi terbaik
• Frekuensi ambang: 5.0 × 10^14 Hz

(c) Konstanta Planck dari gradien

Dengan menggunakan titik-titik ujung data, gradiennya kira-kira adalah

\[ \begin{aligned} \text{gradien} &=\frac{\Delta K_{\max}}{\Delta f}\\[4pt] &=\frac{1.66-0.00}{(9.0-5.0)\times10^{14}}\\[4pt] &=4.15\times10^{-15}\ \mathrm{eV\,s} \end{aligned} \]

Ketika energi kinetik diukur dalam elektronvolt, gradien ini menyatakan konstanta Planck dalam satuan \(\mathrm{eV\,s}\). Konversikan ke \(\mathrm{J\,s}\):

\[ \begin{aligned} h&=(4.15\times10^{-15})(1.60\times10^{-19})\\ &=6.64\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s} \end{aligned} \]

Penilaian:

• 1 nilai untuk perkiraan gradien yang benar dengan satuan yang sesuai.
• 1 nilai untuk konversi ke joule dan perkiraan konstanta Planck yang benar.

(d) Fungsi kerja dan energi kinetik maksimum

Pada frekuensi ambang, energi kinetik maksimum bernilai nol. Oleh karena itu,

\[ \phi=hf_0 \]

Dengan menggunakan nilai \(h\) yang diperoleh dari grafik,

\[ \begin{aligned} \phi&=(6.64\times10^{-34})(5.0\times10^{14})\\ &=3.32\times10^{-19}\ \mathrm{J}\\[4pt] &=\frac{3.32\times10^{-19}}{1.60\times10^{-19}}\ \mathrm{eV}\\ &=2.08\ \mathrm{eV} \end{aligned} \]

Untuk frekuensi datang \(f=8.0\times10^{14}\ \mathrm{Hz}\),

\[ K_{\max}=hf-\phi \]

\[ \begin{aligned} K_{\max} &=(6.64\times10^{-34})(8.0\times10^{14}) -3.32\times10^{-19}\\[4pt] &=1.99\times10^{-19}\ \mathrm{J}\\[4pt] &\approx1.24\ \mathrm{eV} \end{aligned} \]

Foton memasok energi \(hf\). Sebagian energi tersebut digunakan untuk mengatasi fungsi kerja, sedangkan sisanya menjadi energi kinetik elektron yang dipancarkan. Hal ini merupakan penerapan kekekalan energi pada efek fotolistrik.

Penilaian:

• 1 nilai untuk menghitung fungsi kerja.
• 1 nilai untuk substitusi yang benar ke dalam persamaan fotolistrik pada frekuensi yang ditentukan.
• 1 nilai untuk energi kinetik maksimum dengan satuan yang sesuai.

Nilai lanjutan: terima perhitungan yang didasarkan pada gradien grafik yang sedikit berbeda tetapi diperoleh dengan benar.

Pembahasan 6

(a) Emisi termionik

Emisi termionik terjadi ketika pemanasan memberikan energi yang cukup kepada elektron dalam suatu bahan untuk melepaskan diri dari permukaannya. Bahan pemancar biasanya ditempatkan dalam ruang hampa agar elektron yang dipancarkan dapat bergerak dengan lebih sedikit tumbukan dengan molekul gas.

Dalam emisi fotolistrik, foton memasok energi kepada elektron, dan frekuensi foton menentukan apakah fungsi kerja dapat diatasi. Dalam emisi termionik, energi dipasok melalui pemanasan.

Penilaian:

• 1 nilai untuk menjelaskan bagaimana pemanasan memungkinkan elektron terlepas.
• 1 nilai untuk menjelaskan tujuan penggunaan ruang hampa.
• 1 nilai untuk membedakan emisi termionik dari emisi fotolistrik.

(b) Hukum Malus

Polarisator ideal meneruskan setengah intensitas cahaya yang awalnya tidak terpolarisasi.

\[ I_1=\frac{I_0}{2} \]

Ini adalah intensitas yang datang pada analisator. Terapkan hukum Malus dengan \(\theta=30^\circ\):

\[ \begin{aligned} I&=I_1\cos^2 30^\circ\\[4pt] &=\frac{I_0}{2}\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right)^2\\[4pt] &=\frac{I_0}{2}\times\frac{3}{4}\\[4pt] &=\frac{3I_0}{8} \end{aligned} \]

Intensitas akhir cahaya yang diteruskan adalah \(3I_0/8\).

