DINAMIKA, HUKUM - HUKUM NEWTON

Penulis : Guru Fisika di SMP - SMA WR Supratman 2 Medan 

PERTEMUAN - 1 RELATIVITAS

Pertemuan - 1, materi yang disajikan lebih menitik beratkan pada Relativitas Newton. 

Daftar isi : 

1. Relativitas Newton 

2. Transformasi Galileo 

3. Soal Penghantar 

KOMPETENSI DASAR : 

1. Menjelaskan fenomena perubahan panjang, waktu, 

    dan massa dikaitkan dengan kerangka acuan dan 

    kesetaraan massa dengan energi dalam teori relativitas khusus

2. Mempresentasikan konsep relativitas tentang panjang, waktu, 

    dan massa dan kesetraan massa dengan energi.

    A.   Transfomasi dan Postulat Relativitas Khusus

1. Relativitas Newton

Misalkan anda sedang berada di atas kereta api yang sedang melaju dengan kelajuan 60 km/jam terhadap orang yang diam di tepi rel. Kemudian anda berjalan di atas kereta api dengan kelajuan 5 km/jam searah dengan gerak kereta api.

Pengamat 1 ( pengamat yang diam di atas kereta api )

Menyatakan kelajuan anda yang sedang berjalan di atas kereta api adalah 5 km/jam.

 

Pengamat 2 ( pengamat yang diam di tepi rel kereta api )

Menyatakan kelajuan anda yang sedang berjalan di atas kereta api sama dengan 65 km/jam.

 

Jadi terlihat untuk menentukan letak sebuah titik dalam ruang, kita memerlukan suatu sistem koordinat atau kerangka acuan. Seorang pengamat memerlukan suatu kerangka acuan dengan sistem koordinat ( x, y, z ). Jadi, kerangka acuan adalah suatu sistem koordinat, misalnya sistem koordinatnya  ( x, y, z) dimana seseorang pengamat melakukan pengamatan terhadap suatu kejadian.Menurut relativitas, kejadian – kejadian yang diamati dari kerangka acuan inersial, yaitu kerangka acuan dimana hukum Newton I ( hukum inersia ) berlaku. 

Hukum I Newton menyatakan bahwa jika pada suatu benda tidak bekerja gaya resultan ( ƩF = 0 ), maka benda akan selamanya diam atau selamanya bergerak dengan kecepatan konstan ( v = c ) pada garis lurus.

Galileo dan Newton mengemukakan prinsip relativitas Newton, yaitu hukum – hukum mekanika berlaku sama pada semua kerangka acuan inersial. 

 

Menurut pengamat yang diam di pinggir jalan, mobil truk yang sedang melintas di posisi A menuju posisi B, melintasi papan reklame. Berbeda dengan pengamat yang diam di dalam mobil truk, papan reklame ‘terkesan bergerak’ melintas mobil truk. Gambar mobil truk melintas di jalan raya menunjukkan gerak relatif.

2. Transformasi Galileo

Relativitas berhubungan dengan dua kerangka acuan yang saling bergerak dengan kecepatan konstan ( v = c ). Berikut penjelasan Transformasi Galileo, perhatikan dengan baik.

 

 

Mari kita tinjau kembali orang yang berjalan di dalam kereta api yang sedang bergerak meninggalkan stasiun kereta api.

 

Gambar 2 di atas menunjukan ada dua kerangka acuan yakni, kerangka acuan XYZ dengan titik asal O dan kerangka acuan bergerak X’Y’Z’ dengan titik asal O’bergerak dengan kecepatan konstan (tetap).

 

Kerangka acuan S ( X,Y,Z ) berhubungan dengan pengamat yang diam di stasiun kereta api. Dan kerangka acuaan S’ ( X’,Y’,Z’ ) berhubungan dengan pengamat yang berada di dalam kereta api yang sedang bergerak.

Saat awal ( t = t’ = 0 ) :

Kedua titik asal kerangka berimpit ( O = O’ ), menurut transformasi Galileo, kedua kerangka acuan mencatatkan waktu yang sama ( t = t’ ).

 

Saat bergerak ( ∆t = t ) :

Koordinat setiap benda pada kerangka acuan S’ dapat kita nyatakan dengan koordinat pada kerangka acuan S.

 

Koordinat y dan z dari benda tidak berubah karena kerangka acuan S’ hanya bergerak pada sumbu x dan tidak pada kedua sumbu lainnya. Sehingga :

 

 Dan Transformasi kebalikannya :

  

Untuk memperoleh transformasi Galileo untuk kecepatan, persamaan (3) harus kita turunkan terhadap waktu.

 

Dengan cara yang sama maka akan diperoleh transformasi Galileo untuk kecepatan.

