1. Pesawat ruang angkasa Starship Enterprise dalam serial televisi Star Trek
seringkali berjalan dengan kecepatan cahaya.
Bab
9
Teori Relativitas Khusus
Teori Relativitas Khusus 229
Hasil yang harus Anda capai:
menganalisis berbagai besaran fisis pada gejala kuantum dan batas-batas
berlakunya relativitas Einstein dalam paradigma Fisika Modern.
Setelah mempelajari bab ini, Anda harus mampu:
memformulasikan teori relativitas khusus untuk waktu, panjang, dan massa, serta
kesetaraan massa dengan energi yang diterapkan dalam teknologi
A. Semua Gerak
Bersifat Relatif
B. Teori Relativitas
Einstein
E6@6=C96 H6=IB:C6E6 B6CIG6 7:AIB 7G6B:C?:A6?6= EA6C:H
96C7CH6C9AI6FH6H6GIFM6.6A6=G6HI@:C96A6M6C9=696E6696A6=
?IBA6= 76=6C 76@6F M6C 97IHI=@6C G6C6H 76CM6@ @6F:C6 ?6F6@
H:BEI=CM6 7G6 7:FDF9: H6=IC6C 86=6M6
6A6B ;AB ;AB ;@G AB6=
E:F?6A6C6C G:E:FH HI B:FIE6@6C =6A M6C 76G6 @6F:C6 E:G6K6H M6C
9IC6@6C B:BA@ @:8:E6H6C M6C G6C6H HC
(G6ACM6 96A6B ;AB
)'' E:G6K6HM6C7:FC6B6)'(%
#)'%'(B6BEI7:F?6A6C9:C6C
@:8:E6H6CDF9:86=6M6
/6=I@6=C966E6=I7IC6C6CH6F6?6F6@9:C6C
@:8:E6H6C 86=6M6 %@6 GI6HI 7:C96 7:F:F6@ 9:C6C @:8:E6H6C 86=6M6
H:DF F:A6HJH6G @=IGIG 6@6C 7:FA6@I
.6A6=G6HI BEA@6G 96F E:C:F6E6C
H:DF F:A6HJH6G @=IGIG 696A6= H:F?69CM6 @DCHF6@G E:CMIGIH6C E6C?6C
G:=C6 ?6F6@ H:BEI=CM6 G:B6@C E:C9:@
.:A6C @DCHF6@G E6C?6C B6G= 76CM6@ A6 E:C6FI= M6C
96@76H@6C DA:= 7:C96 M6C 7:F:F6@ 9:C6C @:8:E6H6C B:C9:@6H
@:8:E6H6C 86=6M6
6CM6@ =6A M6C H:F@:G6C H96@ B6GI@ 6@6A
@6C
H:H6E?@69HC?6I9:C6CB:CIC6@6CH:DFF:A6HJH6G@=IGIGH:FCM6H6
AB6= 96C 96E6H 97I@H@6C
!:CDB:C6 ;:CDB:6 B:C6F@ H:FG:7IH 6@6C
C96 E:A6?6F E696 767 C
Sumber: Jendela IPTEK, Energi
8. * *
!# ,)$#
:F6C@6 68I6C C:FG6A H96@ B:C6A6B E:F8:E6H6C
(G6A@6C9I6DF6CE:C6B6H96C B6GC B6GC7:F69696A6B
@:F6C@6 68I6C . 96C
+:C6B6H M6C 7:F696 9 GH6GIC 96C6E
7:F696 E696 @:F6C@6 68I6C M6C 96B
96EIC E:C6B6H 7:F696
Y
O t = 0
v
Y
S
O' t = 0
S'
S'
Y'
P
x
X
X
O' X' = X
Y'
S
x
V t
Z
O
Z'
6
Z
7
Z
8
230 Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XII
@:8:E6H6C
10. BGE66A6G6CCM6
E6M6C9B6@GI99:C6C:H:F+:F8D766C6E6@6=
M6CB:CIIF@6CH:DF696CM6:H:F
Gambar 9.2
(a) Kerangka acuan S dalam
keadaan diam;
(b) Kerangka acuan S' dalam
kecepatan konstan v;
(c) Setelah selang waktu t, berada
jauh vt dari titik koordinat S'.
