CONTOH SOAL & PEMBAHASAN

Transkripsi

1 CONTOH SOAL & PEMBAHASAN 1. Sebuah balok ditarik gaya F = 120 N yang membentuk sudut 37 o terhadap arah horizontal. Jika balok bergeser sejauh 10 m, tentukan usaha yang dilakukan pada balok! Soal No. 2 Balok bermassa 2 kg berada di atas permukaan yang licin dipercepat dari kondisi diam hingga bergerak dengan percepatan 2 m/s 2. Tentukan usaha yang dilakukan terhadap balok selama 5 sekon! Terlebih dahulu dicari kecepatan balok saat 5 sekon, kemudian dicari selisih energi kinetik dari kondisi awak dan akhirnya: Soal No. 3 Benda 10 kg hendak digeser melalui permukaan bidang miring yang licin seperti gambar berikut!

2 Tentukan usaha yang diperlukan untuk memindahkan benda tersebut! Mencari usaha dengan selisih energi potensial : Soal No. 4 Perhatikan grafik gaya (F) terhadap perpindahan (S) berikut ini! Tentukan besarnya usaha hingga detik ke 12! Usaha = Luasan antara garis grafik F-S dengan sumbu S, untuk grafik di atas luasan berupa trapesium W = 1 / 2 (12 + 9) x 6 W = 1 / 2 (21)(6) W = 63 joule (Thanks tuk Rora atas koreksinya) Soal No. 5 Sebuah mobil bermassa kg sedang bergerak dengan kelajuan 72 km/jam mendekati lampu merah.

3 Tentukan besar gaya pengereman yang harus dilakukan agar mobil berhenti di lampu merah yang saat itu berjarak 100 meter dari mobil! (72 km/jam = 20 m/s) Soal No. 6 Sebuah tongkat yang panjangnya 40 cm dan tegak di atas permukaan tanah dijatuhi martil 10 kg dari ketinggian 50 cm di atas ujungnya. Bila gaya tahan rata-rata tanah 10 3 N, maka banyaknya tumbukan martil yang perlu dilakukan terhadap tongkat agar menjadi rata dengan permukaan tanah adalah. A. 4 kali B. 5 kali C. 6 kali D. 8 kali E. 10 kali (Soal UMPTN 1998) Dua rumus usaha yang terlibat disini adalah: Pada martil : W = m g Δ h Pada tanah oleh gaya gesekan: W = F S Cari kedalaman masuknya tongkat (S) oleh sekali pukulan martil: F S = mgδh (10 3 ) S = 10 (10)(0,5) S = 50 / 1000 = 5 / 100 m = 5 cm Jadi sekali jatuhnya martil, tongkat masuk tanah sedalam 5 cm. Untuk tongkat sepanjang 40 cm, maka jumlah jatuhnya martil: n = 40 : 5 = 8 kali Soal No. 7 Sebuah balok berada pada sebuah bidang miring dengan koefisien gesekan 0,1 seperti diperlihatkan gambar berikut.

4 Balok turun ke bawah untuk tinjauan 5 meter. Tentukan: a) gaya-gaya yang bekerja pada balok b) usaha masing-masing gaya pada balok c) usaha total Gunakan g = 10 m/s 2, sin 53 o = 0,8, cos 53 o = 0,6, W (huruf besar) untuk lambang usaha, dan w (kecil) untuk lambang gaya berat. a) gaya-gaya yang bekerja pada balok gaya normal (N), gaya berat (w) dengan komponennya yaitu w sin 53 dan w cos 53, gaya gesek F ges b) usaha masing-masing gaya pada balok Dengan bidang miring sebagai lintasan (acuan) perpindahan: -Usaha oleh gaya Normal dan komponen gaya berat w cos 53 Usaha kedua gaya bernilai nol (gaya tegak lurus lintasan) -Usaha oleh komponen gaya berat w sin 53 W = w sin 53. S W = mg sin 53. S W = (6)(10)(0,8)(5) = joule (Diberi tanda positif, arah mg sin 53 searah dengan pindahnya balok.) -Usaha oleh gaya gesek Cari besar gaya gesek terlebih dahulu f ges = μ N f ges = μ mg cos 53 f ges = (0,1) (6)(10)(0,6) = 0,36 N W = fges S = 0,36 (5) = 1,8 joule (Diberi tanda negatif, arah gaya gesek berlawanan dengan arah pindahnya balok) c) usaha total

