• Tidak ada hasil yang ditemukan

SOAL UJIAN TENGAH SEMESTER I FISIKA DASAR I

Dalam dokumen FISIKA TPB (Halaman 25-39)

TAHUN 2005/2006

1. Sebuah benda suatu saat berada di posisi CE  2Ĥ  3F̂ m. Benda tersebut mengalami perpindahan selama 10 detik mengikuti hubungan ∆CE  8Ĥ  10F̂ m.

a. Tentukan besar perpindahan dari   04 sampai   104 b. Tentukan posisi benda tersebut pada saat   104

c. Gambarkan grafik kecepatan dan percepatan sebagai fungsi waktu untuk komponen dalam sumbu-y, mulai dari saat   04 sampai   104

2. Gerak sebuah benda dalam arah sumbu-x sebagai fungsi dari waktu ditunjukkan oleh gambar di bawah

a. Tentukan panjang lintasan pada saat   2, 4, 8, 10, dan 124 b. Tentukan waktu pada saat benda berhenti

c. Tentukan kecepatan rata-rata dari   04 sampai   124

3. Sebuah benda dengan massa 25kg pada bidang miring dengan kemiringan sebesar 30]. Benda tersebut dari keadaan diam

didorong dengan gaya horisontal sebesar &  20V dan ditarik ke atas dengan gaya sebesar ( 40V pada arah 37] terhadap

bidang miring seperti terlihat pada gambar. Bidang miring tersebut memiliki koefisien gesek statik dan kinetik berturut-turut 0,3 dan 0,2. Gunakan g = 10 m/s2.

a. Gambarkan diagram gaya yang bekerja pada benda b. Tentukan besar gaya dan arah percepatan gerak benda c. Tentukan harga kecepatan benda setelah menempuh 2m

4. Tinjaulah sistem benda pada gambar. Diketahui bahwa koefisien gesek statik dan kinetik antara  dan  berturut-turut adalah 0,4 dan 0,2. Diketahui  2 ,   3 , dan / 1 . Gunakan g=10m/s2. 0 2 4 6 8 10 12 14 0 1 2 3 4 5 6 7 8 t[det] x (t )[ m ]

a. Buat diagram gaya untuk , , dan /

b. Tentukan besar percepatan pada soal (a) c. Tentukan besar tegangan tali T1 dan T2

5. Suatu gaya luar bekerja pada benda bermassa 0,2 kg sehingga menekan pegas berkonstanta pegas 1200N/m sejauh M dari titik setimbang. Kemudian gaya luar tersebut dilepaskan sehingga benda menempuh lintasan horisontal š, › dan lintasan melingkar ›œ seperti pada gambar. Lintasan ž dan ›œ adalah bidang licin sedangkan lintasan › kasar dengan koefisien gesek kinetik 0,2. Gunakan g=10m/s2.

a. Tentukan simpangan minimal pegas agar benda dapat mencapai titik D

b. Tentukan besar dan arah percepatan benda di titik C saat kondisi soal (a) dipenuhi

c. Setelah mencapai D, benda kemudian bergerak parabolik. Tentukan jarak jatuhnya bola terhadap titik B

6. Sebuah balok,  bermassa 1kg diikatkan pada ujung sebuah pegas yang memiliki konstanta pegas sebesar 120 N/m dan diletakkan pada lantai licin. Di atas benda tersebut diletakkan balok lain, , bermassa 0,5 kg. Dari keadaan setimbangnya pegas ditarik sejauh 5 cm kemudian dilepaskan. Selanjutnya sistem dua benda tersebut bergerak osilasi harmonik.

a. Tentukan syarat yang harus dipenuhi agar kedua benda tersebut dapat bergerak osilasi harmonik b. Tentukan periode osilasi sistem tersebut

SOLUSI UJIAN TENGAH SEMESTER I FISIKA DASAR I

TAHUN 2005/2006

1. Diketahui : CE  2Ĥ  3F̂ m ∆CE  8Ĥ  10F̂ m a. Ditanyakan : Perpindahan dari   0 sampai   10 s

Jawab : ∆CE10  810Ĥ  1010F̂  80Ĥ  1000F̂ m b. Ditanyakan : Posisi benda pada saat   10 s

