Soal dan Pembahasan Simulasi TKA Resmi Fisika Jenjang SMA/MA/SMK/MAK/Sederajat

Pernyataan 1

Massa tidak memngaruhi gerak benda dalam kasus ini, berapapun massa A dan B, tidak ada hubungannya dengan soal (sebenarnya jawabannya [secara fisika] tidak dapat ditentukan, namun kunci jawaban resmi menyatakan Pernyataan 1 Salah)

Pernyataan 2

Untuk mencapai titik C bersamaan, kedua bola harus memiliki waktu tempuh ($t$) yang sama.

Bola A bergerak horizontal dengan $v_1 = \text{30 m/s}$ sejauh $x = \text{12 m}$. $$ t = \frac{x}{v_1} = \frac{12}{30} = \text{0,4 s} $$ Waktu tempuh yang diperlukan adalah 0,4 s.

Ketinggian $y$ dihitung dari gerak vertikal:

$$ y = \frac{1}{2} g t^2 = \frac{1}{2} (10)(0,4)^2 $$

$$ y = 5 \cdot 0,16 = \text{0,8 m} $$

Pernyataan 2 Benar. Posisi bola A saat awal adalah 0,8 m di atas tanah.

Pernyataan 3

Bisa dikerjakan menggunakan perhitungan seperti ini

Bola B harus menempuh 12 m dalam 0,4 s. $$ v_2 = \frac{x}{t} = \frac{12}{0,4} = \text{30 m/s} $$

atau menggunakan argumen fisis seperti ini

Bola A dan B berada pada posisi X yang sama dan bertemu di posisi yang sama, maka kecepatan sumbu x awalnya haruslah sama $v_2 = \text{30 m/s}$ Pernyataan 3 Salah. Bukan 10 m/s namun harusnya 30 m/s

Jarak maksimum ($R_{\mathrm{max}}$) agar beban tidak terlempar diperoleh dari kondisi gaya sentripetal sama dengan gaya gesek statis maksimum ($F_s = f_{s,\mathrm{max}}$).

Persamaan Fisika

$$ m \omega^2 R = \mu_s m g $$

$$ R = \frac{\mu_s g}{\omega^2} $$

$$ R_{\mathrm{max}} = \frac{(0,48)(10)}{4^2} $$

$$ R_{\mathrm{max}} = \frac{4,8}{16} = \text{0,3 m} $$

$$ R_{\mathrm{max}} = \text{30 cm} $$

Jawaban

Jarak beban harus $R \le 30 \ \text{cm}$.

Pilihan yang memenuhi adalah: A, B, C, D (40 cm tidak memenuhi karena di atas 30 cm)

Peristiwa tumbukan yang dijelaskan adalah tumbukan tidak lenting sama sekali karena setelah bertumbukan, kedua mobil bergerak menjadi satu (mobil boks mendorong mobil sedan).

Pernyataan 1

"Setelah tumbukan, kecepatan kedua mobil itu sama besar."

Kondisi Tumbukan Tidak Lenting Sempurna: Setelah tumbukan, benda-benda bergabung dan bergerak dengan kecepatan akhir yang sama ($v_1' = v_2' = v'$).

Pernyataan 1 Benar

Pernyataan 2

"Momentum kedua mobil sebelum tumbukan lebih besar daripada sesudah tumbukan."

Hukum Kekekalan Momentum: Dalam sistem terisolasi (tumbukan seperti pada soal), total momentum sistem sebelum tumbukan ($p_{\mathrm{sebelum}}$) harus sama dengan total momentum sistem sesudah tumbukan ($p_{\mathrm{sesudah}}$).

$$ p_{\mathrm{sebelum}} = p_{\mathrm{sesudah}} $$

Pernyataan 2 Salah karena total momentum seharusnya kekal

Pernyataan 3

"Koefisien restitusi tumbukan bernilai nol."

Koefisien Restitusi ($e$): Merupakan rasio kecepatan relatif setelah dan sebelum tumbukan

Karena kecepatan kedua benda sama, maka tidak ada kecepatan relatif antara kedua benda, maka $e = 0$

Pernyataan 3 Benar

Kondisi yang dibutuhkan $f_p > f_s$

Frekuensi yang didengar ($f_p$) akan lebih besar dari frekuensi sumber ($f_s$) jika pendengar (PM) mendekat ke sumber (MA) atau sebaliknya (sumber mendekat ke pendengar).

