Bab 1 Besaran dan Pengukuran Fisika berasal dari bahasa Yunani yang berarti "alam". Maka "Ilmu Fisika" adalah ilmu pengetahuan yang mempelajari bendabenda di alam, gejala-gejala alam, kejadian-kejadian alam dan interaksi dari benda-benda di alam tersebut. Gejala-gejala alam yang dipelajari dalam fisika pada mulanya adalah apa yang dialami oleh indera kita. Misalnya : - penglihatan menemukan pelajaran tentang optika atau cahaya, - pendengaran menemukan pelajaran tentang bunyi, - dan sebagainya. Benda-benda di alam terbagi atas 2 bagian: Alam makro yaitu benda-benda yang ukurannya besar, misalnya : bulan, matahari, bumi dll. Alam mikro adalah benda-benda yang ukurannya sangat kecil dan jarak antar benda tersebut juga sangat kecil, Misalnya : atom, molekul, elektron dsb. Ilmu Fisika terbagi atas: Fisika klasik : o Fisika klasik bersumber pada gejala-gejala yang ditangkap oleh indera. o Mekanika, Listrik, Magnit, Panas, Bunyi dan Optika. Sedangkan Gelombang merupakan perbatasan antara fisika klasik dan modern. Fisika modern : o perkembangan fisika sejak abad ke 20 yaitu dimulai dari penemuan teori relativitas Einstein dan radio aktivitas oleh keluarga Currie. Ilmu Fisika sangat mendukung kemajuan teknologi, termasuk kerekayasaan (engineering), kimia, biologi, kedokteran dan lainlain. 1
Hubungan Ilmu Fisika dengan Ilmu Pengetahuan Lain Ilmu fisika penting untuk menunjang riset murni maupun terapan. Misalnya : Ahli-ahli geologi dalam risetnya menggunakan metoda-metoda gravimetri, akustik, listrik dan mekanika. Ahli-ahli astronomi memerlukan optik, spektrografi dan teknik radio, Ahli-ahli meteorologi (ilmu cuaca), oseanologi (ilmu kelautan), seismologi memerlukan pengetahuan ilmu fisika. Pengukuran Semua yang dibahas di dalam fisika selalu didasarkan pada pengamatan eksperimental dan pengukuran yang bersifat kuantitatif. Dengan menggunakan hukum-hukum yang ada di dalam Fisika, akan dapat diperoleh teori-teori yang akan memprediksi hasil eksperimen dimasa datang. Jika ada perbedaan antara teori dengan hasil eksperimen, maka teori baru dan eksperimen baru akan muncul untuk dapat diperoleh kesesuaian. Mengukur adalah membandingkan suatu besaran dengan besaran standar. Walau demikian angka kesalahan tak dapat dihindari dalam setiap pengukuran. Setiap pengukuran selalu mempunyai batas ketelitian, disebabkan oleh alat ukurnya atau cara pembacaannya. Misalnya: Panjang sebuah batang adalah 4 m, tidak berarti tepat 4 m, kemungkinan berada antara 4,05 m dan 3,95 m, maka sebaiknya ditulis (4,00 ± 0,05) m. Nilai 0,05 adalah ketelitian pengukuran, makin kecil angka ini makin baik hasil pengukurannya. 2
Berikut ini awalan untuk pangkat dari 10. Besar Prefix Simbol 10-12 pico p 10-9 nano n 10-6 micro μ 10-3 milli m 10-2 centi c 10-1 deci d 10 0 = 1 satuan 10 1 deca da 10 2 hecto h 10 3 kilo k atau K 10 6 mega M 10 9 giga G 10 12 tera T BESARAN, DIMENSI DAN SATUAN Besaran Definisi : Besaran adalah sesuatu yang dapat diukur. Dalam fisika besaran terbagi atas : Besaran dasar adalah besaran yang cara pengukurannya tidak tergantung pada besaran-besaran lain. Besaran turunan adalah besaran yang diturunkan dari besaran-besaran dasar, artinya besaran yang cara pengukurannya tergantung pada lebih dari satu besaran dasar. Contohnya : kecepatan, percepatan, gaya, usaha, daya, volume, massa jenis dan lain-lain. Besaran pelengkap adalah besaran yang diperlukan untuk membentuk besaran turunan. Besaran dasar dalam fisika, menurut Sistem International (S.I) yang mulai berlaku sejak 1960 pada konferensi International dari "Bureau of Weight and Measures" di Paris adalah : 3