Jawab : CE  CDDDE  ∆CE 

CE10  CDDDE  ∆CE10  2Ĥ  3F̂  80Ĥ  1000F̂  82Ĥ  1003F̂ m 

c. Ditanyakan : Grafik kecepatan dan percepatan untuk komponen y

Jawab : Dari persamaan CE  CDDDE  ∆CE  8  2Ĥ  10  3F̂, diperoleh komponen perpindahan dalam arah y adalah   10 3. Kecepatan dalam arah sumbu-y : '&'&(  20 m/s

Grafik ' terhadap  adalah

Percepatan dalam arah sumbu-y : ;'&IŸ

&(  20 m/s2 Grafik ;' terhadap  adalah

2. Diketahui : Diberikan kurva posisi sebuah benda dalam sumbu-x terhadap waktu a. Ditanyakan : Panjang lintasan

Jawab : Berdasarkan grafik yang diberikan pada soal didapatkan panjang lintasan (seluruh lintasan ditambahkan)

Pada saat   2 s adalah 8 m; Pada saat   4 s adalah 13 m;

Pada saat   8 s adalah 19 m; Pada saat   10 s adalah 20 m; Pada saat   12 s adalah 28 m

b. Ditanyakan : Waktu pada saat benda berhenti

Jawab : Benda berhenti ditandai oleh suatu waktu pada saat gradien grafik M sama dengan nol

Sehingga benda berhenti pada saat   2, 3, 6, 8, 10, dan 12 s

c. Ditanyakan : Kecepatan rata-rata dari   0 sampai   12 s Jawab :

w 2t2t  / m/s

3. Diketahui :  25 kg ; & 20 N ; :9  0,3 ; :  0,2 a. Ditanyakan : Diagram benda bebas

Jawab : Asumsi : Benda bergerak ke bawah dengan percepatan ;

b. Ditanyakan : Besar dan arah percepatan benda

Jawab : Dari diagram benda bebas di atas, kita dapat menuliskan hukum Newton - Dalam arah sumbu-x

2  ;

 45630] &<=430] (<=437] 8  ; - Dalam arah sumbu-y

' 0

V  (45637]  <=430] &45630]  0

Gaya gesek kinetik diberikan oleh persamaan 8  :V. Dengan menggunakan persamaan sebelumya didapatkan

V   <=430] &45630] (45637]

Maka,

8  :V  8  :  <=430] &45630] (45637]

Setelah memasukkan nilai-nilai yang telah diketahui sebelumnya maka didapatkan 8  40,5 V

Dengan menggunakan persamaan resultan gaya pada sumbu-x akan didapatkan percepatan ;   45630] &<=430] (<=437] 8  1,41 m/s2

Karena percepatan yang didapatkan bernilai positif, maka hal ini mengindikasikan bahwa asumsi yang dipakai sebelumnya memang benar. Jadi benda akan bergerak turun dengan percepatan sebesar 1,41 m/s2.

c. Diketahui : Kecepatan benda setelah menempuh jarak 2 m

Jawab : (  2;4  5,64; ( v5,64  2,37 m/s 4. Diketahui : :9 0,4 ; : 0,2 ;  2 ;   3 kg ; / 1 kg

a. Ditanyakan : Diagram gaya Jawab :

b. Ditanyakan : Besar percepatan

Jawab : Dari gambar di atas dapat disimpulkan bahwa benda  diam (karena ditahan oleh tali T1), sedangkan benda  dan benda / bergerak dengan percepatan yang sama, ; ;/ ;. Kita terapkan hukum Newton untuk masing-masing benda dan kita dapatkan

Untuk benda 1 : Untuk benda 2 : Untuk benda 3 :

  ' 0 # V    2  ; 3 8 ; 3 :   ; ; 0   '  ; /  3 ;

Dengan mengeliminasi T2 dari persamaan sebelumnya akan didapatkan

;  

ˆ‡¡ /  :   2 m/s2

Sehingga diperoleh percepatan benda 1 dan benda 3 adalah sama besar yaitu 2 m/s2 dan percepatan benda 2 adalah nol.

c. Ditanyakan : Besar tegangan tali T1 dan T2 Jawab :