5 W total = +240 joule 1,8 joule = + 238,2 joule Soal No. 8 Sebuah balok bermassa 2 kg berada pada sebuah bidang miring kasar seperti diperlihatkan gambar berikut. Balok didorong ke atas oleh gaya F = 25 N hingga bergeser ke atas untuk tinjauan sejauh 5 meter. Gaya gesek yang terjadi antara balok dengan bidang miring sebesar 3 N. Tentukan beserta tanda positif atau negatifnya: a) usaha oleh gaya F b) usaha oleh gaya gesek c) usaha oleh gaya berat d) usaha total a) usaha oleh gaya F W = F. S = + 25 (5) = joule b) usaha oleh gaya gesek W = f. S = 3(5) = 15 joule c) usaha oleh gaya berat W = mg sin 53. S = (2)(10)(0,8)(5) = 80 joule d) usaha total W total = = 30 joule Soal No. 9 Perhatikan gambar berikut, Sebuah kotak ditarik dengan gaya F sebesar 12 Newton. Jika kotak berpindah 4 meter ke kanan, tentukan usaha yang dilakukan gaya pada kotak tersebut!

6 Usaha = gaya x perpindahan W = F x S W = 12 x 4 W = 48 joule Soal No. 10 Sebuah balok berada pada lantai licin dan ditarik oleh gaya F = 40 Newton. Jika usaha yang dilakukan oleh gaya kepada balok adalah 680 joule, hitunglah besar perpindahan balok! Usaha = gaya x perpindahan W = F x S 680 = 40 x S S = 680 / 40 S = 17 meter Soal No. 11 Usaha yang diperlukan untuk memindahkan sebuah benda dalam lintasan mendatar sejauh 13 meter sebesar 15,6 joule. Tentukan besar gaya yang harus diberikan pada benda! Usaha = gaya x perpindahan W = F x S 15,6 = F x 13 F = 15,6 / 13 F = 1,2 Newton Soal No. 12 Dua buah gaya masing-masing F 1 = 10 N dan F 2 = 5 N bekerja pada sebuah benda yang terletak pada suatu permukaan lantai. Jika benda berpindah ke kanan sejauh 5 meter, tentukan usaha yang dilakukan pada benda oleh kedua gaya tersebut! W = (F 1 + F 2 ) x S W = (10 + 5) x 5

7 W = 15 x 5 W = 75 joule Soal No. 13 Dua buah gaya masing-masing F 1 = 15 N dan F 2 = 7 N bekerja pada sebuah benda yang terletak pada suatu permukaan lantai. Jika benda berpindah ke kanan sejauh 6 meter, tentukan usaha yang dilakukan pada benda oleh kedua gaya tersebut! W = (F 1 F 2 ) x S W = (15 7) x 6 W = 8 x 6 W = 48 joule Soal No. 14 Usaha total yang dilakukan oleh dua buah gaya F 1 dan F 2 pada sebuah benda adalah 120 joule. Perhatikan gambar berikut Jika perpindahan benda adalah 5 meter, tentukan besarnya gaya F2! W = (F 1 F 2 ) x S 120 = (36 F 2 ) x / 5 = 36 F 2 24 = 36 F 2 F 2 = F 2 = 12 Newton Soal No. 15 Seorang anak memindahkan sebuah buku yang jatuh dilantai ke atas meja. Massa buku adalah 300 gram dan tinggi meja dari lantai adalah 80 cm.