Kemungkinan lain adalah, jika efek pendekatan sumber (MA) lebih dominan daripada efek menjauhnya pendengar (PM) atau sebaliknya (efek pendekatan pendengar lebih dominan dari efek menjauhnya sumber)

Secara sederhana, apabila secara relatif sumber dan pendengar saling mendekati, maka frekuensi yang didengar ($f_p$) akan lebih besar dari frekuensi sumber ($f_s$)

Analisis tiap opsi

• PM bergerak mendekati MA, MA bergerak mendekati PM

Ini jelas, saling mendekati, maka opsi ini Benar - PM bergerak menjauhi MA, MA bergerak mendekati PM

Kejar-kejaran.

Untuk mengetahui hal ini, maka kecepatan ambulans dan motor harus diketahui untuk menjawab opsi ini > Biasanya, ambulans bergerak dengan kecepatan tinggi (sehingga wajar kita asumsikan lebih kencang dari motor).

Dengan asumsi tersebut, maka secara relatif kedua objek akan saling mendekat, opsi ini Benar - PM diam, MA bergerak mendekati PM

Kasus ini pun jelas, secara total mereka akan mendekat, maka opsi ini Benar - PM bergerak mendekati MA, MA bergerak menjauhi PM

Kebalikan dari opsi kedua, kita pun harus mengetahui kecepatan ambulans dan motor untuk menjawabnya > Dengan asumsi serupa (ambulans lebih kencang dari motor), secara relatif pergerakan kedua objek akan saling menjauhi. opsi ini Salah - PM bergerak menjauhi MA, MA diam

Kasus ini kebalikan dari opsi ketiga.

Secara total jelas mereka akan menjauh, maka opsi ini Salah

Sebenarnya, dari opsi sudah terlihat bahwa logikanya, bayangan akan makin rendah (tingginya). Jadi jawaban yang masuk akal hanyalah opsi terakhir 5:4 Namun, begini cara perhitungannya...

Konsep cermin cembung

Cermin cembung memiliki f negatif, sehingga f = -16 cm

Cari Tinggi

Bayangan Mula-mula Dari rumus bayangan pada cermin: $$ 1/f = 1/s + 1/s' $$

$$ -1/16 = 1/48 + 1/s' $$

$$ -3/48 = 1/48 + 1/s' $$

$$ s' = -48/4 = \text{-12 cm} $$

Tinggi bayangan awal dapat dihitung dengan perbandingan.

Karena perbandingan jaraknya $s_1 : s_1' = 48 : 12 = 4 : 1$, maka tingginya (sebangun/proposional), yaitu: $h_1' = 160/4 = 40 \ \text{cm}$

Cari Tinggi

Bayangan Setelah Mundur Setelah itu, mundur 16 cm sehingga

$s_2 = 48 + 16 = 64 \ \text{cm}$ Dengan $f = - 16 \ \text{cm}$, hitung menggunakan rumus lensa tipis: $$ 1/f = 1/s + 1/s' $$

$$ -1/16 = 1/64 + 1/s' $$

$$ -4/64 = 1/48 + 1/s' $$

$$ s' = -64/5 = \text{-64/5 cm} $$

Tinggi bayangan awal dapat dihitung dengan perbandingan.

Karena perbandingan jaraknya $s_2 : s_2' = 64 : (64/5) = 5 : 1$, maka tingginya (sebangun/proposional), yaitu: $h_2' = 160/5 = \text{32 cm}$

Perbandingan Sehingga, perbandingan h adalah $40:32 = 5:4$

Data: $F = 20 \ \text{N}$, $R = 3 \ \text{cm} = 3 \times 10^{-2} \ \text{m}$, $k = 9 \times 10^9 \ \text{Nm}^2\text{C}^{-2}$, $q_1 = 2 q_2$

Rumus Hukum Coulomb:

$F = k \frac{q_1 q_2}{R^2}$

Perhitungan Muatan $q_2$: $20 = 9 \times 10^9 \frac{(2 q_2) q_2}{(3 \times 10^{-2})^2}$ $20 = 9 \times 10^9 \frac{2 q_2^2}{9 \times 10^{-4}}$ $20 = (1 \times 10^{13}) (2 q_2^2)$ $q_2^2 = \frac{20}{2 \times 10^{13}} = 1 \times 10^{-12}$ $q_2 = 1 \times 10^{-6} \ \text{C}$