Penilaian:

• 1 nilai untuk menentukan intensitas setelah polarisator pertama dengan benar.
• 1 nilai untuk menerapkan hukum Malus dengan benar.
• 1 nilai untuk bentuk akhir.

(c) Polarisasi dan gelombang transversal

Gelombang transversal berosilasi tegak lurus terhadap arah perambatannya. Polarisator memilih orientasi tertentu dari medan listrik, sehingga menunjukkan bahwa cahaya memiliki arah osilasi transversal.

Gelombang longitudinal berosilasi sejajar dengan arah perambatannya. Gelombang ini tidak memiliki orientasi osilasi menyamping yang setara untuk dipilih oleh polarisator.

Penilaian:

• 1 nilai untuk menghubungkan polarisasi dengan osilasi transversal.
• 1 nilai untuk menjelaskan mengapa gelombang longitudinal tidak dapat dipolarisasi dengan cara ini.

(d) Kondisi untuk hukum Malus

Cahaya yang datang pada analisator harus terpolarisasi bidang. Hukum Malus kemudian menghubungkan intensitas cahaya yang diteruskan dengan sudut antara arah polarisasi cahaya dan sumbu transmisi analisator.

Penilaian:

• 1 nilai untuk menyatakan satu kondisi yang valid.

Pembahasan 7

(a) Difraksi melalui celah sempit

Difraksi adalah penyebaran gelombang ketika melewati suatu bukaan. Untuk panjang gelombang yang tetap, penyebaran sudut meningkat ketika lebar celah menjadi lebih kecil dibandingkan dengan panjang gelombang.

Oleh karena itu, pengurangan lebar celah dari \(5\lambda\) menjadi \(\lambda\) menghasilkan penyebaran yang lebih besar.

Penilaian:

• 1 nilai untuk menjelaskan difraksi.
• 1 nilai untuk menghubungkan peningkatan penyebaran dengan lebar celah yang lebih kecil relatif terhadap panjang gelombang.

(b) Garis terang orde kedua

Konversikan jarak antarc elah dan panjang gelombang ke meter:

\[ d=0.25\times10^{-3}=2.5\times10^{-4}\ \mathrm{m} \]

\[ \lambda=500\times10^{-9}=5.0\times10^{-7}\ \mathrm{m} \]

Dengan menggunakan syarat garis terang,

\[ \begin{aligned} d\sin\theta&=m\lambda\\[4pt] \sin\theta&=\frac{m\lambda}{d}\\[4pt] &=\frac{2(5.0\times10^{-7})}{2.5\times10^{-4}}\\[4pt] &=0.0040 \end{aligned} \]

Oleh karena itu,

\[ \theta=\sin^{-1}(0.0040)\approx0.229^\circ \]

Penilaian:

• 1 nilai untuk hubungan yang benar.
• 1 nilai untuk substitusi yang benar.
• 1 nilai untuk sudut dengan satuan yang sesuai.

(c) Perpindahan garis terang

Untuk sudut kecil yang diukur dalam radian,

\[ \tan\theta\approx\sin\theta \]

Perpindahan \(y\) dari maksimum pusat kira-kira adalah

\[ y=L\tan\theta\approx L\sin\theta \]

Dengan memasukkan jarak layar \(L=2.0\ \mathrm{m}\),

\[ \begin{aligned} y&\approx2.0(0.0040)\\ &=0.0080\ \mathrm{m}\\ &=8.0\ \mathrm{mm} \end{aligned} \]

Garis terang orde kedua berjarak kira-kira \(8.0\ \mathrm{mm}\) dari maksimum pusat.

Penilaian:

• 1 nilai untuk metode pendekatan sudut kecil yang benar.
• 1 nilai untuk perpindahan dengan satuan yang sesuai.

(d) Bukti perilaku gelombang

Garis terang dan gelap masing-masing dihasilkan oleh interferensi konstruktif dan destruktif. Pola teratur tersebut memberikan bukti bahwa cahaya menunjukkan perilaku gelombang.

Penilaian:

• 1 nilai untuk menghubungkan pola garis dengan interferensi dan perilaku gelombang.