8 Jika percepatan gavitasi bumi adalah 10 m/s 2 tentukan usaha yang diperlukan! Usaha bisa juga ditemukan dari perubahan energi potensial buku. Energi potensial buku saat dilantai adalah nol, sementara energi potensial saat di meja adalah Ep = m x g x h, dimana h adalah tinggi meja. Ubah satuan ke MKS (meter, kilogram, sekon), dengan demikian W = Δ Ep W = m x g x h W = 0,300 x 10 x 0,80 W = 2,4 joule Soal No. 16 Seorang siswa yang beratnya 450 Newton menaiki tangga yang memiliki ketinggian 3 m. Siswa tersebut memerlukan waktu 6 detik untuk sampai ke atas. Tentukan daya yang dikeluarkan siswa untuk kegiatan tersebut! Hubungan Daya (P) dan Usaha (W) serta waktu (t) : P = W / t dimana W = Usaha (joule), jangan keliru sebagai berat karena lambang berat w juga! W = (gaya berat siswa) x (perpindahan siswa) = 450 x 3 = 1350 joule Dengan demikian : P = W/t P = 1350 / 6 P = 225 watt Soal No. 17 Dalam 2 menit sebuah lampu menggunakan energi listrik sebanyak 3000 joule. Tentukan daya lampu tersebut!

9 Ubah menit menjadi detik, 2 menit = 120 detik P = W/t P = 3000 / 120 P = 25 watt Soal No. 18 Perhatikan gambar! Seorang anak membawa kotak yang beratnya 50 Newton dari titik A menuju B, kemudian kembal lagi ke A. Menurut fisika, berapakah usaha yang dilakukan anak? Kotak akhirnya tidak berpindah tempat, sehingga perpindahannya adalah nol W = gaya x perpindahan = 0 Fisikastudycenter.com- Contoh Soal dan tentang Usaha dan Energi, Materi Fisika kelas 2 SMA. Mencakup hubungan usaha, gaya dan perpindahan, mencari usaha dari selisih energi kinetik, menentukan usaha dari selisih energi potensial, tanda positif negatif pada usaha, usaha total, dan membaca grafik F S. Soal No. 19 Sebuah balok ditarik gaya F = 120 N yang membentuk sudut 37 o terhadap arah horizontal seperti diperlihatkan pada gambar berikut ini. Jika balok bergeser sejauh 10 m, tentukan usaha yang dilakukan pada balok!

10 Soal No. 20 Balok bermassa 2 kg berada di atas permukaan yang licin dipercepat dari kondisi diam hingga bergerak dengan percepatan 2 m/s 2. Tentukan usaha yang dilakukan terhadap balok selama 5 sekon! Terlebih dahulu dicari kecepatan balok saat 5 sekon, kemudian dicari selisih energi kinetik dari kondisi awak dan akhirnya: Soal No. 21 Benda 10 kg hendak digeser melalui permukaan bidang miring yang licin seperti gambar berikut! Tentukan usaha yang diperlukan untuk memindahkan benda tersebut!

11 Mencari usaha dengan selisih energi potensial : Soal No. 22 Perhatikan grafik gaya (F) terhadap perpindahan (S) berikut ini! Tentukan besarnya usaha hingga detik ke 12! Usaha = Luasan antara garis grafik F-S dengan sumbu S, untuk grafik di atas luasan berupa trapesium W = 1 / 2 (12 + 9) x 6 W = 1 / 2 (21)(6) W = 63 joule Soal No. 23 Sebuah mobil bermassa kg sedang bergerak dengan kelajuan 72 km/jam mendekati lampu merah. Tentukan besar gaya pengereman yang harus dilakukan agar mobil berhenti di lampu merah yang saat itu berjarak 100 meter dari mobil! (72 km/jam = 20 m/s)

