CONTOH SOAL FISIKA DASAR : INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

1. Sebuah kumparan yang terdiri atas 50 lilitan dan memiliki hambatan 5 Ohm berada dalam medan magnetik yang arahnya sejajar dengan sumbu kumparan. Fluks magnetik yang memasuki kumparan berubah terhadap waktu sesuai dengan persamaan 𝜙 = 10⁻⁴ sin (3 x 10³ t) Weber. Tentukanlah.

a. Gaya gerak listrik (ggl) antara ujung-ujung kumparan.

b. Kuat arus maksimum yang melalui kumparan.

2. Medan magnetik B = 5 sin 20t Tesla menembus tegak lurus kumparan seluas 100 cm² yang terdiri atas 50 lilitan. Jika hambatan kumparan 5 Ohm, tentukanlah kuat arus induksi maksimum yang timbul pada kumparan.

3. Sebuah generator terdiri atas sebuah kumparan melingkar dengan diameter 20 cm dan berputar 3.600 putaran per menit di dalam medan magnetik 0,5 T. Berapakah jumlah lilitan kumparan agar dihasilkan ggl induksi maksimum sebesar 2,4 kV ? (𝜋² = 10).

4. Sebuah transformator pada sebuah tiang listrik beroperasi pada tegangan Vp = 8,0 kV pada sisi primer dan membekalkan energi listrik kepada sejumlah rumah yang berdekatan pada Vs = 120 V. Berapakah perbandingan lilitan Np / Ns ?

5. Sebuah kunparan yang memiliki hambatan 4 Ohm dan indukstansi 0,02 H dialiri arus listrik I = 25 sin 100t A. Tentukanlah kuat arus induksi maksimum yang mengalir melalui kumparan.

6. Seorang pedagang elektronik menemukan sebuah induktor yang terbuat dari kumparan kawat dengan 50 lilitan. Panjang kumparan 5 cm dengan luas penampang 1 cm². Hitunglah.

a. Induktansi induktor.

b. Energi dalam induktor jika arus yang mengalir 2 A.

c. Induktansi induktor, apabila induktor berisi bahan ferit dengan permeabilitas relatif 𝜇r = 500.

7. Induktansi silang antara dua buah kumparan adalah 4 mH. Tentukan ggl yang diinduksikan pada kumparan kedua jika arus pada kumparan pertama berubah dari 50 A menjadi nol dalam waktu 0,02 s.

8. Suatu sumber tegangan bolak-balik memiliki tegangan maksimum 100 volt dan frekuensi angular 1.000 rad/s dihubungkan dengan kapasitor yang kapasitasnya 4 𝜇F. Tentukan besar arus pergeseran yang terjadi.

9. Suatu kumparan terdiri dari 400 lilitan berbentuk empat persegi panjang dengan panjang 20 cm dan lebar 5 cm. Kumparan bersumbu putar tegak lurus medan magnet sebesar 0,8 Wb/m² dan diputar dengan kecepatan sudut 60 rad/s. Hitunglah besar ggl maksimum yang timbul pada kumparan.

10. Sebuah transformator step-up mengubah tegangan dari 50 V menjadi 200 V. Jika efisiensi transformator 75% ternyata daya yang hilang 150 Watt. Hitung kuat arus primer dan sekundernya.

FISIKA KOMPUTASI : MENGHITUNG NILAI KONSTANTA DAN ORDE REAKSI PADA REAKSI KIMIA

Suatu reaksi kimia dituliskan dalam model matematis sebagai berikut.

Dengan c = konsentrasi, t = waktu, k = konstanta reaksi, dan n = orde reaksi. Nilai dc / dt, c, k, dan n dapat dievaluasikan oleh regresi linier logaritma dengan persamaan berikut.

Diketahui juga data sebagai berikut ini.

