Pengukuran Besaran Fisika

1. Pengukuran panjang dengan menggunakan mistar/penggaris

mistar dan penggunaannya

2. Pengukuran panjang dengan menggunakan jangka sorong

Jangka sorong dan penggunaannya

3. Pengukuran panjang dengan menggunakan mikrometerskrup

mikrometerskrup dan penggunaannya

4. Pengukuran massa dengan menggunakan neraca/timbangan

neraca dan penggunaannya

5. Pengukuran waktu dengan menggunakan stopwatch

stopwatch dan penggunaannya

6. Pengukuran suhu/temperatur dengan menggunakan thermometer

thermometer dan penggunaannya

7. Pengukuran arus listrik dengan menggunakan amperemeter

amperemeter dan penggunaannya

Coba Anda amati lagi gambarnya sampai Anda benar-benar mengerti dan memahami maksudnya. Saya percaya bahwa sebagian besar alat ukur di atas sudah tidak asing lagi buat Anda, karena memang alatnya ada di sekolah, yang kemungkinannya Anda telah melihat wujudnya dan bahkan Anda telah mencobanya pada kegiatan praktikum fisika. Semoga ya…

Gambar-gambar di atas dapat menjadi petunjuk bagi anda untuk bisa menjawab  semua pertanyaan pendahuluan secara utuh. Bahkan anda dapat mengembangkan jawabannya seperti berikut ini.

Mengukur adalah membandingkan sesuatu yang dapat diukur dengan sesuatu yang dijadikan sebagai acuan. Sesuatu yang dapat diukur,kemudian hasilnya dinyatakan dengan angka-angka, dinamakan besaran. Besaran Fisika dikelompokkan menjadi Besaran Pokok dan Besaran Turunan. Besaran pokok adalah besaran yang sudah ditetapkan terlebih dahulu dan merupakan besaran dasar. Sedangkan besaran turunan adalah besaran yang diturunkan dari besaran pokok. Panjang, massa, waktu, suhu dan arus listrik merupakan contoh besaran pokok. Luas, volume, massa jenis, kecepatan dan gaya merupakan contoh dari besaran turunan. Dalam Sistem Internasional (SI) terdapat tujuh besaran pokok yang mempunyai satuan dan dua besaran pokok yang tidak mempunyai satuan. Sedangkan untuk mengukur suatu besaran fisika biasanya menggunakan alat ukur sebagaimana yang telah diperlihatkan pada gambar berbagai pengukuran besaran fisika di atas.

Berikut ini adalah tabel besaran pokok fisika

Tabel Besaran Pokok

GERAK MELINGKAR.

Jika sebuah benda bergerak dengan kelajuan konstan pada suatu lingkaran (disekeliling lingkaran ), maka dikatakan bahwa benda tersebut melakukan gerak melingkar beraturan.

Kecepatan pada gerak melingkar beraturan besarnya selalu tetap namun arahnya selalu berubah, arah kecepatan selalu menyinggung lingkaran, maka v selalu tegak lurus garis yang ditarik melalui pusat lingkaran ke sekeliling lingkaran tersebut.

*   Pengertian radian.

1 (satu) radian adalah besarnya sudut tengah lingkaran yang panjang busurnya sama dengan jari-jarinya.

Besarnya sudut :

q  =    radian S = panjang busur R = jari-jari

Jika panjang busur sama dengan jari-jari, maka q = 1 radian.

Satu radian dipergunakan untuk menyatakan posisi suatu titik yang bergerak melingkar         ( beraturan maupun tak beraturan ) atau dalam gerak rotasi.

Keliling lingkaran = 2p x radius, gerakan melingkar dalam 1 putaran = 2p radian.

1 putaran = 360⁰ = 2p rad.

1 rad = = 57,3⁰

*   Frekwensi dan perioda dalam gerak melingkar beraturan.

Waktu yang diperlukan P untuk satu kali berputar mengelilingi lingkaran di sebut waktu edar atau perioda dan diberi notasi T. Banyaknya putaran per detik disebut Frekwensi dan diberi notasi f. Satuan frekwensi ialah Herz atau cps ( cycle per second ).

Jadi antara f dan T kita dapatkan hubungan :   f . T = 1         f =

*   Kecepatan linier dan kecepatan sudut.