12 Soal No. 24 Sebuah tongkat yang panjangnya 40 cm dan tegak di atas permukaan tanah dijatuhi martil 10 kg dari ketinggian 50 cm di atas ujungnya. Bila gaya tahan rata-rata tanah 10 3 N, maka banyaknya tumbukan martil yang perlu dilakukan terhadap tongkat agar menjadi rata dengan permukaan tanah adalah... A. 4 kali B. 5 kali C. 6 kali D. 8 kali E. 10 kali (Soal UMPTN 1998) Dua rumus usaha yang terlibat disini adalah: Pada martil : W = m g Δ h Pada tanah oleh gaya gesekan: W = F S Cari kedalaman masuknya tongkat (S) oleh sekali pukulan martil: F S = mgδh (10 3 ) S = 10 (10)(0,5) S = 50 / 1000 = 5 / 100 m = 5 cm Jadi sekali jatuhnya martil, tongkat masuk tanah sedalam 5 cm. Untuk tongkat sepanjang 40 cm, maka jumlah jatuhnya martil: n = 40 : 5 = 8 kali Soal No. 25 Sebuah balok berada pada sebuah bidang miring dengan koefisien gesekan 0,1 seperti diperlihatkan gambar berikut. Balok turun ke bawah untuk tinjauan 5 meter. Tentukan: a) gaya-gaya yang bekerja pada balok b) usaha masing-masing gaya pada balok c) usaha total Gunakan g = 10 m/s 2, sin 53 o = 0,8, cos 53 o = 0,6, W (huruf besar) untuk lambang usaha, dan w (kecil) untuk lambang gaya berat.

13 a) gaya-gaya yang bekerja pada balok gaya normal (N), gaya berat (w) dengan komponennya yaitu w sin 53 dan w cos 53, gaya gesek F ges b) usaha masing-masing gaya pada balok Dengan bidang miring sebagai lintasan (acuan) perpindahan: -Usaha oleh gaya Normal dan komponen gaya berat w cos 53 Usaha kedua gaya bernilai nol (gaya tegak lurus lintasan) -Usaha oleh komponen gaya berat w sin 53 W = w sin 53. S W = mg sin 53. S W = (6)(10)(0,8)(5) = joule (Diberi tanda positif, arah mg sin 53 searah dengan pindahnya balok.) -Usaha oleh gaya gesek Cari besar gaya gesek terlebih dahulu f ges = μ N f ges = μ mg cos 53 f ges = (0,1) (6)(10)(0,6) = 0,36 N 3,6 N W = fges S = 3,6 (5) = 18 joule (Diberi tanda negatif, arah gaya gesek berlawanan dengan arah pindahnya balok) c) usaha total W total = +240 joule 18 joule = joule Thanks to gita atas masukannya,..penempatan koma sudah diubah. Soal No. 26 Sebuah balok bermassa 2 kg berada pada sebuah bidang miring kasar seperti diperlihatkan gambar berikut.

14 Balok didorong ke atas oleh gaya F = 25 N hingga bergeser ke atas untuk tinjauan sejauh 5 meter. Gaya gesek yang terjadi antara balok dengan bidang miring sebesar 3 N. Kemiringan bidang 53 terhadap horizontal. Tentukan beserta tanda positif atau negatifnya: a) usaha oleh gaya F b) usaha oleh gaya gesek c) usaha oleh gaya berat d) usaha total a) usaha oleh gaya F W = F. S = + 25 (5) = joule b) usaha oleh gaya gesek W = f. S = 3(5) = 15 joule c) usaha oleh gaya berat W = mg sin 53. S = (2)(10)(0,8)(5) = 80 joule d) usaha total W total = = 30 joule Soal No.27 Benda seberat 10 N berada pada bidang miring yang licin dengan sudut kemiringan 30. Bila benda meluncur sejauh 1 m, maka usaha yang dilakukan gaya berat adalah... A. 10 sin 30 joule B. 10 cos 30 joule C. 10 sin 60 joule D. 10 tan 30 joule E. 10 tan 60 joule (Dari soal Ebtanas 1990)