Jawab :

Metode / Algoritma

1. Mencari nilai log c, nilai dc / dt, nilai - dc / dt, serta mencari nilai log ( dc / dt) berdasarkan perumusan.

2. Menuliskan nilai log c, nilai dc / dt, nilai - dc / dt, serta mencari nilai log ( dc / dt) dalam bentuk tabel.

3. Mengeliminasi persamaan yang diperoleh untuk mencari nilai k dan c (cukup menggunakan 2 persamaan yang mana saja dari 6 persamaan yang ada).

4. Menampilkan hasil konstanta reaksi k dan orde reaksi n pada reaksi kimia.

Hasil

Kesimpulan

Untuk mengitung perubahan konsentrasi terhadap waktu didasarkan pada formula Forward Difference, Centered Difference, dan Backward Difference. Untuk nilai orde reaksi n yang sangat besar atau mendekati tak hingga, maka nilai konstanta reaksi k akan mendekati nol.

FISIKA KOMPUTASI : MENGHITUNG NILAI TEGANGAN BEBAN INDUKTOR

Hukum Faraday menggambarkan tegangan beban yang melewati induktor dituliskan dalam persamaan berikut :

Dimana VL = tegangan beban (V), L = induktansi (H), i = Arus (A), dan t = waktu (s). 

Tentukan tegangan beban sebagai fungsi waktu jika diketahui suatu data pada saat L = 4 H sebagai berikut.

Plot grafik VL terhadap t. 

Jawab :

Metode / Algoritma

1. Menghitung nilai di / dt berdasarkan perumusan berikut ini.

2. Menghitung nilai VL berdasarkan persamaan.

3. Menampilkan hasil perhitungan dalam bentuk tabel.

4. Membuat plot hubungan antara tegangan beban terhadap waktu.

Hasil

Kesimpulan

Untuk menghitung nilai perubahan arus terhadap waktu (di / dt) didasarkan pada formula Forward Difference, Centered Difference, dan Backward Difference. Untuk nilai di / dt yang sangat besar atau mendekati tak hingga, maka nilai tegangan bebannya juga akan mendekati tak hingga.

CONTOH SOAL FISIKA DASAR : LISTRIK DINAMIS (ELEKTRODINAMIKA)

1. Apakah yang dimaksud dengan Elektrodinamika ?

Elektrodinamika adalah ilmu yang membahas tentang muatan listrik yang bergerak secara permanen.

2. Apakah yang dimaksud dengan arus listrik, kuat arus listrik, dan rapat arus listrik ?

Arus listrik adalah arah aliran-aliran partikel bermuatan positif dari potensial tinggi ke potensial rendah.

Kuat arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang mengalir melalui penampang suatu penghantar per satuan waktu.

Rapat arus listrik adalah kuat arus listrik per satuan luas penampang penghantar.

3. Tuliskan Hukum Ohm.

Hukum I Ohm : Perbandingan tegangan (V) pada kawat penghantar dengan kuat arus (I) adalah tetap yang disebut dengan hambatan (R) untuk suhu yang konstan.

Hukum II Ohm : Besar kuat arus yang mengalir dalam rangkaian tertutup yaitu jumlah gaya gerak listrik per hambatan total.

4. Tuliskan Hukum Kirchoff.

Hukum I Kirchoff : Jumlah kuat arus listrik yang masuk ke suatu titik cabang sama dengan arus listrik yang keluar dari titik tersebut.

Hukum II Kirchoff : Di dalam rangkaian tertutup jumlah aljabar gaya gerak listrik dengan penurunan tegangan sama dengan nol atau Di dalam rangkaian tertutup jumlah aljabar gaya gerak listrik sama dengan jumlah aljabar penurunan tegangan.

5. Apa yang dimaksud dengan daya listrik ?

Daya listrik adalah energi yang dilepas muatan listrik tiap satuan waktu.

6. Pada suatu rangkaian terjadi arus listrik 0,5 A selama 120 sekon. Berapa muatan yang telah melewati suatu titik dalam rangkaian tersebut ? Berapakah jumlah elektron yang telah mengalir selama waktu tersebut ?