Transformasi kebalikan : 

 

Keterangan :

Contoh 01 :

Sebuah mobil bak terbuka bergerak dengan kelajuan 15 m/s. Anto yang berada di dalam mobil tersebut melemparkan sebuah bola vertikal ke atas dengan kelajuan 6 m/s. Tuliskan fungsi kedudukan terhadap waktu bila bola diamati :

a)     Anto

b)    David yang diam di tepi jalan

 

Pembahasan :

Perhatikan kedudukan David, diam di tepi jalan sebagai kerangka acuan S tidak bergerak (diam) dan Anto sebagai kerangka acuan yang bergerak S’. Dengan demikian dapat kita sebut kerangka acuan S’ bergerak terhadap kerangka acuan S dengan kelajuan v = 15 m/s dalam arah sumbu x. Dan Bola bergerak terhadap Anto sebagai kerangka acuan S’ searah sumbu y dengan kecepatan awal v0 = 6 m/s dan percepatan a = - g = - 10  m/s^2 . Maka dengan menggunakan transformasi Galileo.

 

 

Bagian a) ( kerangka bergerak S’)

Gerak bola dalam kerangka acuan S’(Anto) hanyalah dalam arah vertikal (sumbu Y’), untuk sumbu X’ = 0 dan untuk sumbu Z’= 0. Maka untuk sumbu Y’ akan berlaku GLBB.

y' = v0y.t + 12gt^2

 

maka kedudukan pada sumbu y’ : 

y' = 6t + 12 (-10) t^2

y' = 6t - 5t^2

Sehingga menurut pengamat Anto kedudukan bola saat itu adalah :

x' = 0  ; y' = 6t - 5t^2  ; z' = 0

Bagian b ) 

(menurut pengamat diam di pinggir jalan atau kerangka S)

Anto sebagai kerangka acuan bergerak S’ dengan kecepatan 15 m/s dalam arah sumbu x terhadap kerangka acuan S (dalam hal ini David).

x = x' + vt

x = 0 + 15t

x = 15t

y' = 6t - 5t^2

z' = 0

 

Latihan 01 :

Yudi yang berada dalam kereta api yang sedang bergerak dengan kelajuan 30 m/s berpapasan dengan Erna yang sedang berdiri di veron stasiun pada saat t’= t = 0. Lima belas sekon setelah kereta itu lewat, Erna menyatakan jarak seekor burung yang terbang sepanjang rel dengan arah yang sama dengan arah kereta adalah 600 meter. Tentukan koordinat burung ini menurut Yudi.

 

Pembahasan :

 

ERNA, berada pada posisi kerangka acuan diam (  v = 0 )

YUDI, berada pada posisi kerangka acuan bergerak ( v = 30 m/s )

 

Posisi seekor burung menurut ERNA, x = 600 meter dan selanjutnya yang ditanyakan adalah posisi burung tersebut menurut kerangka acuan bergerak.

 

x' =x - vt

x' = 600 - 30t

x' = 600 - 30(15)

x' = 600 - 450

x' = 150 meter

 

Latihan 02 :

Sebuah mobil bak terbuka bergerak mendatar dengan kelajuan 10 m/s. Anang yang berada di dalam mobil melemparkan sebuah bola dengan kelajuan 5,0 m/s membentuk sudut 370 terhadap arah mendatar sumbu – x. Tuliskan fungsi kedudukan terhadap waktu bila bola diamati oleh :

a)     Anang

b)    Helen yang diam di pinggir jalan

 

Pembahasan :

 

Mobil truk bak terbuka di atasnya ada Anang merupakan

Kerangka acuan bergerak S’ adalah  Anang (mobil), v = 10 m/s

Kerangka acuan diam S adalah Helen, v = 0

Bola merupakan objek yang diamati, v = 5 m/s  dengan sudut 370 terhadap sumbu mendatar x (cos⁡ 37° = 0,8 dan sin⁡ 37° = 0,6 ). 

 

Bagian a)

Saat bola dilemparkan akan membentuk lintasan parabola, maka kita dapat meninjau masing – masing sumbu x dan sumbu y.

 

Kecepatan awal pada sumbu vertikal sama dengan nol

 

Bagian b)

Menurut Helen sebagai kerangka acuan S (pengamat yang diam di pinggir jalan)

10 Soal Tentang Fisika Atom Disertai kunci

 Naskah soal Fisika Atom untuk kelas XII - IPA 
dilengkapi dengan pembahasan 

01. Kelemahan teori atom Dalton adalah tidak menjelaskan...
A. Atom memiliki inti dan elektron
B. Atorm dari unsur sejenis memiliki sifat yang berbeda
C. Atom-atom gas tidak dapat bergabung
D. Atom tidak bisa dibagi-bagi
E. Atom dapat bergabung membentuk molekul

 

(UN 2013)

Pembahasan:

Model atom Dalton tidak menjelaskan tentang inti dan elektron.

 

Jawaban: A

 

02. Kelemahan teori atom Rutherford adalah...

      A.    Elektron yang mengelilingi inti akan menyerap energi.
B.     Elektron menyebar merata dipermukaan bola atom.
C.     Elektron berputar mengelilingi inti seperti tata surya.
D.    Elektron mengelilingi inti memancarkan gelombang elektromagnetik.
E.     Atom terdiri dari muatan positif dan muatan negatif.