Dari persamaan hukum Newton untuk benda 2 akan diperoleh ∑ 2  0

3 8 0

3 :   4 N

Dari persamaan hukum Newton untuk benda 3 akan diperoleh ∑ ' ;

/  3 ; 3 /  ;  6 N

5. Diketahui :  0,2 kg ;   1200 N/m ; :  0,2 ; c  1 m ; 4  2,5 m a. Ditanyakan : Simpangan pegas minimum agar benda dapat mencapai titik D

Jawab :

Perhatikan gambar berikut

Karena sepanjang lintasan BCD benda bergerak melingkar, maka pada titik D berlaku 9?    V  I¢Y

e . Agar dapat mencapai titik D, gaya normal di titik tersebut harus lebih besar atau

sama dengan nol V X 0, sehingga kecepatan minimum di titik D adalah £ c (yaitu ketika gaya normalnya nol).

Karena lintasan BCD licin maka kita dapat menggunakan prinsip konservasi energi mekanik. Dengan mengambil titik B sebagai acuan (energi potensial di titik B bernilai nol), akan diperoleh

\iW  \i£ \j£ £ `£ \iW  c  2c  c Pada lintasan AB berlaku

\i_ dk9k \iW

\i_ 84  c  :   c Lintasan ž licin sehingga berlaku konservasi energi

\j  \i_ 

M :   c  : 2,5c

Maka simpangan minimum, M  lfg‡e

  0,095 m b. Ditanyakan : Besar dan arah percepatan di titik C

Jawab :

Berdasarkan gambar di samping, dapat dihitung besar percepatan di titik C ;  l;9?  l+I¤Y

e - 

Untuk mencari  kita dapat menggunakan prinsip konservasi energi dengan mengambil titik C sebagai acuan (energi potensial di C bernilai nol), sehingga

\i¥  \i£ \j£ 

 ¥  £ `£

¥ £ 2c  c  2c  3c

Substitusikan hasil ini ke persamaan percepatan maka akan didapatkan ;  l+I¤Y

e -  l+/ee -  √10  10√10 m/s2

Untuk menentukan arah percepatan di titik C, perhatikan gambar berikut tan 7 @§J

  3 7  ;6t3  71,56]

c. Ditanyakan : Jarak jatuhnya bola setelah melewati titik D Jawab :

Perhatikan gambar berikut

Benda akan bergerak dengan lintasan parabola, untuk itu akan kita analisis gerak untuk masing-masing komponen (komponen-x dan komponen-y)

Untuk komponen-x berlaku gerak lurus beraturan, B  £

Untuk komponen-y berlaku gerak lurus berubah beraturan, 2c 

Substitusikan  yang diperoleh dari komponen-y ke persamaan komponen-x, sehingga kita dapatkan

B  2£le 2cle 2c  2 m Sehingga benda akan jatuh pada posisi 2 meter di sebelah kiri titik B.

6. Diketahui :  1 kg ;   120 N/m ;  0,5 kg ;   0,05 m

a. Ditanyakan : Syarat yang harus dipenuhi agar kedua benda dapat bergerak osilasi harmonik Jawab :

Agar balok  dan  dapat bergerak bersama, maka gaya gesekan statis antara kedua balok tersebut harus lebih besar atau sama dengan gaya pegas maksimum

89X  # :9  X  :9X_

Y 1,2

Jadi syarat yang harus dipenuhi agar kedua benda dapat bergerak osilasi harmonik adalah koefisien gesek statik antara kedua benda tersebut haruslah lebih besar atau sama dengan 1,2 b. Ditanyakan : Periode osilasi sistem

Jawab :

3  2mlˆ‡Y

  2ml‡,  0,70 s

c. Ditanyakan : Kecepatan osilasi pada saat simpangan   2 cm Jawab :

Dengan menggunakan prinsip konservasi energi didapatkan



  