Pembahasan 8

(a) Jarak antargaris kisi dan sudut orde kedua

Kisi memiliki 600 garis per milimeter. Konversikan menjadi jumlah garis per meter:

\[ 600\ \mathrm{lines\,mm^{-1}} =6.00\times10^5\ \mathrm{lines\,m^{-1}} \]

Jarak \(d\) merupakan kebalikan dari kerapatan garis:

\[ \begin{aligned} d&=\frac{1}{6.00\times10^5}\\ &=1.67\times10^{-6}\ \mathrm{m} \end{aligned} \]

Untuk maksimum orde kedua, \(m=2\):

\[ \begin{aligned} d\sin\theta&=m\lambda\\[4pt] \sin\theta&=\frac{2(500\times10^{-9})}{1.67\times10^{-6}}\\[4pt] &\approx0.600 \end{aligned} \]

Dengan demikian,

\[ \theta=\sin^{-1}(0.600)\approx36.9^\circ \]

Penilaian:

• 1 nilai untuk jarak antargaris kisi yang benar.
• 1 nilai untuk substitusi yang benar ke dalam persamaan kisi.
• 1 nilai untuk sudut dengan satuan yang sesuai.

(b) Orde tertinggi yang mungkin

Maksimum hanya dapat terjadi jika

\[ \sin\theta=\frac{m\lambda}{d}\leq1 \]

Oleh karena itu,

\[ m\leq\frac{d}{\lambda} =\frac{1.67\times10^{-6}}{5.00\times10^{-7}} \approx3.33 \]

Orde harus berupa bilangan bulat, sehingga orde tertinggi yang mungkin adalah

\[ m_{\max}=3 \]

Penilaian:

• 1 nilai untuk orde maksimum yang benar.

(c) Daya pisah

Kisi difraksi memiliki banyak celah. Interferensi dari celah-celah tersebut menghasilkan maksimum utama yang lebih sempit daripada susunan dua celah.

Ketika dua panjang gelombang berdekatan, maksimum yang lebih sempit membuat posisi sudut keduanya lebih mudah dibedakan. Hal ini meningkatkan kemampuan kisi untuk memisahkan panjang gelombang.

Penilaian:

• 1 nilai untuk menjelaskan bahwa banyak celah menghasilkan maksimum yang lebih sempit.
• 1 nilai untuk menghubungkan maksimum yang lebih sempit dengan kemampuan membedakan panjang gelombang yang berdekatan.

Pembahasan 9

(a) Kerangka inersial dan keserentakan

Kerangka inersial adalah kerangka acuan yang tidak mengalami percepatan. Kerangka tersebut berada dalam keadaan diam atau bergerak dengan kecepatan konstan relatif terhadap kerangka inersial lainnya.

Relativitas keserentakan berarti bahwa dua peristiwa yang terpisah secara spasial dan terjadi secara bersamaan dalam satu kerangka inersial belum tentu terjadi secara bersamaan dalam kerangka lain yang bergerak relatif terhadapnya.

Penilaian:

• 1 nilai untuk mendefinisikan kerangka inersial.
• 1 nilai untuk menjelaskan relativitas keserentakan.

(b) Selisih waktu antara peristiwa

Kedua peristiwa terjadi secara bersamaan dalam kerangka peron, sehingga \(\Delta t=0\). Jarak spasial antara keduanya adalah

\[ \Delta x=x_B-x_A=600\ \mathrm{m} \]

Pada \(v=0.60c\), faktor Lorentz adalah

\[ \begin{aligned} \gamma&=\frac{1}{\sqrt{1-v^2/c^2}}\\[4pt] &=\frac{1}{\sqrt{1-0.60^2}}\\[4pt] &=1.25 \end{aligned} \]

Terapkan transformasi Lorentz yang diberikan:

\[ \begin{aligned} \Delta t' &=\gamma\left(\Delta t-\frac{v\Delta x}{c^2}\right)\\[4pt] &=1.25\left(0-\frac{(0.60c)(600)}{c^2}\right)\\[4pt] &=-1.50\times10^{-6}\ \mathrm{s} \end{aligned} \]

Tanda negatif berarti \(t'_B-t'_A\) bernilai negatif. Peristiwa B terjadi \(1.50\ \mathrm{\mu s}\) sebelum peristiwa A dalam kerangka kereta.

Penilaian:

• 1 nilai untuk faktor Lorentz yang benar.
• 1 nilai untuk substitusi dan perhitungan yang benar.
• 1 nilai untuk menafsirkan tanda negatif dengan benar.

(c) Dilatasi waktu

Jam tersebut mengukur waktu wajar karena kedua peristiwa terjadi di titik yang sama dalam kerangka diam wahana antariksa.