 

(UN 2013)

 

Pembahasan:

Salah satu kelemahan atom Rutherford adalah tidak bisa menjelaskan kestabilan atom yaitu elektron memancarkan gelombang elektromagnetik ketika mengitari inti.

 

Jawaban: D

 

03. Manakah pernyataan berikut ini yang merupakan kelemahan teori atom Bohr?
A. Tidak dapat menjelaskan efek Zeeman.
B. Tidak dapat menjelaskan gaya sentripetal elektron.
C. Bertentangan dengan fisika klasik.
D. Bertentangan dengan teori Dalton.
E. Tidak dapat menentukan energi transisi.

(UN 2013)

 

Pembahasan:

Kelemahan model atom Bohr adalah tidak dapat menjelaskan spektrum warna atom berelektron banyak.

 

Jawaban: A

  

04. Salah satu pernyataan tentang model atom Thomson adalah...

    A.    Elektron dapat menyerap energi.
    B.     Elektron berkumpul membentuk inti atom.
    C.     Atom merupakan bagian terkecil.
    D.    Atom memiliki muatan (+) dan (–) yang tersebar merata.
    E.     Elektron berada disekitar inti atoam.
 

(UN 2013)

Jawaban: D

 

05. Perbedaan utama antara model atom Rutherford dan model atom Bohr adalah....
A. Elektron berputar mengelilingi inti dengan membebaskan sejumlah energi.

B. Elektron merupakan bagian atom yang bermuatan negatif.
C. Atom berbentuk bola kosong dengan inti berada di tengah.
D. Secara keseluruhan atom bersifat netral.
E. Massa atom terpusat pada inti atom.

 

(UN 2009)

 

Pembahasan:

Atom Rutherford menjelaskan elektron melepas energi ketika mengitari inti sedang Bohr menjelaskan elektron tidak memancarkan/menyerap energi ketika mengitari inti.

Jawaban: A

(UN 2010)

06. Perhatikan pernyataan-pernyataan berikut:

1.      Atom terdiri dari elektron yang bermuatan negatif dan inti atom yang bermuatan positif.

2.      Elektron mengorbit inti atom seperti planet mengorbit matahari.

3.      Elektron mengorbit inti atom pada orbit yang stasioner tanpa memancarkan energi.

 Yang membedakan model atom Rutherford dan model atom Thomson adalah pernyataan....

A. (1), (2), dan (3)
B. (1) saja
C. (2) saja
D. (3) saja
E. (1) dan (3) saja

Pembahasan:

Yang membedakan atom Thomson dengan atom Rutherford adalah no. 1 saja sedangkan no. 2 dan 3 adalah kesamaan dan perbedaan atom Rutherford dengan atom Bohr.

Jawaban: B

(UN 2013)

07. Pernyataan atau data hasil pengamatan yang menjadikan kelemahan
      model atom Thompson adalah...
    A.    Sebagian partikel alfa melewati lempeng emas tanpa mengalami pembelokan
    B.     Hamburan sinar alfa oleh elektron yang dihamburkan menjadi lebih besar
    C.     Muatan positif pada bola atom dinetralkan oleh elektron yang bermuatan negatif
    D.    Atom bersifat netral dengan elektron tersebar merata pada permukaan bola atom
    E.     Massa atom tersebar merata pada bola atom

Pembahasan
Kelemahan atom Thompson adalah tidak dapat menjelaskan susunan muatan positif dan negatif yang tersebar merata.

Jawaban: D

(UN 2009)

08. Energi elektron pada keadaan dasar di dalam atom hidrogen adalah −13,6 eV. 
      Energi elektron pada orbit dengan bilangan kuantum n = 4 adalah....

A. 1,36 eV
B. 1,24 eV
C. 0,96 eV
D. 0,85 eV
E. 0,76 eV

(UN 2010)

09. Jika persamaan energi lintasan elektron tunggal dari sebuah atom
      hidrogen adalah En = 13,6/n2 maka, sebuah elektron yang tereksitasi
      dari lintasan n = 1 ke n = 4 mengalami perubahan energi elektron
      sebesar....
      A.    12,75 eV
      B.     10,20 eV
      C.     7,20 eV
      D.    6,85 eV
      E.     3,40 eV

(UN 2010)

10. Dalam model atom Bohr, ketika elektron atom hidrogen berpindah dari

      orbit dengan bilangan kuantum n = 1, ke n = 3, maka elektron tersebut

      akan....(En = − 13,6/n2 ).
A. menyerap energi sebesar 1,50 eV
B. memancarkan energi sebesar 1,50 eV
C. menyerap energi sebesar 2,35 eV
D. memancarkan energi sebesar 12,09 eV
E. menyerap energi sebesar 12,09 eV

Pembahasan

Diketahui:
n1 = 1
n2 = 3
Ditanya: ΔE
Jawab:
ΔE = - 13,6 eV (1/n2 - 1/n1)
ΔE = - 13,6 eV (- 0,888) = 12,09 eV

 

Jawaban : E