Jika dalam waktu T detik ditempuh jalan sepanjang keliling lingkaran ialah 2pR, maka kelajuan partikel P untuk mengelilingi lingkaran dapat dirumuskan : v =

Kecepatan ini disebut kecepatan linier dan diberi notasi v.

Kecepatan anguler (sudut) diberi notasi w adalah perubahan dari perpindahan sudut persatuan waktu (setiap saat). Biasanya dinyatakan dalam radian/detik, derajat perdetik, putaran perdetik (rps) atau putaran permenit (rpm).

Bila benda melingkar beraturan dengan sudut rata-rata (w)dalam radian perdetik :

w =

w =

jika 1 putaran maka : w =  rad/detik     atau     w = 2 p f

Dengan demikian besarnya sudut yang ditempuh dalam t detik :

q = w t     atau     q = 2 p f t

Dengan demikian antara v dan w kita dapatkan hubungan :

v = w R

* SISTEM GERAK MELINGKAR PADA BEBERAPA SUSUNAN RODA.

-        Sistem langsung.

Pemindahan gerak pada sistem langsung yaitu melalui persinggungan roda yang satu dengan roda yang lain.

Pada sistem ini kelajuan liniernya sama, sedangkan kelajuan anguler tidak sama.

v₁ = v₂, tetapi w₁ w₂

-        Sistem tak langsung.

Pemindahan gerak pada sistem tak langsung yaitu pemindahan gerak dengan menggunakan ban penghubung atau rantai.

Pada sistem ini kelajuan liniernya sama, sedangkan kelajuaan angulernya tidak sama.

v₁ = v₂, tetapi w₁ w₂

-        Sistem roda pada satu sumbu ( CO-Axle )

Jika roda-roda tersebut disusun dalam satu poros putar, maka pada sistem tersebut titik-titik yang terletak pada satu jari mempunyai kecepatan anguler yang sama, tetapi kecepatan liniernya tidak sama.

w_A = w_R = w_C ,   tetapi   v _A  v _B  v _C

Percepatan centripetal.

Jika suatu benda melakukan gerak dengan kelajuan tetap mengelilingi suatu lingkaran, maka arah dari gerak benda tersebut mempunyai perubahn yang tetap. Dalam hal ini maka benda harus mempunyai percepatan yang merubah arah dari kecepatan tersebut.

Arah dari percepatan ini akan selalu tegak lurus dengan arah kecepatan, yakni arah percepatan selalu menuju kearah pusat lingkaran. Percepatan yang mempunyai sifat-sifat tersebut di atas dinamakn PERCEPATAN CENTRIPETALNYA.

Harga percepatan centripetal (a_r) adalah :

a_r =

a_r =      atau     a_r = w² R

Gaya yang menyebabkan benda bergerak melingkar beraturan disebut GAYA CENTRIPETAL yang arahnya selalu ke pusat lingkaran. Sedangkan gaya reaksi dari gaya centripetal (gaya radial) ini disebut GAYA CENTRIFUGAL yang arahnya menjauhi pusat lingkaran. Adapun besarnya gaya-gaya ini adalah :

F = m . a

F_r = m . a_r

F_r = m .      atau     F_r = m w² R

F_r = gaya centripetal/centrifugal

m = massa benda

v = kecepatan linier

R = jari-jari lingkaran.

BEBERAPA CONTOH BENDA BERGERAK MELINGKAR

1. Gerak benda di luar dinding melingkar.

N = m . g - m .

N = m . g cos q - m .

2. Gerak benda di dalam dinding melingkar.

N = m . g + m .

N = m . g cos q + m .

N = m .  -  m . g cos q

N = m .  - m . g

3. Benda dihubungkan dengan tali diputar vertikal.

T = m . g + m

T = m m . g cos q + m

T = m .  -  m . g cos q

T = m .  - m . g

4. Benda dihubungkan dengan tali diputar mendatar (ayunan centrifugal/konis)

T cos q =  m . g T sin q = m . Periodenya T = 2p Keterangan : R adalah jari-jari lingkaran

5. Gerak benda pada sebuah tikungan berbentuk lingkaran mendatar.

N . mk = m . N = gaya normal N = m . g

LATIHAN SOAL

1.      Sebuah batang MA panjang 1 meter dan titik B berada di tengah-tengah MA. Batang diputar beraturan dengan laju tetap dan M sebagai pusat. Bila A dalam 1 sekon berputar 10 kali. Hitunglah :

a. Kecepatan linier titik A dan B.

      b. Kecepatan sudut titik A dan B.

