CONTOH SOAL FISIKA DASAR : FLUIDA

1. Sebuah tempat di dasar danau memiliki kedalaman 20 m. Jika massa jenis air danau 1.000 kg/m³, percepatan gravitasi 10 m/s², dan tekanan di atas permukaan air sebesar 1 atm. Tentukan.

a. Tekanan hidrostatik.

b. Tekanan total.

2. Bendungan menampung air setinggi 80 m (massa jenis air 1.000 kg/m³ dan percepatan gravitasi 10 m/s²). Berapa besar tekanan hidrostatis pada suatu titik yang berada 60 m di bawah permukaan air ?

3. Satuan SI untuk tekanan adalah Pascal (Pa) dimana 1 Pa = 1 N/m². Berapa besarnya gaya yang harus dilakukan oleh seorang juru rawat kepada sebuah semprot suntik yang diameternya 2 cm supaya tekanan zat cair bertambah 10⁵ Pa ?

4. Berapa massa jenis bola yang memiliki massa 0,5 kg dengan diameter 10 cm ?

5. Air mengalir melalui pipa mendatar dengan luas penampang pada masing-masing ujungnya 40 cm² dan 10 cm². Jika kecepatan fluida pada penampang kecil adalah 10 m/s, tentukan kecepatan fluida pada penampang besar.

6. Suatu pipa berbentuk leher botor dengan diameter penampang besar 3 kali diameter penampang kecil. Jika kelajuan air pada penampang besar 5 m/s, tentukan kelajuan air pada penampang kecil.

7. Seorang petugas pompa bensin mengisi bahan bakar sebuah kendaraan 100 liter dalam waktu 2 menit. Tentukan.

a. Besar debit bensin tersebut.

b. Kelajuan bensin keluar dari pipa jika diameter ujung pipa 3 cm.

8. Air mengalir dalam suatu sistem pipa tertutup. Pada suatu titik kecepatan air 3 m/s sedangkan pada titik yang terletak 1 m di atasnya memiliki kecepatan 4 m/s. Tentukan tekanan pada titik yang lebih tinggi, jika tekanan pada titik yang lebih rendah 20 kPa (g = 10 m/s²).

9. Batang jarum yang panjangnya 5 cm diletakkan perlahan-lahan di atas permukaan air. Apabila tegangan permukaan air 7 x 10⁻² N/m, berapa besar gaya pada permukaan tersebut ?

10. Sebatang pipa kapiler dengan jari-jari penampang 1 mm dicelupkan tegak lurus ke dalam air (𝜌air = 10³ kg/m³). Jika tegangan permukaan air 0,07 N/m, sudut kontak 37°, dan percepatan gravitasi 10 m/s², berapa kenaikan air dalam pipa kapiler ?

11. Sebuah bola baja massa jenisnya 8.000 kg/m³, dijatuhkan ke dalam gliserin yang massa jeninsnya 1.300 kg/m³. Bola tersebut telah bergerak beraturan (mencapai kecepatan maksimum), menempuh jarak 20 cm dalam waktu 5 s. Jika jari-jari bola 1,5 mm, percepatan gravitasi 9,8 m/s², berapa koefisien viskositas gliserin ?

CONTOH SOAL FISIKA DASAR : MOMENTUM SUDUT DAN ROTASI BENDA TEGAR

1. Sebuah partikel memiliki massa 0,15 kg, melakukan gerak orbital membentuk lingkaran dengan jari-jari 2 m. Jika pada partikel bekerja torsi 3 Nm, tentukan percepatan sudut partikel tersebut.

2. Tentukan momen inersia tongkat homogen dengan panjang 90 cm, massa 720 gram, jika diputar melalui sumbu :

a. Ditengah-tengah tongkat.

b. Di ujung tongkat.

3. Torsi yang bekerja pada sebuah silinder pejal yang massanya 0,5 kg dan jari-jari 12 cm sebesar 3,6 x 10⁻² Nm. Tentukan percepatan sudut yang dialami silinder tersebut.

4. Sebuah bola pejal memiliki massa 3,5 kg, menggelinding tanpa selip sepanjang bidang miring dengan sudut kemiringan 30°. Jika g = 10 m/s², tentukan.

a. Percepatan gerak translasi pusat massa bola.

b. Gaya gesekan statis antara bola dengan bidang miring.

5. Seorang anak duduk pada salah satu kursi komidi putar. Kursi berada pada jarak 2 m dari sumbu putarnya. Jika massa anak tersebut 37,5 kg dan anak mengalami 4 putaran tiap menit, tentukan besar momentum sudut anak tersebut.