13. * *,)$#
)#)# ' # %'(# ' (*)* # ))% ( ! (*
'# *# #'(!
Contoh 9.1
.:7I6= @:F:H6 6E 7:F:F6@ 9:C6C @:8:E6H6C @B?6B
.:DF6C E:CIBE6C
7:F?6A6C96A6B@:F:H69:C6C@:8:E6H6C@B?6BG:6F6=9:C6C@:F:H6
:F6E6
@:8:E6H6CE:CIBE6CH:FG:7IHH:F=696EDF6CM6C96B9H:EF:A
4 !
:C6CB:CIC6@6C$/0 + ,7*-*-0+
*F6CM6C96B9H:EF:AG:766@:F6C@668I6C
:F:H66EM6C7:F:F6@
H:F=696EDF6CM6C96BG:766@:F6C@668I6C
:8:E6H6CE:CIBE6CH:F=696E
@:F6C@668I6C696A6=*-@B?6B
:C6C9:B@6C@:8:E6H6CE:CIBE6C
*-H:F=696EM6C96B696A6=
*-*-+ @B?6B
2. Percobaan Michelson–Morley
:?6A6 M6C H6BE6@ E696 :ADB76C H6A :ADB76C E:FBI@66C 6F
6H6I :ADB76C 7ICM B:CIC?I@@6C 76=K6 :ADB76C 96E6H B:F6B76H
B:A6AI GI6HI B:9IB M6C B:C?6A6F@6C :H6F6C 96F GI6HI H:BE6H @:
H:BE6H A6CCM6
*A:= @6F:C6 86=6M6 ?I6 96E6H 96C6E G:766
:ADB76C6E6@6=M6CB:BIC@C@6CB:F6B76HCM6:ADB76C86=6M6
96F(6H6=6F@:IBG:96C@6CG:766C7:G6F96:F6=6CH6F6(6H6=6F
96C IB 696A6= FI6C =6BE6
0CHI@ B:C?6K67 E:FH6CM66C C E696 6769 @:
E6F6 6=A
B:C6?I@6C GI6HI =EDH:GG M6C 9@:C6A 9:C6C %$)(( )'
(:CIFIH
=EDH:GG C :ADB76C 86=6M6 96F (6H6=6F @: IB 96E6H B:F6B76H
B:A6AIGI6HIB:9IBM6C9C6B6@6C:H:F
(:9IBCH:F96E6H9B6C6
B6C6 9 6A6B C H:FB6GI@ FI6C =6BE6
:C6C 696CM6 =EDH:GG C
ICHI@ G:B:CH6F6 96E6H B:C=C96F@6C @:GI@6F6C H:CH6C B:9IB
E:F6B76H6C :ADB76C 86=6M6
+696
'$*0-,96C-/*$5B:A6@I@6C:@GE:FB:C
ICHI@ B:B7I@H@6C @:7:F6966C :H:F
@GE:FB:C C 9A6@I@6C 9:C6C
B:CI@IF G:AG= K6@HI 6CH6F6 @:A6?I6C 86=6M6 @:H@6 7:F:F6@ G:?6?6F
96CH:6@AIFIG:H:F
6FC9696E6HB:B6=6B:@GE:FB:C(8=:AGDC
(DFA:MCE:F=6H@6CAIGHF6GH:CH6C:F6@E:F6=IM6C7:F:F6@G:6F6=
9:C6C 6AF6C GIC6 96C :F6@ E:F6=I M6C 7:F:F6@ B:CM:7:F6C
GIC6 H:6@ AIFIG 9:C6C 6AF6C GIC6
+696 +! /
E:F6=I
7:F:F6@EIA6CE:FB:CM:7:F6CGIC696FHH@(@:)96C@:B76A
@: ( A6 9:C6C 6F6= H:6@ AIFIG 6AF6C GIC6 M6C 7:F:F6@ 9:C6C
@:8:E6H6C+
0CHI@B:A6@I@6CE:CM:7:F6C6CC6F6=:F6@6CCM6=6FIG
9BFC@6C@:@FICHI@B:CB76C6FIGGIC6G:E:FH9E:FA=6H@6C
E696 +! /
:G6FF:GIAH6C96F@:8:E6H6CE:F6=I96C@:8:E6H6C
6AF6C GIC6 + 96E6H 9HIAG@6C G:766 7:F@IH
aliran sungai
Gambar 9.3
N
v
c
M
2 2 v’ c v
Gerak perahu bolak-balik yang
tegak lurus aliran sungai.
v N
M
Gambar 9.4
c
Diagram arah kecepatan perahu
dan aliran sungai.