2.      Sepeda mempunyai roda belakang dengan jari-jari 35 cm, Gigi roda belakang dan roda putaran kaki, jari-jarinya masing-masing 4 cm dan 10 cm. Gigi roda belakang dan roda putaran kaki tersebut dihubungkan oleh rantai. Jika kecepatan sepeda        18 km/jam, Hitunglah :

a. Kecepatan sudut roda belakang.

b. Kecepatan linier gigi roda belakang.

      c. Kecepatan sudut roda putaran kaki.

3.      Benda bermassa 10 kg diikat dengan tali pada pasak (tiang). Berapa tegangan tali T jika bergerak melingkar horisontal pada jari-jari 2 m dan kecepatan sudutnya          100 putaran tiap sekonnya ?

4.      Berapa kecepatan maksimum dari mobil yang bermassa m dan bergerak mengelilingi tepi putaran dengan jari-jari 40 m, dan koefesien geraknya 0,7 ?

5.      Suatu titik materi bergerak melingkar beraturan. Dua detik yang pertama menempuh busur sepanjang 40 cm, Bila jari-jari lingkaran 5 cm, maka :

a. Tentukan kelajuan liniernya.

b. Tentukan kelajuan angulernya.

c. Dispacement angulernya ( sudut pusat yang ditempuh )

6.      Roda A dan roda B koaksal ( seporos ), roda B dan C dihubungkan dengan ban (bebat) jari-jari roda A=40cm, roda B=20 cm dan roda C=30 cm. Roda C berputar    30 kali tiap menit.

      a. Tentukan kecepatan anguler A.

      b. Percepatan titik P yang berada di tepi roda A.

7.      Sebuah benda bermassa 49 gram diputar dengan alat centripetal yang diberi beban penggantung bermassa 147 gram dan g = 9,8 m/s². Jika benda diputar dengan jari-jari putaran yang tetap dan bidang lintasannya horisontal, Hitunglah percepatan centripetal pada benda itu.

8.      Sebuah benda diputar pada tali vertikal, benda massanya 100 gram diputar dengan kecepatan tetap 2 m/det pada jari-jari 2 meter. Hitunglah gaya tegangan tali pada saat benda berada di bawah dan di atas.

9.      Sebuah partikel bergerak melingkar beraturan dengan diameter 1 m, dalam 1 detik menempuh lintasan sudut 1/3 lingkaran. Hitunglah :

b.      kecepatan sudutnya.

c.       Kecepatan liniernya.

1.      Sebuah roda berbentuk cakram homogen berputar 7.200 rpm. Hitunglah kecepatan linier sebuah titik yang berada 20 cm dari sumbu putarnya.

2.      Sebuah benda massanya 2 kg, diikat dengan sebuah tali dan diputar vertikal beraturan dengan kecepatan linier 10 m/s , hitunglah :

b.      gaya tegangan tali pada saat benda berada di titik terendah.

c.       pada titik tertinggi.

d.      pada  titik yang bersudut 60o dari garis vertikal melalui pusat lingkaran.

1.      Sebuah mobil dengan massa 2 ton, berada pada puncak sebuah bukit yang dianggap sebuah lingkaran dengan diameter 10 meter, jika mobil tersebut ketika dipuncak bukit berkecepatan 2 m/s, hitunglah gaya normal yang bekerja pada mobil tersebut.

2.      Sebuah mobil yang mempunyai koefisien gesekan antara ban dan jalan 0,6 jika mobil tersebut berbelok pada belokan yang berdiameter 20 meter, berapakah kecepatan minimum agar tidak slip.

 

TEORI KINETIK GAS

GAS IDEAL.

Untuk menyederhanakan permasalahan teori kinetik gas diambil pengertian tentang gas ideal :

1.      Gas ideal terdiri atas partikel-partikel (atom-atom ataupun molekul-molekul ) dalam jumlah yang besar sekali.

2.      Partikel-partikel tersebut senantiasa bergerak dengan arah random/sebarang.

3.      Partikel-partikel tersebut merata dalam ruang yang kecil.

4.      Jarak antara partikel-partikel jauh lebih besar dari ukuran partikel-partikel, sehingga ukurtan partikel dapat diabaikan.

5.      Tidak ada gaya antara partikel yang satu dengan yang lain, kecuali bila bertumbukan.

6.      Tumbukan antara partikel ataupun antara partikel dengan dinding terjadi secara lenting  sempurna, partikel dianggap sebagai bola kecil yang keras, dinding dianggap licin dan tegar.