15 Usaha oleh gaya berat W = mg sin θ Dari soal telah diketahui bahwa (mg) = 10 Newton dan θ = 30, sehingga W = 10 sin 30 joule Soal No.28 Sebuah benda massanya 2 kg jatuh bebas dari puncak gedung bertingkat yang tingginya 100 m. Apabila gesekan dengan udara diabaikan dan g = 10 m s 2 maka usaha yg dilakukan oleh gaya berat sampai pada ketinggian 20 m dari tanah adalah... A. 200 joule B. 400 joule C. 600 joule D joule E joule (Dari soal Ebtanas 1992) Usaha, perubahan energi potensial gravitasi: W = mgδ h W = 2 x 10 x (100 20) W = 1600 joule Soal No.29 Sebuah mobil dengan massa 1 ton bergerak dari keadaan diam. Sesaat kemudian kecepatannya 5 m s 1. Besar usaha yang dilakukan oleh mesin mobil tersebut adalah... A joule B joule C joule D joule E joule (Dari Ebtanas 1994) Usaha perubahan energi kinetik benda: W = 1/2 m Δ(v 2 ) W = 1/2 x 1000 x 5 2 W = joule Catatan: Jika diketahui dua buah kecepatan atau v, maka v nya dikuadratkan dulu baru dikurangkan, bukan dikurangkan terus dikuadratkan!. Soal No.30 Sebuah benda massa 5 kg berada di bagian atas bidang miring yang licin.

16 Jika kecepatan awal benda adalah 2 m/s tentukan usaha yang terjadi saat benda mencapai dasar bidang miring, gunakan percepatan gravitasi bumi di tempat itu g = 10 m/s 2 dan sin 53 o = 4/5! Cara pertama: Usaha = selisih energi kinetik benda Saat kecepatannya 2 m/s, energi kinetiknya adalah: Ek = 1/2 mv 2 = 1/2 (5)2 2 = 10 joule Berikutnya harus tahu kecepatan benda saat tiba dibawah, cari dulu percepatannya Percepatan benda pake hukum newton ΣF = ma mg sin 53 = ma g sin 53 = a 10 4/5 = a a = 8 m/s 2 Kecepatan benda, rumus glbb: V t 2 = Vo 2 + 2aS V t 2 = (8)(10) V t 2 = = 164 m/s Di sini dibiarkan dalam bentuk V t 2 saja, karena nanti diperlukan V t 2. Saat sampai di bawah, energi kinetiknya adalah: Ek = 1 / 2 mv 2 = 1 / 2 (5)(164)= 410 joule Sehingga, Usaha = selisih energi kinetik benda W = = 400 joule

17 Cara kedua: W = selisih energi potensial benda W = mgδh W = 5(10)(10 sin 53 ) W = 50 (10)(4/5) = 400 joule Cara ketiga: W = F S (gaya dikali perpindahan) yang jadi gaya F = mg sin 53 perpindahannya S = 10 m Jadinya W = (mg sin 53 ) S W = 5 (10)(4/5)(10) = 400 joule Ketiga cara menghasilkan jawaban yang sama. 31. Sebuah benda meluncur di atas papan kasar sejauh 5 m, mendapat perlawanan gesekan dengan papan sebesar 180 N. Berapa besarnya usaha dilakukan oleh benda tersebut. Jawab : Diketahui : F = 180 N s = 5 m Ditanya : W? W = F.s = 180 N. 5 m = 900 Nm = 900 Joule 32. Gaya besarnya 60 N bekerja pada sebuah gaya. Jika benda berpindah sejauh 50 m. Berapa besarnya usaha? Jawab : Diketahui : F = 180 N s = 5 m Ditanya : W? W = F.s = 60 N. 50 m = 3000 Nm = 3000 J = 3 kj 33. Gaya besarnya 60 N menyebabkan benda berpindah horizontal sejauh 10 m. Berapa besarnya usaha? Jawab : Diketahui : F = 60 N s = 10 m Ditanya : W?