232 Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XII
14. v
aliran sungai
c + v
c – v
M O
Gambar 9.5
Gerak perahu yang searah dan
berlawanan dengan aliran sungai.
Ingatlah
Teori Relativitas Khusus 233
v’ c v 2 2 O
%@6E6C?6CACH6G6C(@:)696A6=!K6@HIM6C9E:FAI@6CICHI@
B:CM:7:F6C GIC6 696A6=
%69 ICHI@ EIA6C E:F B:CM:7:F6C
+
GIC6 97IHI=@6C K6@HI
)
+ +
O
.:@6F6C E:F=6H@6C +! /
24. O
G
Tantangan
untuk Anda
Agar Anda lebih memahami tentang
deret binomial. Kerjakan contoh-contoh
berikut.
1. (1 – x2)3
2. (1 + 2x)3
Gambar 9.6
Skema percobaan Michelson-
Morley.
cermin 2
cermin 1
aliran eter
layar
pengamat
kaca
setengah
cermin
33. -
+
) +)
.IGIC E:FG6B66C G:=C6 9 FI6G @F =6CM6 696 J6F67:A -
-
) +)
+
)
+
+
6A@6C 9:C6C
-)
+
+ +
)
+
+
.:E:FHH:A6=976=6GG:7:AIBCM6B:CIFIH CGH:C- )
*A:=@6F:C6
HI 96E6H 9HIAG@6C
))
+
+
Tokoh
H.A. Lorentz
(1853–1928)
Hendrik Antoon Lorentz (1853–
1928) adalah seorang fisikawan
Belanda yang kali pertama me-ngemukakan
tentang pemantulan
dan pembiasan cahaya, ditinjau dari
teori bahwa cahaya termasuk
gelombang elektromagnetik. Teori
ini dikembangkan oleh James Clerk
Maxwell yang menyatakan bahwa
cahaya terdiri atas gelombang listrik
dan gelombang magnetik dengan
sudut yang berbeda. Lorentz juga
memprediksi keberadaan elektron.
Beliau menerima hadiah Nobel
tahun 1902 dalam bidang fisika atas
penelitiannya mengenai medan
magnet. Dalam bab teori relativitas,
Lorentz berjasa dalam teorinya
mengenai Transformasi Lorentz.
34. B6@6
238 Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XII
+
+
+
+
+
+
O
+
+
O
36. +:FG6B66C H:FG:7IH 96E6H 9E6@6
ICHI@ B:C=HIC E6FH@:A E6FH@:A M6C 7:F:F6@ 8:E6H
/F6CG;DFB6G
'DF:CHN C 6@6C H:F:9I@G B:C?69 HF6CG;DFB6G 6AA:D 6E67A6 @:A6?I6C
+ ?6I= A:7= @:8A 96F @:A6?I6C 86=6M6 +
2. Transformasi Kecepatan dari Lorentz
+DGHIA6HF:A6HJH6G@=IGIGB:CM6H6@6C76=K6@:A6?I6C86=6M696A6B
FI6C =6BE6 B:BA@ =6F6 M6C G6B6 ICHI@ G:BI6 E:C6B6H H96@
7:F6CHIC E696 :F6@ F:A6H;CM6
.:7:F@6G 86=6M6 M6C 9E6C86F@6C
96A6B @:F6C@6 68I6C E696 6F6= :F6@CM6 9:C6C @:A6?I6C + F:A6H;
H:F=696E @:F6C@6 6@6C B:BA@ @:A6?I6C + 9I@IF 96F
.:@6F6C C96 HC?6I G:GI6HI M6C 7:F:F6@ F:A6H; H:F=696E
@:9I6CM6 M6HI 96C
+:C6B6H 9 B:CI@IF @:H6 @DBEDC:C
@:8:E6H6C 96A6B M6HI
Tantangan
untuk Anda
Dengan cara yang sama seperti pada
Persamaan (9–21), turunkan
persamaan transformasi kecepatan
relativistik sehingga didapatkan
hasil seperti Persamaan (9–22).