7.      Hukum-hukum Newton tentang gerak berlaku.

Pada keadaan standart 1 mol gas menempati volume sebesar 22.400 cm³ sedangkan jumlah atom dalam 1 mol sama dengan : 6,02 x 10²³ yang disebut bilangan avogadro (N_o) Jadi pada keadaan standart jumlah atom dalam tiap-tiap cm³ adalah :

 

Banyaknya mol untuk suatu gas tertentu adalah : hasil bagi antara jumlah atom dalam gas itu dengan bilangan Avogadro.

n = jumlah mol gas

N = jumlah atom

No = bilangan avogadro         6,02 x 10²³.

SOAL  LATIHAN

1.      Massa satu atom hidrogen 1,66 x 10^-24 gram. Berapakah banyaknya atom dalam :       1 gram Hidrogen dan 1 kg hidrogen.

2.      Dalam setiap mol gas terdapat 6,02 x 10²³ atom. Berapa banyaknya atom dalam tiap-tiap ml  dan dalam tiap-tiap liter gas pada kondisi standard.

3.      Berapakah panjang rusuk kubus dalam cm yang mengandung satu juta ataom pada keadaan normal ? Massa molekul 32 gram/mol

4.      Tentukan volume yang ditempati oleh 4 gram Oksigen pada keadaan standart. Masa molekul Oksigen 32 gram/mol.

5.      Sebuah tangki volumenya 5,9 x 10⁵ cm³ berisi Oksigen pada keadaan standart. Hitung Masa  Oksigen dalam tangki bila massa molekul Oksigen 32 gram/mol.

DISTRIBUSI KECEPATAN PARTIKEL GAS IDEAL.

Dalam gas ideal yang sesungguhnya atom-atom tidak sama kecepatannya. Sebagian bergerak lebih cepat, sebagian lebih lambat. Tetapi sebagai pendekatan kita anggap semua atom itu kecepatannya sama. Demikian pula arah kecepatannya atom-atom dalam gas tidak sama. Untuk mudahnya kita anggap saja bahwa : sepertiga jumlah atom bergerak sejajar sumbu x, sepertiga jumlah atom bergerak sejajar sumbu y dan sepertiga lagi bergerak sejajar sumbu z.

Kecepatan bergerak tia-tiap atom dapat ditulis dengan bentuk persamaan :

vras =

vras = kecepatan tiap-tiap atom, dalam m/det

k = konstanta Boltzman   k = 1,38 x 10^-23 joule/atom ^oK

T = suhu dalam ^oK       

m = massa atom, dalam satuan kilogram_.

                                   

Hubungan antara jumlah rata-rata partikel yang bergerak dalam suatu ruang ke arah kiri dan kanan dengan kecepatan partikel gas ideal, digambarkan oleh MAXWELL dalam bentuk : DISTRIBUSI MAXWELL.

Oleh karena serta  maka tiap-tiap molekul gas dapat dituliskan kecepatannya dengan rumus :

vras =

M = massa gas per mol dalam satuan kg/mol

R = konstanta gas umum = 8,317 joule/mol^oK

Dari persamaan di atas dapat dinyatakan bahwa :

Pada suhu yang sama, untuk 2 macam gas kecepatannya dapat dinyatakan :

vras₁ : vras₂ = :

vras₁ = kecepatan molekul gas 1

vras₂ = kecepatan molekul gas 2

M₁ = massa molekul gas 1

M₂ = massa molekul gas 2

Pada gas yang sama, namun suhu berbeda dapat disimpulkan :

vras₁ : vras₂ = :

LATIHAN SOAL

1.      Hitunglah kecepatan molekul udara pada tekanan 1 atmosfer suhu 0^o C dan massa molekul udara = 32 gram/mol.

2.      Tentukan perbandingan antara kecepatan gas hidrogen dengan Oksigen pada suatu suhu tertentu. Massa molekul gas Hidrogen 2 gram/mol dan massa molekul Oksigen = 32 gram/mol.