Sehingga didapatkan

SOAL UJIAN TENGAH SEMESTER I FISIKA DASAR I

TAHUN 2006/2007

Gunakan   9,80 /4

1. Seorang tentara tengah berlatih menembak dari ketinggian 10 m di atas tanah. Tentara tersebut menembakkan peluru dengan laju 100 m/s dan sudut elevasi  ;6  3/4

a. Tentukanlah posisi peluru sebagai fungsi waktu dengan menganggap bahwa peluru ditembakkan pada saat   04. Gambarkan secara skematik koordinat x-y yang saudara pilih dan tentukan posisi peluru pada saat   14

b. Berapakah ketinggian maksimum yang dapat dicapai peluru pada saat   14

c. Pada saat  berapakah peluru mencapai tanah

2. Balok A dan balok B ( _  5 dan W 1) terhubung dengan seutas tali melalui katrol tidak bermassa. Anggap tali dan katrol tidak bermassa. Balok A berada di atas bidang miring kasar dengan sudut kemiringan 7 ;67 /. Koefisien gesekan bidang miring adalah :9  0,25 dan :  0,2; sedangkan koefisien gesekan statik bidang vertikal adalah :9 0,25

a. Mula-mula balok B ditahan dengan cara member gaya horisontal pada balok B, sehingga balok B menekan bidang vertikal. Dalam kondisi ini kedua balok adalah setimbang (diam). Gambarkan diagram gaya benda bebas balok A dan balok B

b. Berapa besar gaya minimum agar sistem dalam keadaan diam. Hitung besar gaya normal pada balok B dan ke mana arahnya

c. Jika gaya dilepas, hitung besar percepatan balok (anggap balok B dengan dinding vertikal tidak ada gaya gesekan)

3. Sebuah benda bermassa 1 kg mula-mula berada di titik A (lihat gambar). Pada benda tersebut dikenakan gaya E  Ĥ  MF̂ N, benda bergerak menuju titik C dengan 2 jalur yang ditempuh, yaitu A(-2,0) B(-2,8) C(6,8) dan A D(6,0)

C

a. Hitunglah usaha yang dibutuhkan untuk bergerak di masing-masing jalur

b. Apakah gaya konservatif? Jelaskan pendapat saudara c. Ketika benda menempuh jalur AB, tentukanlah besar

kecepatan benda di titik (-2,4), jika pada saat awal kecepatan benda adalah nol

4. Sebuah benda bermassa 0,1 kg dihubungkan dengan sebuah pegas dengan konstanta pegas 10 N/m. Benda ditempatkan pada bidang datar yang licin sempurna. Benda ditarik sehingga pegas memanjang 10 cm, dan kemudian benda dilepaskan pada   04

a. Dengan menggunakan hukum II Newton, turunkan persamaan diferensial osilasi harmonik dari benda tersebut

b. Tentukan solusi dari persamaan diferensial di atas dinyatakan dalam fungsi sinus c. Tentukanlah energi kinetik pada saat simpangannya 0,4 kali besar amplitude

5. Dalam permainan softball, seorang pelempar bola melemparkan bola (massa 250 gr) dengan kecepatan 30F̂ m/s. Bola dipukul sehingga kecepatannya berubah menjadi 10Ĥ  20F̂  20T m/s a. Hitunglah impuls pada bola

b. Jika tumbukan bola dengan pemukul terjadi selama 0,01 detik, hitung besar gaya rata-rata pada bola

SOLUSI UJIAN TENGAH SEMESTER I FISIKA DASAR I

TAHUN 2006/2007

1. Diketahui : `  10 m ;   100 m/s ; tan   3/4 a) Ditanyakan : Posisi peluru sebagai fungsi waktu

Jawab :

Keadaan awal : posisi dan kecepatan awal CE0  10F̂ m

E0  100 cos  Ĥ  100 sin  F̂  80Ĥ  60F̂ m/s Mengingat E &ZE&(dan ;E  F̂  9,8 /4 maka

CE  CE0  E0 ;E

CE  10F̂  80Ĥ  60F̂  4,9F̂  80Ĥ  10  60  4,9F̂ Pada saat   1 diperoleh

CE1  801Ĥ  10  601  4,91F̂  80Ĥ  65,1F̂ b) Ditanyakan : Ketinggian maksimum peluru saat   1 s

Jawab :

Ketika peluru ditembakkan ke atas, pada ketinggian maksimumnya (sesaat sebelum berganti arah), kecepatan peluru dalam arah-y adalah nol sehingga

'  '0  ;'

Substitusi '  0 ; ;'  ; '  sin  didapatkan  I ¨©ª  6,1224

  0 

Sehingga ketinggian maksimum adalah

  0  10 IY9abY 193,67 m c) Ditanyakan : Kapan peluru mencapai tanah

Jawab :