7. Sebuah aki mobil 12 V memberikan kuat arus listrik sebesar 2,5 mA pada sebuah rangkaian yang di dalamnya terdapat sebuah resistor. Berapakah hambatan resistor ini ?

8. Sebuah setrika listrik yang memiliki spesifikas 300 W/220 V digunakan selama 2 jam setiap hari. Jika setrika dipasang pada sumber tegangan 110 V, tentukan.

(a) Daya sesungguhnya yang diserap setrika listrik.

(b) Biaya tagihan listrik satu bulan dengan biaya per kwh adalah Rp 100,-.

9. Sebuah pesawat TV dipasang pada tegangan 110 V dan memerlukan arus 2 A. Jika pesawat TV rata-rata dinyalakan setiap hari selama 5 jam, tentukan.

(a) Berapa kwh energi yang diperlukan selama 1 bulan.

(b) Biaya yang harus dibayar ke PLN bila harga per kwh adalah Rp 200,-.

10. Suatu lilitan kawat yang berhambatan 50 Ohm dicelupkan ke dalam air bersuhu 30°C. Jika kalor jenis air adalah 4.200 J/kg°C dan ujung-ujung lilitan dipasang pada tegangan 110 V, hitunglah suhu akhir air bila arus mengalir selama 7 menit.

CONTOH SOAL FISIKA DASAR : SUHU DAN KALOR

1. Apakah yang dimaksud dengan suhu dan sifat termometrik suatu zat ?

Suhu adalah derajat panas atau dingin suatu benda dengan satuan derajat.

Sifat termometrik adalah sifat fisis zat yang berubah jika dipanaskan, misalnya volume zat cair, panjang logam, hambatan listrik seutas kawat platina, tekanan gas pada volume tetap, dan warna pijar kawat (filamen) lampu.

2. Apakah yang dimaksud dengan kalor ? Apa yang terjadi bila benda menerima dan melepas kalor ?

Kalor adalah bentuk energi yang berpindah dari benda yang suhunya lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah ketika kedua benda bersentuhan.

Benda yang menerima kalor, suhunya akan naik atau wujudnya berubah. Benda yang melepaskan kalor, suhunya akan turun atau wujudnya berubah.

3. Sebutkan definisi satu kalori.

Satu kalori adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1°C air murni yang massanya 1 gram.

4. Apakah yang dimaksud dengan kalor jenis dan kapasitas kalor ?

Kalor jenis adalah perbandingan antara kapasitas panas dengan massa benda atau banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu tiap satuan massa benda tersebut sebanyak satu derajat.

Kapasitas kalor adalah perbandingan antara jumlah kalor yang diterima benda dengan kenaikan suhu atau banyaknya panas yang diperlukan untuk menaikkan sejumlah zat tertentu sebanyak satu derajat.

5. Bagaimana bunyi Azas Black (Hukum Kekekalan Energi Kalor) ?

Jika dua zat yang berbeda suhunya dicampur hingga tercapai kesetimbangan termal pada suhu tertentu maka zat yang bersuhu lebih tinggi akan melepaskan kalor dan diserap oleh zat yang bersuhu lebih rendah (kalor yang dilepas = kalor yang diterima).

Qlepas = Qterima

6. Pada suhu berapakah skala Celcius dan Fahrenheit menunjukkan hasil pengukuran yang sama ?

7. Suhu tubuh seseorang yang sedang sakit panas mencapai 40°C. Tentukan suhu orang tersebut jika diukur dalam skala Fahrenheit.

8. Tentukan.

68 °F = ... °C = ... °R = ... K

Jawab :

68 °F = 20 °C = 16 °R = 293 K

9. Suatu gas suhunya 50°C. Tentukan suhu gas tersebut agar volume gas menjadi dua kali lipat jika tekanan dijaga konstan.