Besaran Dasar Simbol Satuan 1. Panjang l meter - m 2. Massa m kilogram - kg 3. Waktu t sekon (detik) - s 4. Arus listrik I ampere-a 5. Temperatur T kelvin - K 6. Intensitas sinar Lc candela - Cd 7. Banyaknya zat N mol Besaran Pelengkap 8. Sudut datar (plane) - radian-rad 9. Sudut ruang (solid) - steradian-sr Dimensi Definisi : Dimensi adalah cara penulisan dari besaran-besaran dengan menggunakan simbol-simbol (lambang-lambang) besaran dasar. Notasi (cara penulisan) dimensi adalah: Panjang : [L] massa : [M] waktu : [T] Dimensi merupakan sifat fisis dari suatu besaran dan tidak bergantung pada besar pengukuran. Misalnya untuk besaran massa : apakah massa tersebut 5 kg, 10 kg, atau 20 kg, besaran massa tersebut tetap mempunyai dimensi M. Pada umumnya besaran-besaran di dalam fisika mempunyai dimensi. Dimensi besaran turunan dapat diperoleh dengan menggunakan kombinasi dari besaran pokok. Dengan kata lain, dimensi dari suatu besaran turunan merupakan susunan dari beberapa besaran pokok. 4
Misalnya: Volume suatu balok, dapat dicari dengan mengalikan panjang (p), lebar (l), dan tinggi (t) dari balok tersebut. Karena panjang, lebar dan tinggi mempunyai dimensi panjang yaitu L, maka dimensi dari volume adalah L x L x L = L 3. Kegunaan dimensi dan analisis dimensional : 1. Menentukan dimensi dan satuan dari suatu besaran 2. Menentukan apakah dua besaran mempunyai kesetaraan atau kesamaan 3. Menentukan apakah suatu persamaan benar, secara dimensional 4. Menentukan satuan dari suatu konstanta. Satuan Definisi : Satuan adalah ukuran dari suatu besaran. Misal: meter, kilometer, untuk satuan panjang, detik, jam, untuk satuan waktu, gram, kilo-gram, untuk satuan massa. Hampir semua besaran mempunyai satuan, tetapi belum tentu mempunyai dimensi (terutama untuk besaran pelengkap), misalnya sudut, getaran, putaran, dan lain-lain. Satuan dari besaran dasar adalah satuan dasar, dan besaran turunan mempunyai satuan turunan, sedangkan besaran pelengkap mempunyai satuan pelengkap. Suatu besaran tidak ada artinya jika tidak disertai satuannya, misalnya : panjang sebuah pensil 20, ini mungkin 20 cm atau 20 inchi. Jadi satuan menentukan ukuran suatu besaran. Satuan besaran turunan harus menggunakan satu sistem tertentu, kecuali pada pemakaian sehari-hari. Misalnya : - berat dalam kilogram, bukan newton (meskipun berat merupakan gaya), 5
- kecepatan mobil dalam km/jam tidak dalam m/s. Satuan sehari-hari tersebut disebut satuan praktis atau teknis. Sistem Satuan Ada dua macam bentuk satuan yaitu : 1. Sistem satuan metrik, sebagai satuan dasarnya adalah panjang, massa, dan waktu. Sistem ini ada 2 macam: a. cgs = centimeter-gram-sekon b. mks = meter-kilogram-sekon 2. Sistem satuan non-metrik (British Unit = satuan Inggris) disingkat fps, yang artinya panjang dalam feet, massa dalam pound, dan waktu dalam second. STANDAR UNTUK BESARAN PANJANG, MASSA, DAN WAKTU Standar satuan panjang Sebelum tahun 1960, standar satuan panjang didefinisikan sebagai panjang antara dua goresan pada suatu batang terbuat dari Platina-Iridium yang disimpan pada suatu ruangan yang terkontrol kondisinya. Standar panjang di atas direvisi pada tahun 1960, kemudian didefinisikan kembali standar panjang baru yaitu: Satu meter didefinisikan sebagai 1.650 763,73 kali panjang gelombang cahaya oranye merah yang dipancarkan oleh lampu Krypton-86. Pada tahun 1983, standar panjang ini didefinisikan kembali, yaitu: Satu meter didefinisikan sebagai jarak yang ditempuh cahaya di dalam vakum selama waktu 1/299.792.458 detik. Standar ini yang berlaku hingga kini. Dari definisi yang terakhir ini, maka dapat kita tetapkan bahwa kecepatan cahaya di dalam vakum adalah 299.792.458 meter per sekon. Standar satuan massa Standar untuk satuan massa sistem Internasional adalah kilogram (kg). Massa sebesar 1 kilogram didefinisikan sebagai massa sebuah benda berbentuk silinder yang terbuat dari platina-iridium. Masa standar ini berbentuk silinder dengan diameter 3,9 cm dan tinggi 3,9 cm. Kilogram standar ini disimpan di Lembaga Berat dan Ukuran 6