6. Sebuah partikel memiliki massa 0,3 kg, melakukan gerak orbital dengan jari-jari 2 m. Jika pada partikel timbul percepatan sudut 5 rad/s², tentukan :

a. Momen inersia partikel.

b. Torsi yang bekerja pada partikel.

7. Sebuah partikel yang mempunyai massa 0,04 kg, melakukan gerak orbital dengan jari-jari lintasan 0,8 m, torsi bekerja selama 5 s sehingga menimbulkan perubahan momentum sudut 3,2 x 10 kg.m²/sekon. Tentukan :

a. Torsi yang bekerja pada partikel.

b. Percepatan sudut partikel.

8. Sebuah roda berbentuk silinder pejal digantung pada sumbunya. Pada tepi roda dililitkan tali, tali tersebut ditarik vertikal ke bawah dengan gaya 15 N. Apabila roda tersebut memiliki massa 8 kg dan jari-jari 20 cm. Berapa percepatan tali tersebut ?

9. Sebuah bola pejal dengan massa 6 kg dan jari-jari 20 cm bergerak pada kelajuan 30 m/s sambil berputar. Tentukan energi kinetik totalnya.

10. Tiga buah partikel diletakkan pada sistem koordinat kartesius sebagai berikut.

- Massa 1 kg di titik (0,0)

- Massa 2 kg di titik (2,1)

- Massa 3 kg di titik (1,5)

dengan semua jarak diukur dalam meter. Tentukan letak titik berat sistem tersebut.

CONTOH SOAL FISIKA DASAR : ARUS DAN TEGANGAN LISTRIK BOLAK BALIK

1. Sebuah genset menghasilkan tegangan sebagai fungsi waktu V = 150 sin 50𝜋t dengan V dalam volt dan t dalam sekon. Hitunglah.

a. Tegangan maksimum.                   e. Frekuensi.

b. Tegangan puncak.                        f. Periode.

c. Tegangan efektif.                          g. Tegangan pada saat t = 5 ms.

d. Frekuensi angular.

2. Apabila tegangan maksimum dan frekuensi pada rangkaian induktor murni adalah 3,6 V dan 1,6 MHz. Tentukanlah.

a. Reaktansi induktif dan induktansi induktor yang diperlukan agar arus maksimumnya 250 µA.

b. Arus maksimum yang melalui induktor jika tegangan maksimum dijaga konstan dan frekuensi diubah menjadi 16 MHz.

3. Seseorang merancang rangkaian seri RLC dengan R = 250 Ω, L = 0,6 H, dan C = 3,5 µF. Jika persamaan V = 150 sin 377t V, tentukanlah.

a. Impedansi pada sudut fase rangkaian.

b. Sifat rangkaian.

c. Arus maksimum dan arus efektif.

4. Sebuah resisttor R = 60 Ω dihubungkan seri dengan induktor L = 250 mH. Nilai maksimum sumber tegangan 200√2 V dan frekuensi angular 320 rad/s. Tentukanlah.

a. Impedansi rangkaian.

b. Kuat arus maksimum.

c. Beda sudut fase antara arus dengan sumber tegangan.

5. Rangkaian seri RLC dengan R = 1.600 Ω, L = 400 mH, dan C = 10 µF dihubungkan dengan sumber tegangan AC yang frekuensinya dapat diatur. Tentukanlah.

a. Frekuensi resonansi rangkaian.

b. Impedansi rangkaian dalam keadaan resonansi.

Jawab :

6. Sebuah sumber tegangan AC dengan persamaan V = 100 sin 1000t volt dihubungkan dengan rangkaian seri RLC. Tentukanlah daya disipasi pada rangkaian jika R = 400 Ω, L = 0,5 H, dan C = 5 µF.

7. Rangkaian seri RLC dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik yang memiliki nilai maksimum 200 V. Jika impedansi rangkaian adalah 50 Ohm, maka berapa arus maksimum yang mengalir dalam rangkaian ?

8. Rangkaian seri RLC dengan R = 2.000 Ω, L = 0,5 H, dan C = 0,2 µF dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik yang memiliki kecepatan sudut 2.000 rad/s. Berapa impedansi rangkaian tersebut ?

9. Rangkaian seri RC dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik. Bila tegangan antara kedua ujung R adalah 30 V dan tegangan antara kedua ujung C adalah 40 V, maka berapa tegangan antara ujung-ujung rangkaian seri RC ?

10. Rangkaian seri RLC masing-masing mempunyai besaran R = 300 Ω, L = 0,6 H, dan C = 5 µF dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik yang mempunyai frekuensi anguler 100 rad/s. Hitunglah.

a. Impedansi.

b. Bila terjadi resonansi seri hitunglah induktansi diri.

c. Pergeseran fase.

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.