10. Dalam sebuah termos terdapat 250 g larutan kopi pada suhu 90°C. Kemudian sebanyak 20 g larutan susu pada suhu 5°C ditambahkan ke dalamya. Berapakah suhu akhir campuran, jika dianggap kalor jenis larutan kopi dan susu sama besar ?

11. Sebuah bejana alumunium massanya 200 g diisi 50 g air. Bejana dan air diberi kalor sebesar 920 kalori. Bila kenaikan suhu akhir air dan bejana 10°C dan kalor jenis air 1 kal/g °C. Hitung kalor jenis alumunium.

12. Sebuah benda hitam berbentuk bola dengan jari-jari 5 cm dijaga pada suhu konstan 327°C. Berapakah laju kalor yang dipancarkan ?

CONTOH SOAL FISIKA DASAR : GERAK LURUS

1. Sebuah mobil bergerak 60 km ke arah timur, kemudian berbalik menempuh jarak 20 km ke arah barat. Tentukanlah.

a. Jarak total yang ditempuh mobil.

b. Perpindahan mobil dari kedudukan semula.

2. Seseorang berjalan lurus 30 m ke barat dalam waktu 70 s, kemudian 20 m ke arah timur dalam waktu 30 s. Hitung kelajuan rata-rata dan kecepatan rata-rata orang tersebut selama perjalanan.

3. Mobil bergerak dengan kecepatan awal 20 m/s. Setelah 10 s, kecepatannya berubah menjadi 40 m/s. Berapa percepatan yang dialami mobil tersebut ?

4. Apabila batas kelajuan maksimum jalan raya ditingkatkan dari 80 km/jam menjadi 100 km/jam, berapa perbedaan waktu yang diperlukan untuk menempuh jarak 100 km ?

5. Kereta api bergerak meninggalkan stasiun dengan kelajuan 80 km/jam selama 3,5 jam. Kemudian dengan kelajuan 70 km/jam selama 2 jam untuk mencapai stasiun pemberhentian. Berapakah kelajuan rata-rata kereta tersebut selama perjalanan ?

6. Pada saat kereta api bergerak dengan kelajuan 30 m/s, masinisnya melakukan pengeraman karena menerima sinyal informasi. Dalam waktu 75 s kemudian, masinis menerima sinyal kedua. Jarak tempuh masinis saat menerima sinyal pertama dan kedua adalah 1,5 km. Tentukan kelajuan kereta pada saat menerima sinyal kedua.

7. Sebuah batu dijatuhkan dari puncak gedung setinggi 20 m. Berapa waktu yang diperlukan untuk mencapai tanah dan berapa kecepatannya ?

8. Seorang atlet peloncat indah akan melakukan loncatan setinggi 8 m dari permukaan air kolam renang. Jika pada saat ia lepas dari papan tumpuan kelajuan ke bawahnya sebesar 6 m/s, tentukan kelajuannya saat akan menyentuh air.

9. Sebuah benda jatuh bebas dari ketinggian 80 m. Tentukan.

a. Waktu yang diperlukan untuk sampai tanah.

b. Kecepatan saat sampai di tanah.

10. Suatu benda dilemparkan ke dalam sumur dengan kecepatan awal 2 m/s. Bila benda mencapai dasar sumur setelah 2 s, tentukan kecepatan benda saat mengenai dasar sumur dan kedalaman sumur.

11. Sebuah benda mula-mula bergerak dengan kecepatan 72 km/jam, kemudian dipercepat sehingga kecepatannya menjadi 144 km/jam. Hitunglah percepatan benda dan lama benda bergerak jika kecepatan akhir itu dicapai setelah menempuh jarak 60 m.

FISIKA KOMPUTASI : MENGHITUNG POSISI BENDA MENGGUNAKAN METODE RUNGE-KUTTA ORDE-4

Gerak harmonik sederhana sebuah benda pegas dimodelkan dengan persamaan :

dengan x adalah posisi benda dari titik setimbang. Misalkan posisi awal t = 0 s, x = 10 cm, dan v = 0 m/s dimana k = 100 N/m, m = 2 kg, dan b = kg/s. Syarat awal : v = 0 pada t = 0. Hitunglah posisi benda mengggunakan Metode Runge-Kutta Orde-4 pada waktu t = 0; 0,01; 0,02; ... 10 s serta plot grafik hubungan antara x vs t.