Internasional, di Sevres, Prancis dan ditetapkan pada tahun 1887. Duplikasi dari kilogram standar ini disimpan di National Institute of Standars and Technology (NIST) di Gaithersburg, Maryland, USA. Standar satuan waktu Sebelum tahun 1960, waktu standar dinyatakan dalam hari matahari rata-rata pada tahun 1900. Sehingga satu detik didefinisikan sebagai (1/60)(1/60)(1/24) hari matahari. Pada tahun 1960 satu detik didefinisikan kembali, yaitu dengan menggunakan Jam Atom. Standar ini didasarkan pada prinsip transisi atom (proses berpindahnya atom dari tingkat energi tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah). Dalam alat ini, frekuensi transisi atom dapat diukur dengan ketelitian sangat tinggi yaitu 10-12. Oleh karena itu satu detik didefinisikan sebagai waktu yang diperlukan atom Cesium untuk bergetar sebanyak 9.192.631.770 kali. Dengan menggunakan jam atom ini, waktu hanya berubah 1 detik setiap 300.000 tahun. Konversi Satuan Suatu besaran fisika harus terdiri dari suatu bilangan dan satuan. Jika besaran-besaran tersebut dijumlahkan, dikurangkan, dikalikan dan dibagi dalam suatu persamaan matematik, maka satuannya juga harus disamakan dengan bilangan yang lainnya. Misalkan : 3 km + 2 m = 3000 m + 2 m = 3002 m 2 jam + 30 menit = 2 jam + 0,5 jam = 2,5 jam 1 km/ jam =... m/s 1 km 1000 m 1 jam 1 menit x x x 0,28 m / s jam 1 km 60 menit 60 s 7
Contoh soal dan penyelesaian : 1. Tentukan dimensi dan satuan dari besaran-besaran ini menurut Sistem Internasional. a. Volume (V) b. Kecepatan (v) c. Percepatan (a) d. Gaya (F) e. Momentum (p) Jawab : Besaran-besaran di atas merupakan besaran turunan, oleh karenanya dimensi dan satuannya dapat diturunkan dari besaran pokok menurut Sistem Internasional. a. Volume = panjang x lebar x tinggi Dimensi volume dituliskan sebagai [ V ]. [ V ] = [ panjang ] x [ lebar ] x [ tinggi ] [ V ] = L. L. L = L 3 Oleh karena itu gaya dapat diperoleh dengan mengubah lambang-lambang dimensi besaran pokok di atas dengan satuan dari besaran-besaran pokok. Jadi, satuan dari volume (V) = m. m. m = m 3 b. c. Kecepatan [Kecepatan] Jarak Waktu [Jarak] [Waktu] L 1 [ v ] LT T Dengan demikian, maka dari satuan kecepatan v adalah ms -1 Kecepatan Percepatan Waktu 1 LT 2 [ a ] LT T Jadi : satuan dari percepatan = m s -2 8
d. Gaya = massa x percepatan F = m x a [ F ] = [ massa ] x [ percepatan ] [ F ] = M. L T -2 Jadi satuan dari F adalah : kg m s -2 atau kg m/s 2 e. Momentum (p) merupakan perkalian antara massa (m) dan kecepatan (v). [ p ] = [ m ] [ v ] = M. L T -1 Jadi satuan dari p adalah : kg m s -1 atau kg. m/s 2. Tuliskan bilangan-bilangan di bawah ini dengan awalan yang tepat! a. 1.000.000 watt b. 0,002 gram c. 3 x 10-6 meter d. 30.000 sekon Jawab : a. 1.000.000 watt = 10 6 watt = 1 MW b. 0,002 gram = 2 x 10-3 gram = 2 mg c. 3 x 10-6 meter = 3 μm d. 30.000 sekon = 30 x 10 3 sekon = 30 ks 3. Tuliskan bilangan-bilangan berikut ini tanpa menggunakan awalan! a. 40 μw b. 4 ns c. 3 MW d. 25 km 9
Jawab : a. 40 μw = 40 x 10-6 W = 0,000040 W b. 4 ns = 4 x 10-9 s = 0,000000009 s c. 3 MW = 3 x 10 6 W = 3.000.000 W d. 25 km = 25 x 10 3 m = 25.000 m 4. Berapakah nilai ekuivalen dari 90 km/jam dalam m/s dan dalam mil/jam? Jawab : Kita gunakan hubungan : 1 km = 1000 m 1 menit = 60 s 1 jam = 60 menit 90 km jam 1000 m x 1 km x 1 60 jam menit 1 menit x 60 s 25 m / s Untuk mengubah ke dalam mil/jam maka digunakan faktor 1 mil konversi 1,61 km 90 km 1 mil x 55,9 mil / jam jam 1,61 km Jadi 90 km/jam = 25 m/s = 55,9 mil/jam 10