Perhitungan Muatan $q_1$: $q_1 = 2 q_2$ $q_1 = 2 \times 1 \times 10^{-6} \ \text{C}$ $q_1 = 2 \times 10^{-6} \ \text{C}$

Pilihan Jawaban: (D) $q_1 = 2,0 \cdot 10^{-6} \ \text{C}; \ q_2 = 1,0 \cdot 10^{-6} \ \text{C}$

Karena hukum bejana berhubungan, $P_A = P_B$:

$P_0 + \rho_{\mathrm{air}} \times g \times h_2 = P_0 + \rho_X \times g \times h_1$

Tekanan atmosfer ($P_0$) dan ($g$) dapat dicoret: \ $\rho_{\mathrm{air}} h_2 = \rho_X h_1$

Kita perlu mencari ($\rho_X$): $\rho_X = \rho_{\mathrm{air}} \cdot \frac{h_2}{h_1} $ Masukkan nilai yang diketahui (satuan cm tidak perlu diubah ke m karena akan saling menghilangkan):

$$ \begin{aligned} \rho_X &= 1000 \cdot \frac{8}{12} \\ \rho_X &= \frac{2000}{3} \\ \rho_X &= \text{666,7 kg/m3} \\ \end{aligned} $$

$$ F = \frac{1}{2} \rho A (v_2^2 - v_1^2) $$

$$ F = \frac{1}{2} 1,29 \cdot 10 (40^2 - 30^2) $$

$$ F = \frac{1}{2} 12,9 (700) $$

$$ F = 6,45 (700) $$

$$ F = \text{4.515 N} $$

Kesetimbangan saat P mengapung, dapat kita formulasikan dengan hukum archimedes... \ $$ F_{apung} = W_p $$

$$ \rho_c . g . V_{celup} = \rho_p . g . V_p $$

Mencoret g dan karena $V_{celup} = \frac{1}{2} V_p$, maka: $\rho_p = \frac{1}{2} \rho_c$

Memasukan angka menghasilkan $\rho_p = \text{0,65 g.cm-3}$

Kesetimbangan saat P dan Q melayang pun dapat kita formulasikan dengan cara serupa: $$ F_{apung} = W_p + W_q $$

$$ \rho_c . g . V_{celup} = \rho_p . g . V_p + \rho_q . g . V_q $$

$$ \rho_c . g . (V_p + V_q) = \rho_p . g . V_p + \rho_q . g . V_q $$

$$ \rho_c . (V_p + V_q) = \rho_p . V_p + \rho_q . V_q $$

Masukan angka-angka yang kita punya (tidak perlu ubah satuan karena kita menggunakan gram dan centimeter secara konsisten): \ $$ \text{1,3} (200 + m_q/3,9) = 0{,}65 \cdot 200 + m_q $$

$$ 260 + m_q/3 = 130 + m_q $$

$$ 130 = \frac{2}{3} m_q $$

$$ 195 = m_q $$ Sehingga massa Q = 195 g

Kecepatan bertambah terus, maka kita harus memilih grafik kecepatan versus waktu yang linear menanjak (miring ke kanan atas). Apakah ada kemungkinan lain?

Ya, dalam kinematika, ada grafik lain yaitu jarak/perpindahan vs waktu dan percepatan vs waktu

Ingat! Kecepatan adalah turunan dari jarak dan percepatan adalah turunan dari kecepatan.

Sehingga, grafik jarak vs waktu akan berbentuk kurva melengkung ke kanan atas. Sedangkan grafik percepatan vs waktu (melihat bahwa kecepatan naiknya konsisten dan konstan) akan berbentuk datar Grafik C, D, dan E sudah melenceng (tidak sesuai konsep) tanpa perlu mengecek angkanya. Sedangkan grafik A dan B memiliki potensi untuk benar. Selanjutnya, ktia tetap perlu mengecek angka dari grafik A dan B - Grafik A menunjukan angka yang tepat (sesuai dengan tabel)

• Grafik B harus kita buat setelah menentukan percepatan. Percepatan adalah laju bertambahnya kecepatan. Karena tiap detiknya kecepatan bertambah 2, maka percepatannya adalah 2 (ini pun sesuai dengan grafik B)

Jadi jawaban yang benar adalah grafik A dan B

Tongkat terkulai ke bawah, artinya pusat massa tongkat berada di bawah.

Hal ini membantu keseimbangan pemain sirkus.

Dengan pusat massa yang berada di bawah titik tumpu tali.

