Praktikum Virtual Kisi Difraksi: Mengukur Panjang Gelombang

Praktikum virtual kisi difraksi ini mengubah praktikum spektrometer menjadi praktikum yang dapat dijalankan setiap siswa. Cahaya laser jatuh pada kisi dengan 300 garis per mm. Siswa memutar teleskop sampai benang silang tepat pada setiap orde, membaca sudut di kedua sisi maksimum pusat, lalu merata-ratakan kedua bacaan. Grafik sin θ terhadap orde n berupa garis lurus melalui titik asal, dan gradiennya memberi panjang gelombang dari d sin θ = nλ. Skalanya memiliki galat nol acak yang kecil, jadi merata-ratakan kedua sisi bukan sekadar ritual: langkah itulah yang membuat jawabannya benar. Setiap nilai di bawah dibaca dari simulasi.

Keterkaitan dengan kurikulum

• AQA A-level Physics 7408, 3.3.2.2 (difraksi): persamaan kisi difraksi d sin θ = nλ; praktikum wajib 2 (required practical 2), interferensi oleh kisi difraksi.
• NSW HSC Physics, Module 7 (sifat cahaya): penyelidikan kuantitatif interferensi menggunakan kisi difraksi.
• AP Physics 2: optika fisis, interferensi dari celah banyak dan kisi difraksi.

Simulic tidak berafiliasi dengan AQA, NESA, maupun College Board dan tidak didukung oleh ketiganya.

Sebelum praktikum (5 menit)

Minta siswa menetapkan prediksi, di kertas atau sebagai pertanyaan 1 pada tautan kelas:

"Kisi dengan 300 garis per mm diganti dengan kisi 600 garis per mm. Apa yang terjadi pada maksimum orde pertama?"

Banyak siswa memperkirakan garis yang lebih rapat akan memampatkan pola.

Langkah kerja dalam simulasi

1. Klik tab Kisi. Biarkan Laser, Garis per mm N pada 300, Spektrometer, dan Cari λ (d diketahui). Centang Sembunyikan jawaban dan biarkan Galat pengukuran tetap dicentang.
2. Seret teleskop mendekati garis n = 1 di atas berkas lurus (sisi +). Gunakan ◀ dan ▶ sampai garis tepat pada benang silang, lalu tekan Catat bacaan.
3. Ukur garis n = 1 di sisi − dengan cara yang sama.
4. Ulangi untuk n = 2, 3, dan 4.
5. Baca gradien sin θ terhadap n di bawah tabel. Hitung λ = d × gradien, dengan d = 1/N = 3,333 µm.

n	Bacaan θ₊ (°)	Bacaan θ₋ (°)	θ = (θ₊ − θ₋)/2 (°)	sin θ
1
2
3
4

Hasil yang diharapkan

Galat nol berubah setiap kali halaman dimuat atau Atur ulang ditekan, jadi bacaan mentah berbeda antarsiswa, tetapi rata-ratanya tidak.

n	1	2	3	4
θ₊ (°), percobaan 1	11,05	22,40	34,85	49,55
θ₋ (°), percobaan 1	−10,80	−22,20	−34,60	−49,30
θ (°)	10,93	22,30	34,73	49,43
sin θ	0,1895	0,3795	0,5696	0,7596

• Galat nol pada percobaan 1: +0,10°. Percobaan kedua memiliki +0,30° (θ₊ = 11,25°, θ₋ = −10,65°), tetapi memberi nilai θ yang sama dengan selisih paling besar 0,03°.
• Gradien: 0,1899 pada kedua percobaan, jadi λ = 3333 nm × 0,1899 = 633 nm. Jika Sembunyikan jawaban tidak dicentang, simulasi memastikan laser 633 nm.
• Orde tertinggi: d/λ = 5,27, jadi lima orde muncul di tiap sisi; orde kelima berada pada 71,7°.
• 600 garis per mm: orde pertama bergeser ke 22,3°, dan hanya dua orde yang terlihat.

Pertanyaan untuk siswa

1. (Prediksi, ditanyakan lagi setelah praktikum) Apa yang terjadi pada maksimum orde pertama dengan 600 garis per mm, bukan 300?
2. Manakah yang merupakan variabel terikat?
3. Berapa θ untuk orde kedua?
4. Berapa panjang gelombang yang diberikan gradien Anda?
5. Mengapa bacaan di kedua sisi dirata-ratakan?

Jawaban untuk guru: (1) Maksimum bergeser ke sudut yang lebih besar (10,95° menjadi 22,3°) dan orde yang terlihat lebih sedikit. (2) Sudut θ setiap orde. (3) Terima 22,15–22,50°. (4) Terima 627–639 nm. (5) Galat nol menggeser kedua bacaan ke arah yang sama, sehingga saling meniadakan dalam (θ₊ − θ₋)/2.

Miskonsepsi umum

• "Lebih banyak garis per mm memampatkan pola." Jarak antarcelah d yang lebih kecil memberi sudut yang lebih besar: sin θ = nλ/d.
• "Sudutnya menjadi dua kali lipat dari orde 1 ke orde 2." Yang menjadi dua kali lipat adalah sin θ; sudutnya naik dari 10,95° ke 22,33°, dan orde 4 berada pada 49,43°, bukan 43,8°.
• "Satu sisi sudah cukup." Pada percobaan 2, θ₊ saja memberi 11,25° untuk orde pertama, yang akan menghasilkan λ = 650 nm.

Pengayaan

• Pilih Lampu natrium dan ukur orde 1 sampai 3: gradien 0,1768 memberi λ = 589,3 nm untuk garis D natrium.
• Beralih ke Layar dan mistar 1 m, ukur x₊ dan x₋ untuk setiap titik terang, dan gunakan tan θ = x/D untuk membandingkan kedua metode.

Pertanyaan umum

Bisakah tautan kelas terbuka di tab Kisi?

Bisa. Pada nilai awal tautan, atur Layar ke Kisi dan centang Sembunyikan jawaban (Kisi). Biarkan Panjang gelombang laser λ (Kisi) pada 633 nm dan Garis per mm N (Kisi) pada 300 agar jawabannya cocok.

Mengapa θ₊ dan θ₋ berbeda beberapa persepuluh derajat?

Jika Galat pengukuran dicentang, titik nol skala berada hingga 0,4° dari berkas lurus. Galat inilah yang dihilangkan dengan merata-ratakan.

Seberapa teliti siswa dapat mengatur teleskop?

Tombol halus menggerakkannya dengan langkah 0,05°, dan Catat bacaan hanya menerima posisi yang dekat dengan sebuah garis. Siswa yang teliti mendapat posisi dalam 0,05° dari pusat garis.

Simulasi dan panduan terkait

Difraksi elektron dan panjang gelombang de Broglie – tabung difraksi, celah ganda, mikroskop elektron Model atom hidrogen – cahaya dan spektrum

Untuk difraksi elektron, lihat praktikum virtual difraksi elektron. Untuk praktikum optika lainnya, lihat praktikum virtual hukum Malus.