37. Teori Relativitas Khusus 239
- . / + +
- . /
) ) )
96EIC E:C6B6H 96A6B B:C96E6H
- . / + +
- ) . ) /
)
:C6C B:C9;;:F:CG6A@6C $/0 + , 7 9E:FDA:=
- + )
- . . / /
+
) + -
)
+
G:=C6
- +)
- -
+ - +
- - +) + )
) ) + - ) + - + -
)
+
+ + +
+
- -
+ 6H6I
+
- -
+ + + +
- -
O
:C6C 86F6 M6C G6B6 C96 ?I6 6@6C B:C96E6H@6C HF6CG;DFB6G
@:8:E6H6C F:A6HJGH@ ICHI@ GIB7I . 96C GIB7I /
+.
+ +
+ +
.
-
+.
+ +
.
-
+ +
O
+/
+ +
+ +
/
-
+/
+ +
/
-
+ +
Tantangan
untuk Anda
Dengan menggunakan transformasi
Lorentz, buktikan bahwa kecepatan
cahaya untuk pengamat yang diam
dan pengamat yang bergerak
dengan kecepatan v adalah sama.
38. Gambar 9.8
Sebuah meteran yang bergerak
sebesar 87% dari kecepatan
cahaya, panjangnya hanya terlihat
setengahnya oleh pengamat yang
diam.
Contoh 9.2
.:7I6=E:G6K6H6C@6G67:F@:A6?I6C
51. +
O
Gambar 9.9
Semakin besar kecepatan bola,
ukuran bola akan semakin
mengecil.
v = c
Tantangan
untuk Anda
Perhatikan kembali Persamaan
(9–26) dan Persamaan (9–29).
Diskusikan dengan teman sekelas
Anda tentang pengertian fisis
persamaan-persamaan tersebut.
Kemudian, carilah analogi tentang
kejadian pada persamaan tersebut
dalam kehidupan sehari-hari.
52. Gambar 9.10
(a) Sebuah bangunan yang dilihat
oleh pengamat yang diam;
(b) Bangunan yang dilihat oleh
pengamat yang bergerak
sangat cepat;
(c) Diagram yang memperlihatkan
bagaimana bagian sisi dinding
dapat terlihat.
$/0 + , 7
B:CM6H6@6C 76=K6 7:C96 M6C E6C?6CCM6
67. B:H:F
242 Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XII
(:CIFIH6K6@E:G6K6HE6C?6C76H6C696A6=B:H:F
:F6E6@6=E6C?6C76H6CH:FG:7IH
B:CIFIHE:C6B6HM6C96BH:F=696EIB
4 !
@:H6=I B+
68. +
%69E6C?6C76H6CB:CIFIHE:C6B6HM6C96BH:F=696EIB696A6=
B:H:F
#6AC7:F6FH76=K6E6C?6C76H6CHIA:7=E:C9:@?@69E6C96C96FIB
b. Dilatasi Waktu
',01$', B:CM6H6@6C 76=K6 K6@HI 696A6= G:GI6HI M6C F:A6H;
#6A
C 96E6H 9AIGHF6G@6C 9:C6C :F6@ 86=6M6 9 96A6B GI6HI @:F6C@6
68I6C M6C 7:F:F6@
:BI96C :F6@ 86=6M6 H:FG:7IH 96B6H 96F
@:F6C@6 68I6C M6C 96B G:E:FH E696 +! /
:F6C@668I6C7:F:F6@9:C6C@:8:E6H6CF:A6H;H:F=696E@:F6C@6
.:DF6C E:C6B6H E696 @:F6C@6 B:C6F6=@6C G:7I6= GIB7:F
86=6M6 @: G:7I6= 8:FBC M6C ?6F6@CM6 H:FA=6H G:E:FH +! /
6 7
8
B A
C
C’ C D
v
B’ B A
O
81. G:A6C K6@HI 9I@IF DA:= E:C6B6H M6C F:A6H; 96B
Gambar 9.11
(a) Kelip cahaya pulang balik
dipancarkan di O dipandang oleh
pengamat di S'; (b) Kelip cahaya di
S' dipandang dari S.