Apabila pusat massa berada di bawah titik tumpu, maka akan terjadi kesetimbangan yang stabil.

Hal ini dikarenakan munculnya gaya pemulih (yang arahnya berlawanan dengan simpangan).

Terlihat bahwa tidak ada opsi yang 100% tepat dalam menjelaskan hal ini Opsi B, adalah opsi yang paling mendekati.

Namun perlu dipahami, kata kunci yang tepat adalah ke-stabil-an, bukan ke-setimbang-an.

Analisis tiap opsi

Opsi A

"Udara yang mengalir cepat di atas permukaan parfum menyebabkan tekanan di tempat itu bertambah besar." Hal ini terbalik, menurut hukum fluida dinamis, semakin cepat mengalirnya fluida, semakin kecil tekanan di titik tersebut (dapat diturunkan dari hukum bernoulli). Salah

Opsi B

"Tekanan di permukaan cairan parfum menjadi lebih tinggi daripada tekanan di atasnya." Dengan turunnya tekanan di titik atas, dan tekanan di permukaan cairan tidak berubah, maka otomatis tekanan di permukaan cairan jadi lebih tinggi dari tekanan di titik atas. Benar

Opsi C

"Cairan parfum terdorong naik ke atas karena faktor tekanan udara luar." Akibat dari opsi B adalah cairan tersebut terdorong ke atas. Benar

Opsi D

"Volume cairan yang berada di dalam botol parfum mempengaruhi aliran parfum." Parfum mengalir (mengikuti urutan argumen opsi A, B, C) tanpa peduli volume-nya. Salah

Opsi E _"Alat ini memanfaatkan hukum

Pascal dalam proses penyemprotannya."_ Sesuai argumen pada opsi A, hukum yang dimanfaatkan alat ini adalah hukum bernoulli. Salah

Mari kita cek tiap opsinya

Opsi 1

Opsi ini mudah karena ilustrasi pada soal memperlihatkan kita lokasi ikan dan lokasi yang diliat pemanah. Posisi ikan sebenarnya berada sedikit di bawah posisi yang terlihat. Benar

Opsi 2 Opsi ini dapat diterka secara logis.

Dengan topik pembiasan dan posisi, maka, tidak ada hubungannya kecepatan tembakan yang dilakukan pemanah. Salah

Opsi 3

Opsi inilah yang menyebabkan soal ini buakn soal level mudah. Kita harus paham hukum pembiasan. Berdasarkan Snellius, persamaan pembiasan adalah: $n_1 \cdot \sin{\theta_1} = n_2 \cdot \sin{\theta_2} $. Makin besar $\theta_1$, akan makin besar pula $\theta_2$. Maka sudut pengamatan pemanah yang makin besar akan memperbesar pula pembiasan. Benar

Efisiensi Mesin Carnot

Diketahui $T_{\mathrm{tinggi}} = 800\ \text{K}$ dan $T_{\mathrm{rendah}} = 480\ \text{K}$

Rasio Suhu Awal: $\frac{T_{\mathrm{rendah}}}{T_{\mathrm{tinggi}}} = \frac{480}{800} = 0,6$

Efisiensi mesin karnot dirumuskan dengan $\eta = 1 - \frac{T_{\mathrm{rendah}}}{T_{\mathrm{tinggi}}}$

Artinya, agar efisiensi makin tinggi, rasio suhu harus makin rendah (lebih rendah dari 0,6)

Evaluasi Pilihan Jawaban

Kita harus mencari mesin Carnot baru yang memiliki rasio suhu kurang dari 0,6.

Diketahui:

• $q = 1 \times 10^{-7} C$
• $d = \text{2 mm} = \text{0,002 m}$
• $V = \text{200 V}$ - $F_{min} = \text{0,01 N}$ Medan listrik antara dua pelat sejajar:

$$ E = \frac{V}{d} = \frac{200}{0.002} = \text{100.000 V/m} $$

Gaya listrik pada partikel toner:

$$ F = q E = (1 \times 10^{-7}) \cdot 100,000 = 0.01\,\mathrm{N} $$

Kesimpulan: Sebenarnya, gaya listrik yang tersedia sama dengan gaya minimum yang dibutuhkan, sehingga transfer toner berjalan pas-pasan (kurang optimal). Dari persamaan-persamaan di atas, gaya akan optimal apabila:

• V naik - d turun - q naik

Pertama-tama, perlu diketahui bahwa pengukuran diameter bola bekel secara nature tidak perlu dilakukan dengan metode pengukuran berulang.