3.      Berapakah kecepatan molekul gas Methana pada suhu 37^o C. Massa molekul gas methana 16 gram/mol.

4.      Carilah kecepatan molekul gas methana pada suhu -120^o C bila massa molekulnya 16 gram/mol.

5.      carilah pada suhu berapa kecepatan molekul Oksigen sama dengan kecepatan molekul Hidrogen pada suhu 300^o K. Massa molekul Oksigen = 32 gram/mol dan massa molekul hidroen = 2 gram/mol

6.      Pada suhu berapakah maka kecepatan molekul zat asam sama dengan molekul Hidrogen pada suhu 27^o C. Massa molekul zat asam 32 gram/mol dan massa molekul Hidrogen = 2 gram/mol.

7.      Massa sebuah molekul Nitrogen adalah empat belas kali massa sebuah molekul Hidrogen. Dengan demikian tentukanlah pada suhu berapakah kecepatan rata-rata molekul Hidrogen sama dengan kecepatan rata-rata molekul Nitrogen pada suhu     294 ^oK.

HUBUNGAN TEKANAN DENGAN GERAK PARTIKEL.

Bayangkan gas ini dimasukkan ke dalam kubus yang panjang rusuknya L. Kubus ditempatkan sedemikian rupa sehingga rusuknya sejajar dengan sumbu-sumbu koordinat.

Andaikanlah jumlah atom dalam kubus banyaknya N. jadi atom sebanyak  bergerak hilir mudik sejajar sumbu x dengan kecepatan v_ras. Tiap kali tumbukan atom dengan permukaan ABCD kecepatan itu berubah dari + vras menjadi -vras. Jadi partikel mengalami perubahan momentum m (-vras)  - m(+vras) = - 2m vras

Sebaliknya partikel memberikan momentum sebesar +2m vras kepada dinding.

Selang waktu antara dua buah tumbukan berturut-turut antara atom dengan permukaan ABCD sama dengan waktu yang diperlukan oleh atom untuk bergerak ke dinding yang satu dan kembali, atau menempuh jarak 2 L.

 t = selang waktu antara dua tumbukan.

Karena impuls sama dengan perubahan momentum, maka dapat dinyatakan bahwa :

F . t = 2 m vras

F . = 2 m vras

Maka gaya rata-rata untuk satu atom dapat dinyatakan dengan persamaan :

Jadi untuk gaya rata-rata   atom dapat dinyatakan dengan persamaan :

Tekanan rata-rata  pada permukaan ialah hasil bagi antara gaya dengan luas bidang tekan. Jadi :

Karena L³ = Volume kubus (V)   Nm = massa gas dengan N atom. dan  sama dengan massa jenis gas, maka dapat dinyatakan :

   atau  

P = tekanan gas                       satuan : N/m²

m = massa atom                      satuan : kg

vras = kecepatan atom            satuan : m/det

V = volume gas                       satuan : m³

Persamaan tersebut dapat pula dinyatakan dalam bentuk :

Persamaan ini menunjukkan hubungan antara tekanan dengan energi kinetik atom atau partikel.

LATIHAN SOAL

1.      Carilah kecepatan rata-rata molekul oksigen pada 76 cm Hg dan suhu 0⁰ c bila pada keadaan ini massa jenis oksigen adalah sebesar 0,00143 gram/cm³.

2.      Carilah kecepatan rata-rata molekul oksigen pada suhu 0⁰ c dan tekanan 76 cm Hg bila massa jenis oksigen pada kondisi ini 1,429 kg/m³       .               g = 9,8 m/s².

3.      Pada keadaan standard kecepatan rata-rata molekul oksigen adalah 1,3 x 10³ m/det. Berapakah massa jenis molekul oksigen pada kondisi ini. g = 9,8 m/s².

4.      Hitung kecepatan rata-rata molekul Hidrogen pada suhu 20⁰ c dan tekanan 70 cm Hg bila massa jenis molekul Hidrogen pada suhu 0⁰ c adalah 0,000089 gram/cm³. g = 9,8 m/det².

5.      Pada kondisi normal jarak rata-rata antara molekul-molekul Hidrogen yang bertumbukan 1,83 x 10^-5 cm. Carilah :

a. Selang waktu antara dua buah tumbukan berturutan.

b. Jumlah tumbukan tiap detik. Massa jenis Hidrogen 0,009 kg/m³.

6.      Bila jarak rata-rata antara tumbukan molekul-molekul karbon dioksida pada kondisi standard 6,29 x 10^-4 cm, berapakah selang waktu tumbukan molekul-molekul di atas?  Masa jenis karbondioksida pada keadaan standarad 1,977 kg/m³