Jawab :

Metode / Algoritma

1. Memasukkan nilai input yang diketahui untuk gerak harmonik sederhana sebuah pegas.

2. Membuat dua permisalan agar dapat diperoleh nilai posisi benda x, yaitu dx / dt = v dan dv / dt = -50x berdasarkan persamaan yang telah diketahui.

3. Melakukan iterasi dari 0,01 s sampai 10 s dengan perbedaan selang waktu 0,01 s untuk mencari nilai posisi benda x.

4. Menampilkan nilai posisi benda x yang telah diperoleh pada waktu 0,01 s sampai 10 s.

5. Membuat plot hubungan x (posisi benda) vs t (waktu).

Hasil

Kesimpulan

Dari grafik dapat diketahui bahwa untuk tiap waktu, posisi benda memberikan nilai yang konstan. Atau dapat dikatakan jika nilai waktu mendekati tak hingga, maka posisi benda akan memberikan nilai yang konstan yaitu sebesar 0,0992577323 m.

FISIKA KOMPUTASI : MENGHITUNG PERIODE GERAK PENDULUM SEDERHANA

Suatu gerak pendulum sederhana dengan panjang tali 1 m dilepaskan pada saat t = 0 dengan sudut awal 𝜃0. Periode pendulum tersebut dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

Dengan menggunakan metode integral, hitunglah nilai T untuks semua 𝜃0 dari 𝜋/50 hingga 𝜋/2 dengan kenaikan tiap 𝜋/40. Buatlah tabel hasil dan tampilkan grafik perhitungan Periode vs Amplitudo.

Jawab :

Metode / Algoritma

1. Mencari nilai integral untuk 𝜃0 dari 𝜋/50 hingga 𝜋/2 menggunakan metode Romberg dengan selang waktu 𝜋/40.

2. Mencari nilai periode T pada persamaan.

3. Mencari nilai amplitudo A berdasarkan persamaan A = 1/cos 𝜃0.

4. Membuat hasil perhitungan yang diperoleh dalam bentuk tabel.

5. Membuat plot grafik hubungan antara Periode vs Amplitudo.

Hasil

Kesimpulan

Waktu yang diperlukan untuk satu kali getaran (atau disebut dengan Periode) sama sekali tidak bergantung pada amplitudo A. Dari grafik dapat disimpulkan bahwa nilai Periode akan tetap sama, tidak melihat besar kecilnya Amplitudo.

FISIKA KOMPUTASI : MENGHITUNG KECEPATAN ROKET

Kecepatan sebuah roket terhadap waktu secara matematis direpresentasikan oleh beberapa fungsi dengan syarat batas sebagai berikut :

Dengan v = kecepatan roket (m/s) dan t = waktu (s).

Hitunglah nilai kecepatan roket v untuk t = 0 s sampai t = 50 s dengan perbedaan sebesar 0,01 s serta buat plot grafik hubungan v vs t.

Jawab :

Metode / Algoritma

1. Membuat tabel untuk nilai kecepatan roket v dan waktu yang diperlukan t.

2. Melakukan iterasi (looping) guna menghitung kecepatan roket untuk t = 0 s sampai t = 50 s dengan perbedaan sebesar 0,01 s berdasarkan perumusan matematis di atas.

3. Menampilkan nilai kecepatan roket dan waktu yang diperlukan.

4. Membuat plot hubungan v vs t. 

Hasil

Kesimpulan

Kecepatan roket berbanding lurus dengan waktu, artinya semakin besar kecepatan roket maka waktu yang ditempuh akan semakin cepat. Jika waktu menjadi menjadi tak hingga, maka kecepatan roket akan mencapai nilai konstan sebesar tak hingga.