Untuk jam yang bergerak, selang waktu yang diukur dalam kerangka Bumi adalah

\[ \Delta t=\gamma\Delta\tau \]

dengan \(\Delta\tau=2.00\ \mathrm{\mu s}\) adalah waktu wajar.

Pada \(v=0.80c\),

\[ \begin{aligned} \gamma&=\frac{1}{\sqrt{1-0.80^2}}\\[4pt] &=\frac{1}{\sqrt{0.36}}\\ &=1.667 \end{aligned} \]

Oleh karena itu,

\[ \begin{aligned} \Delta t&=1.667(2.00\ \mathrm{\mu s})\\ &=3.33\ \mathrm{\mu s} \end{aligned} \]

Pengamat di Bumi mengukur selang waktu sekitar \(3.33\ \mathrm{\mu s}\).

Penilaian:

• 1 nilai untuk faktor Lorentz yang benar.
• 1 nilai untuk hubungan dilatasi waktu dan substitusi yang benar.
• 1 nilai untuk selang waktu akhir dengan satuan yang sesuai.

(d) Kontraksi panjang

Panjang wajar \(L_0=120\ \mathrm{m}\) diukur dalam kerangka diam wahana antariksa. Pengamat di Bumi mengukur panjang yang lebih pendek dalam arah gerak.

\[ L=\frac{L_0}{\gamma} \]

Dengan menggunakan \(\gamma=1.667\),

\[ \begin{aligned} L&=\frac{120}{1.667}\\ &\approx72.0\ \mathrm{m} \end{aligned} \]

Panjang yang mengalami kontraksi adalah sekitar \(72.0\ \mathrm{m}\).

Penilaian:

• 1 nilai untuk hubungan kontraksi panjang yang benar.
• 1 nilai untuk jawaban yang benar dengan satuan yang sesuai.

Pembahasan 10

(a) Momentum relativistik

Pertama, hitung faktor Lorentz pada \(v=0.90c\).

\[ \begin{aligned} \gamma&=\frac{1}{\sqrt{1-0.90^2}}\\[4pt] &=\frac{1}{\sqrt{0.19}}\\ &\approx2.294 \end{aligned} \]

Kecepatan partikel adalah

\[ v=0.90(3.00\times10^8) =2.70\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}} \]

Dengan menggunakan \(p=\gamma mv\),

\[ \begin{aligned} p&=(2.294)(1.67\times10^{-27})(2.70\times10^8)\\[4pt] &\approx1.03\times10^{-18}\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

Penilaian:

• 1 nilai untuk faktor Lorentz yang benar.
• 1 nilai untuk substitusi yang benar ke dalam persamaan momentum.
• 1 nilai untuk momentum dan satuan yang benar.

(b) Mengapa partikel bermassa tidak dapat mencapai kecepatan cahaya

Ketika kecepatan partikel bermassa mendekati \(c\), penyebut dalam

\[ \gamma=\frac{1}{\sqrt{1-v^2/c^2}} \]

mendekati nol. Akibatnya, faktor Lorentz meningkat tanpa batas, dan energi yang diperlukan untuk mempercepat partikel lebih lanjut menjadi semakin besar.

Dalam batasnya, mencapai kecepatan cahaya memerlukan energi tak terhingga. Oleh karena itu, partikel bermassa tidak dapat mencapai \(c\) hanya dengan menerima energi dalam jumlah terbatas.

Penilaian:

• 1 nilai untuk menjelaskan peningkatan faktor Lorentz atau energi relativistik.
• 1 nilai untuk menghubungkan hal ini dengan ketidakmungkinan mencapai \(c\) menggunakan energi terbatas.

Pembahasan 11

(a) Muon kosmik dan dilatasi waktu

Umur rata-rata wajar muon adalah

\[ \tau_0=2.20\ \mathrm{\mu s} \]

Kecepatannya adalah \(v=0.998c\).