18 W = F.s = 60 N. 10 m = 600 Nm = 600 J 34. Berapa besar usaha jika sebuah elevator yang beratnya 2000 N dinaikkan setinggi 80 m? Berapa besar energi potensial elevator setelah dinaikkan? Jawab : Diketahui : F = 2000 N h = 80 m Ditanya : Ep? Ep = m.g.h = F.h = 2000 N. 80 m = Nm = J = 160 kj 35. Berapa besar usaha untuk menaikkan 2 kg setinggi 1,5 m di atas lantai? Berapa besar energi potensial benda pada kedudukan yang baru? (g = 10 m/s 2 ) Jawab : Diketahui : m = 2 kg h = 1,5 m g = 10 m/s 2 Ditanya : Ep? Ep = m.g.h = 2 kg. 1,5 m. 10 m/s 2 = 30 kg m 2 /s 2 = 30 J 36. Berapa besar energi kinetik suatu benda yang bergerak dengan kecepatan 20 m/s, jika massa benda 10 kg? Jawaab : Diketahui : v = 20 m/s m = 10 kg Ditanya : Ek? Ek = 12 m.v 2 = kg ( 20 m/s) = 5 kg 400 m 2 /s 2 = 2000 kg m 2 /s 2 = 2000 J = 2 Kj 37. Benda massanya 1 kg mempunyai energi kinetik besarnya 1 joule berapa kecepatan benda? Jawab : Diketahui : m = 1 kg Ek = 1 J Ditanya : v? Ek = 12 m.v 2 1 J = 12 1 kg v 2 2 J1 kg = v 2 2 m/s = v

19 38. Benda yang massanya 2 kg (g = 10 m/s 2 ) jatuh dari ketinggian 4 m di ats tanah. Hitung besar energi potensial benda? Jawab : Diketahui : m = 2 kg h = 4 m g = 10 m/s 2 Ditanya : Ep? Ep = 12 m.g.h = 12 2 kg 10 m/s 2 4 m = 40 kg m 2 /s 2 = 40 J 39. Sebuah benda dengan massa 2 kg berada pada ketinggian 200 m dari permukaan tanah. Jika grafitasi setempat 10 m/s 2 maka hitunglah Energi potensial yang dimiliki oleh benda tersebut? Jawab : Diketahui : m = 2 kg h = 200 m g = 10 m/s 2 Ditanya : Ep? Ep = m.g.h = 2 kg. 200 m. 10 m/s 2 = 4000 kg m 2 /s 2 = 4000 J = 4000 kj 40. Gaya besarnya 60 N menyebabkan benda berpindah horizontal sejauh 10 m selama 6 s. Berapa besarnya daya untuk memindahkan barang tersebut? Jawab : Diketahui : F = 60 N s = 10 m t = 6 s Ditanya : P? P = Wt = F.st = 60 N 10 m6 s = 100 Nm/s = 100 J/s = 100 watt

20 DAFTAR PUSTAKA Nurazizah, Siti Acuan Pengayaan Fisika. Solo: Nyata Grafika Media Surakarta. Resnick, Halliday Fisika Jilid 1 Edisi Ketiga. Jakarta: Erlangga. Young, Hugh D & Roger A Freedman Fisika Universitas Edisi Kesepuluh Jilid 1. Jakarta: Erlangga. Zemansky, Sears.1982.Soal dan Fisika Mekanika.Jakarta: Salemba Teknika Giancoli, D. C., Fisika Jilid I (terjemahan). Jakarta : Penerbit Erlangga Tipler, P.A.,1998. Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan). Jakarta: Penebit Erlangga Young, H. D. & Freedman, R.A., Fisika Universitas (terjemahan). Jakarta : Penerbit Erlangga