Ketika mencapai tanah,   0

Dari jawaban poin (a) didapatkan   10  60  4,9 0 maka  t0…v0t,«Ytt,« 6,122 ¬ 6,287

Sehingga yang memenuhi hanyalah   12,409 s

2. Diketahui : _ 5 kg ; W  1 kg ; tan 7  3/4 ; :9 0,25 ; :  0,2 a) Ditanyakan : Diagram gaya

Karena sistem dalam keadaan diam dan memiliki kecenderungan gerak ke kanan maka 89_ memiliki arah ke kiri dan 89W memiliki arah ke bawah

b) Ditanyakan : minimum agar sistem diam Jawab :

minimum dicapai ketika 89_ maksimum dan 89W maksimum

Untuk benda A Untuk benda B

  _  0 _ sin 7  3  89_ 0 _ sin 7  3  :9 _ cos 7  0 3  _sin 7  :9cos 7   W  0 3  89W W  0 3  :9VW W  0 , VW  3  :9  W  0 maka —t[ f§

Dengan substitusi pada tegangan tali didapatkan ’¨©ª htf§²³¨ ht[

f§  39,2 V

c) Ditanyakan : Percepatan balok jika dilepas

Jawab : Jika dilepas maka tidak ada gaya gesek antara benda B dengan dinding vertikal ∑  ∑ ; _ sin 7  8_ W   _ W; _ sin 7  : _ cos 7  W   _ W; ; ’¨©ª htfg’²³¨ ht[ ’‡[  1,96 m/s2

3. Diketahui :  1 kg ; E  Ĥ  MF̂ ; Jalur tempuh A-B-C dan A-D-C a) Ditanyakan : Usaha pada masing-masing jalur

Jawab : E  Ĥ  MF̂ ; BCE  BMĤ  BF̂ ; E · BCE  BM  MB Jalur ABC

d  L E · BCE  L BM  MB_¥  L BM  MB_W  L BM  MBW¥

Karena pada lintasan AB tidak ada perubahan x dan pada lintasan BC tdak ada perubahan y, maka elemen dx pada proses integrasi lintasan AB sama dengan nol dan elemen dy pada proses integrasi lintasan BC juga sama dengan nol. Integral di atas kemudian menjadi

d   L MB_W  L BMW¥

Pada integrasi lintasan AB terjadi perubahan titik koordinat-y dari 0 ke 8 dengan x konstan di titik -2, dan pada integrasi lintasan BC terjadi perubahan titik koordinat-x dari -2 ke 6 dengan y konstan di titik 8. Dengan demikian

Jalur ADC

d  L E · BCE  L BM  MB_¥  L BM  MB_£  L BM  MB£¥

Karena pada lintasan AD tidak ada perubahan y dan pada lintasan DC tdak ada perubahan x, maka elemen dx pada proses integrasi lintasan AD sama dengan nol dan elemen dy pada proses integrasi lintasan DC juga sama dengan nol. Integral di atas kemudian menjadi

d   L MB_W  L BMW¥

Pada integrasi lintasan AD terjadi perubahan titik koordinat-x dari -2 ke 6 dengan y konstan di titik 0, dan pada integrasi lintasan DC terjadi perubahan titik koordinat-y dari 0 ke 8 dengan x konstan di titik 6. Dengan demikian

d   L 0BMt0  L 6Bs  48 J b) Ditanyakan : Apakah konservatif

Jawab : Sifat gaya tidak konservatif karena d_W¥ µ d_£¥

c) Ditanyakan : Besar kecepatan di titik (-2,4) Jawab : d  L E · BCE  Lt,t,BM  MB

Karena tidak ada perubahan titik koordinat-x maka dx=0 sehingga persamaan tersebut menjadi d   L MB   L 2B  8 J

d   8 #   4 m/s2

4. Diketahui :  0,1 kg ;   10 N/m ; ∆M  10 cm a) Ditanyakan : Persamaan gerak

Jawab : Gunakan persamaan diferensial untuk hukum Newton  ;  &&(Y2Y ,M  &&(Y2Y

&Y2

&(YM  0 ,&Y2

&(Y M  0 , dengan   l b) Ditanyakan : Solusi persamaan diferensial

Jawab : Salah satu solusi persamaan diferensial di atas adalah dalam bentuk sinus M   sin   dengan   l  l,  10 C;B/4 dan   0,1 m Sehingga solusinya menjadi M  0,1 sin10  