Berbda dengan mengukur waktu benda jatuh misalnya (karena ada faktor presisi dan akurasinya).

Namun, kita akan mengerjakan soal ini apa adanya

Analisis Pernyataan

• Pernyataan A: tidak ada hubungan antara pengukuran dilakukan berulang dengan kepercayaan pengukuran.

Dengan melakukan pengukuran berulang, hal ini dapat meningkatkan akurasi (bukan presisi, bukan pula kepercayaan) hasil pengukuran - Pernyataan B: kita dapat melihat bahwa pengukuran ke-2 semestinya $\text{1,08 cm}$, ini tidak sesuai dengan hasil yang dilaporkan.

Maka logis kita bilang bahwa data tidak dapat dipercaya - Pernyataan C: Ini bisa benar apabila hasil pengukuran menunjukkan nilai yang berbeda-beda sedikit.

Namun perbedaan yang jauh (misalnya 4 mm, terlebih nilainya sekitar 20%) itu di luar batas kewajaran - Pernyataan D: Tidak ada keterangan dalam soal apakah orang yang sama atau berbeda yang melakukan.

Dan untuk pengukuran diameter bola bekel, subjek yang mengukur seharusnya tidak akan memengaruhi hasil - Pernyataan E: Ini benar sebagian bahwa hasil pengukuran dari pengukuran berulang dilaporkan dengan melaporkan rata-ratanya.

Namun, perlu juga dicari standar error-nya untuk mendapatkan ketidakpastian.

Namun, hal ini dapat dieliminasi karena ada pengukuran (yaitu pengukuran ke-2) yang hasilnya tidak sesuai yang terlihat di pembacaannya.

Sehingga, merata-ratakan hasil tidak akan menampilkan hasil pengukuran yang tepat Dari analisa tersebut, pernyataan yang paling cocok adalah pernyataan B.

Sebelum menganalisa tiap pernyataan, kita perlu memahami dulu bahwa persamaan yang perlu kita gunakan pada soal ini adalah konsep impuls-momentum: $I = F \Delta t = m \Delta v$

Penghentian bola (proses menangkap oleh kiper) pada dasarnya adalah mengubah kecepatan bola dari v menjadi 0. Artinya, impuls bola nilainya tidak akan berubah $I = mv$, bagaimanapun cara kiper menangkap.

Yang bisa diubah adalah gaya yang dirasakan kiper, harus diminimalisir dengan cara meningkatkan waktu kontak

Analisa tiap pernyataan:

• Dari penjelasan tersebut mudah untuk menyimpulkan bahwa pernyataan A dan B adalah benar - Mudah pula menjustifikasi bahwa pernyataan C dan D adalah salah - Dengan berkurangnya gaya, maka tekanan yang diberikan tangan pun juga berkurang sehingga pernyataan E adalah benar

Note: kunci jawaban pada soal ini menurut pusmendik adalah A dan B, yang mana kurang tepat. Penulis pun tidak tahu argumen apa yang menyebabkan pernyataan E bernilai salah

Konsep yang digunakan adalah pemuaian.

Saat benda dipanaskan, akan terjadi pemuaian.

Pemuaian selalu terjadi secara proporsional, sehingga saat bola dipanaskan, bentuknya tidak akan berubah (tetap bola, hanya lebih besar).

Cincin pun yang dipanaskan maka luas lubangnya bertambah saat memuai, begitu pula luas bagian luar cincin (bertambah) dan ketebalan lingkar cincinnya (bertambah pula).

Akibatnya, mungkin bola bisa melewati cincin kembali.

Jawaban yang tepat adalah opsi D

Perlu dipahami bahwa memasang lampu secara seri pada rumah adalah hal yang tidak masuk akal.

Karena, satu lampu mati, semua mati.

Penerangan tidak optimal.

Wiring (sistem pengkabelan) juga tidak standar Sehingga, opsi B dan E yang menyarankan rangkaian parallel sudah pasti benar.

Opsi A dan D pun sudah pasti salah karena tetap menyarankan rangkaian seri.

Bagaimana dengan opsi C?

Menambahkan resistor malahan menurunkan daya lampu (akibatnya lampu makin tidak terang), sehingga bukannya memperbaiki, malah menambahkan masalah (rugi pula).

Sehingga opsi yang tepat adalah B dan E saja