Pertama, hitung faktor Lorentz:

\[ \begin{aligned} \gamma&=\frac{1}{\sqrt{1-0.998^2}}\\[4pt] &=\frac{1}{\sqrt{0.003996}}\\ &\approx15.8 \end{aligned} \]

Umur rata-rata yang diukur dalam kerangka Bumi lebih panjang karena dilatasi waktu:

\[ \begin{aligned} \Delta t&=\gamma\tau_0\\ &=(15.8)(2.20\ \mathrm{\mu s})\\ &\approx34.8\ \mathrm{\mu s} \end{aligned} \]

Hitung jarak tempuh rata-rata:

\[ \begin{aligned} s&=v\Delta t\\ &=(0.998)(3.00\times10^8)(34.8\times10^{-6})\\ &\approx1.04\times10^4\ \mathrm{m}\\ &\approx10.4\ \mathrm{km} \end{aligned} \]

Jarak tempuh rata-rata adalah sekitar \(10.4\ \mathrm{km}\), yang sebanding dengan dan sedikit lebih besar daripada ketinggian produksi yang dinyatakan, yaitu \(10.0\ \mathrm{km}\). Oleh karena itu, dilatasi waktu menjelaskan mengapa banyak muon dapat mencapai permukaan Bumi sebelum meluruh.

Perhitungan ini menggunakan umur rata-rata, bukan jaminan bahwa setiap muon akan bertahan selama perjalanan. Waktu peluruhan masing-masing muon bervariasi.

Penilaian:

• 1 nilai untuk faktor Lorentz yang benar.
• 1 nilai untuk umur rata-rata dalam kerangka Bumi.
• 1 nilai untuk metode perhitungan jarak yang benar.
• 1 nilai untuk jarak dengan satuan yang sesuai.
• 1 nilai untuk menghubungkan hasil dengan pengamatan muon di permukaan Bumi.

(b) Pengujian relativitas menggunakan jam atom

Jam-jam tersebut dibandingkan setelah penerbangan untuk mengukur perbedaan waktu yang telah berlalu. Hal ini menguji apakah jam yang mengikuti lintasan berbeda melalui ruang dan waktu mencatat selang waktu sesuai dengan prediksi relativitas.

Kontribusi relativitas khusus bergantung pada kecepatan jam relatif terhadap Bumi, sehingga penerbangan ke timur dan ke barat dapat menghasilkan perbedaan. Ketinggian juga memengaruhi laju jam, sehingga memberikan efek relativistik tambahan yang harus diperhitungkan dalam prediksi selisih waktu bersih.

Kesesuaian antara selisih waktu yang diukur dan prediksi mendukung penjelasan relativistik mengenai waktu yang berlalu. Perbandingan ini sangat berguna karena prediksinya dapat dihitung sebelum jam-jam tersebut dipertemukan kembali.

Penilaian:

• 1 nilai untuk mengidentifikasi perbandingan pembacaan jam sebagai besaran yang diukur.
• 1 nilai untuk menjelaskan pengaruh kecepatan dan ketinggian terhadap selisih waktu yang diprediksi.
• 1 nilai untuk menjelaskan bagaimana kesesuaian dengan prediksi mendukung relativitas.

Pembahasan 12

(a) Bukti gelombang

Difraksi dan interferensi menunjukkan perilaku seperti gelombang. Model partikel klasik murni tidak dapat menjelaskan pola interferensi teratur yang dihasilkan oleh gelombang cahaya yang saling bertumpang tindih.

Penilaian:

• 1 nilai untuk menghubungkan bukti dengan perilaku gelombang dan keterbatasan model partikel klasik.

(b) Bukti fotolistrik

Frekuensi ambang menunjukkan bahwa foton harus memasok setidaknya energi sebesar fungsi kerja untuk melepaskan elektron. Emisi langsung mendukung transfer energi dalam jumlah terkuantisasi pada masing-masing foton, bukan akumulasi energi secara bertahap dari gelombang klasik kontinu.

Penilaian:

• 1 nilai untuk menghubungkan pengamatan dengan energi foton yang terkuantisasi.

(c) Evaluasi pernyataan

Kesimpulan siswa tersebut terlalu kuat. Difraksi dan interferensi menunjukkan perilaku seperti gelombang, sedangkan efek fotolistrik memberikan bukti bahwa cahaya mentransfer energi dalam kuanta diskret.

Penjelasan kuantum modern dapat mengakomodasi kedua kelompok pengamatan tersebut. Cahaya dapat menunjukkan perilaku seperti gelombang selama perambatan dan interferensi, sementara interaksinya dengan materi melibatkan transfer energi yang terkuantisasi. Bukti tersebut tidak dapat dijelaskan sepenuhnya oleh model gelombang klasik murni ataupun model partikel klasik murni.

Penilaian:

• 1 nilai untuk menjelaskan bagaimana kedua jenis bukti dapat dijelaskan oleh model modern.
• 1 nilai untuk menyimpulkan bahwa model gelombang dan partikel klasik saja tidak memadai.