Pada saat   04, M    0,1 0,1  0,1 sin100   sin  1 # ‚

Sehingga bentuk persamaan lengkapnya adalah M  0,1 sin10 ‚ c) Ditanyakan : Energi kinetik saat simpangan 0,4A

Jawab : Gunakan prinsip konservasi energi



 M

\i   M  0,042 J

a) Ditanyakan : Impuls bola

Jawab : Gunakan hubungan impuls-momentum ¶E  ∆jDE  jDE@AaZ jDE@@^

¶E  E@AaZ E@@^

¶E  0,25·S10Ĥ  20F̂  20TU  30F̂¸  2,5Ĥ  12,5F̂  5T Ns b) Ditanyakan : Gaya rata-rata pada bola

Jawab : Gunakan hubungan impuls-gaya ¶E  E · ∆

E ∆(¹E ,Q̂t,º̂‡T,  250Ĥ  1250F̂  500T Maka » E»  v250 1250 500 1369,3 N

SOAL UJIAN TENGAH SEMESTER I FISIKA DASAR I

TAHUN 2007/2008

1. Sebuah benda bergerak sepanjang lintasan OPA (lurus) dan ABO (setengah lingkaran) seperti tampak pada gambar di samping. Besar kecepatan benda di setiap titik lintasan adalah 5 m/s. Tentukanlah :

a. Vektor posisi benda ketika berada di titik P dan ketika berada di titik B

b. Waktu yang diperlukan benda untuk bergerak dari titik P ke titik B

c. Vektor kecepatan rata-rata benda untuk bergerak dari titik P ke titik B d. Laju rata-rata benda untuk bergerak dari titik P ke titik B

2. Sebuah balok dengan massa 1 kg pada bidang horisontal licin dihubungkan dengan sebuah pegas (massa pegas diabaikan) sehingga berosilasi sejajar bidang tersebut (sumbu-x) dengan frekuensi osilasi 2 Hz. Jika pada   14 benda berada di M  5√3 u 10t m dan   20m u 10t m/s.

Tentukan :

a. Konstanta pegas dan amplitude b. Simpangan sebagai fungsi waktu

3. Sebuah benda P ditekankan pada sebuah pegas (konstanta pegas 50 N/m) sehingga pegas memendek 5 u 10t m (lihat gambar di bawah). Ketika tekanan dilepas, benda P bergerak dan

menumbuk benda Q, yang mula-mula diam, secara elastik sempurna. Akhirnya benda Q berhenti di titik C. Bidang datar AB licin dan bidang datar BC kasar dengan koefisien gesek kinetik antara benda dan bidang 0,2. Kedua benda mempunyai massa yang sama sebesar 2 kg. Tentukanlah : a. Kecepatan P sesaat sebelum menumbuk Q

b. Kecepatan P dan Q sesaat sesudah tumbukan c. Jarak BC

4. Perhatikan gambar di samping. Massa katrol dan tali diabaikan dan panjang tali tetap. Koefisien gesek antara benda A dan benda B adalah :  0,2 dan :  0,1. Jika lantai licin dan massa masing-masing benda adalah _  3 ; W 5 ; ¥  0,3, maka

a. Gambarkan diagram gaya benda bebas pada masing-masing benda A, benda B, benda C

b. Periksalah apakah benda A dan B bergerak bersama

c. Hitunglah percepatan untuk masing-masing benda B dan benda C

5. Sebuah gaya  4M5 (untuk Fisika IB, gaya  35) Newton bekerja pada sebuah benda yang bermassa dengan lintasan seperti ditunjukkan pada gambar di samping

a. Tentukan kerja yang dilakukan gaya tersebut untuk perpindahan benda dari titik O ke titik B :

i. dengan lintasan 1 (OB) ii. dengan lintasan 2 (OAB) b. Apakah gaya di atas konservatif? Jelaskan

SOLUSI UJIAN TENGAH SEMESTER I

Dalam dokumen FISIKA TPB (Halaman 25-39)