125. +
O
Tantangan
untuk Anda
Dapatkah Anda menduga, apakah
ada partikel yang bergerak dengan
kecepatan 0,95 c dan memiliki
energi sebesar E tetapi tidak
memiliki massa?
126. Ingatlah
c
1 1
1 v
1 1
1 v
1 1
1 v
2
2 1 v
Teori Relativitas Khusus 247
*A:= @6F:C6 B6GG6 96C :C:F 7I@6C B:FIE6@6C @I6CHH6G M6C
7:76G #I@IB :@:@6A6C (6GG6 96C C:F G:7:C6FCM6 B:C?69 G6HI
M6HI #I@IB :@:@6A6C (6GG6 C:F
(6GG6 96E6H H:F8EH6@6C 96C
H:FBIGC6=@6CH:H6E?@6=6ACH:F?69G:?IBA6=:C:FM6CG:H6F6=A6C
6H6I BIC8IA 96C G:76A@CM6
%69 B6GG6 96C :C:F B:FIE6@6C 6GE:@
M6C 7:F7:96 96F GI6HI @I6CHH6G
:F6E6@6=:C:FHDH6A:C:F@C:H@96CBDB:CHIBG:7I6=EFDHDC
148. O
@BG
Perumusan integral parsial adalah:
x dy xy y dx
Pembahasan Soal
4 c
Agar energi kinetik benda
bernilai 25% dari energi diamnya
dan c adalah kelajuan cahaya
ruang hampa, benda harus
bergerak dengan kelajuan ....
a. d. 3
4
b. 2 c
e.
4
5
c
c.
3
5
c
UMPTN 1998
Pembahasan:
Energi kinetik relativitas adalah
Ek = m0c2
2
c
2
Dengan menggunakan Ek =
1
4 m0c2 = m0c2
2
c
2
Jadi,
2
c
2
= 1
4
; atau
2
2
1
1 v
c
= 5
4
c
=
16
25 v2 =
9
25 c2
v =
35
c
Jawaban: c
149. 248 Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XII
+
+
+
+
+
150. +
%
% O
m01 m02 v2 v1
m0
+
6 7
Gambar 9.12
(a) Sebuah benda yang memiliki
massa diam m0;
(b) Benda tersebut pecah menjadi
dua bagian.
6A@6C $/0 + , 7 9:C6C 9E:FDA:=
%
187. 6@=F
Ingatlah
Menurut Planck, energi pada foton
adalah E = hf. Jadi, hf = pc
foton dengan , p
6
7
foton terhambur
', p'
elektron
pe
v
250 Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XII
216. 6
:F6E6@6=@:A6?I6CIA6CB:C9:@6HE:G6K6H
B:CIFIHE:C6B6H96A6BE:G6K6H
7
:F6E6@6= @:A6?I6C H:F=696E B:CIFIH
E:C6B6H96A6BE:G6K6H
8
:F6E6@6=@:A6?I6CIA6CB:C9:@6HE:G6K6H
B:CIFIHE:C6B6H96A6BE:G6K6H
9
:F6E6@6= @:A6?I6C H:F=696E B:CIFIH
E:C6B6H96A6BE:G6K6H
252 Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XII
:F6E6 @:8:E6H6C FD@:H E696 G66H E6C?6CCM6
B:B:C9:@
238. Refleksi
Setelah mempelajari bab ini, tentu Anda telah
memahami bahwa gerak bersifat relatif. Anda juga tentu
telah memahami teori relativitas Einstein dan pengaruh-nya
terhadap besaran panjang, waktu, kecepatan dan
massa benda. Dari keseluruhan materi yang ada pada
bab ini, bagian manakah yang menurut Anda sulit
dipahami? Coba Anda diskusikan bersama teman atau
guru Fisika Anda.
Selain Anda mengetahui teori relativitas khusus,
coba Anda cari manfaat lain mempelajari materi bab ini.
Kemudian, diskusikan hasilnya bersama teman Anda.