Fisika Brain - Pembahasan soal fisika tentang energi potensial dan energi kinetik. Kumpulan soal ini membahas tentang hubungan energi potensial, energi kinetik, dan energi mekanik. Soal pilihan berganda ini disusun sedemikian rupa untuk membantu murid memahami konsep energi mekanik dan beberapa besaran yang sering digunakan seperti ketinggian, massa, dan kecepatan.
Beberapa model soal yang akan dibahas pada kesempatan ini antaralain menentukan energi kinetik benda pada ketinggian tertentu, menentukan ketinggian benda jika energi potensial diketahui, menentukan hubungan antara ketinggian maksimum dan energi potensial, menentukan energi kinetik berdasark konsep gerak lurus berubah beraturan, dan menentukan perubahan energi kinetik benda dalam selang waktu tertentu.
A. 100 J
B. 80 J
C. 60 J
D. 50 J
E. 40 J
Petunjuk penyelesaian:
Pada gerak jatuh bebas, kecepatan awal benda adalah nol. Jika kecepatan awal benda adalah 20 meter, maka setelah berpindah sejauh 5 meter, ketinggian benda menjadi 15 meter. Ingat pada gerak jatuh bebas, perpindahan tidak sama dengan ketinggian.
Untuk menentukan energi kinetik benda pada ketinggin tertentu, maka kita harus mencari kecepatan benda pada ketinggian tersebut. Berdasarkan konsep gerak jatuh bebas, kecepatan benda pada ketinggian tertentu dapat dihitung dengan rumus:
⇒ Vt2 = 2.g.h
Keterangan :
Vt = kecepatan setelah t detik (m/s)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
h = ketinggian benda (m).
Berdasarkan soal:
Dik : m = 2 kg, ho = 20 m, h = 5 m, h' = ho - h = 20 - 5 = 15 m
Dit : Ek = ....?
Cara pertama:
Kecepatan batu setelah berpindah 5 meter:
⇒ Vt2 = 2.g.h
⇒ Vt2 = 2 (10) (5)
⇒ Vt2 = 100
Energi kinetik batu pada ketinggian 15 meter:
⇒ Ek = ½ m.Vt2
⇒ Ek = ½ 2. (100)
⇒ Ek = 100 J
Cara kedua:
Dengan menggunakan hukum kekekalan energi mekanik:
⇒ Em1 = Em2
⇒ Ep1 + Ek1 = Ep2 + Ek2
⇒ m.g.h + ½ m.v12 = m.g.h' + Ek
⇒ 2 (10) (20) + 0 = 2 (10) (15) + Ek
⇒ 400 = 300 + Ek
⇒ Ek = 400 - 300
⇒ Ek = 100 J
Contoh #2
Sebuah benda bermassa 8 kg bergerak vertikal ke atas dengan kecepatan awal 40 m/s. Jika percepatan gravitasi 10 m/s2, maka energi mekenaik benda pada saat mencapai titik tertingginya adalah ....
A. 6.400 J
B. 6.000 J
C. 5.600 J
D. 4.800 J
E. 4.000 J
Lihat jawaban >>
A. 1 meter
B. 1,5 meter
C. 2 meter
D. 2,5 meter
E. 3 meter
Petunjuk penyelesaian:
Energi atau usaha yang dibutuhkan untuk memindahkan benda ke tempat dengan ketinggian tertentu akan sama dengan besar perubahan energi potensial benda tersebut.
⇒ W = ΔEp
⇒ W = m.g.Δh
Keterangan :
W = usaha yang dibutuhkan untuk memindahkan benda (J)
m = massa benda (kg)
Δh = perubahan ketinggian (m).
Berdasarkan soal:
Dik : w = m.g = 400 N, W = 800 J
Dit : Δh = ... ?
Tinggi lemari sama dengan perubahan ketinggian benda:
⇒ W = m.g.Δh
⇒ 800 = 400 Δh
⇒ Δh = 800/400
⇒ Δh = 2 m
Contoh #4
Sebuah kotak diangkat vertikal ke atas dengan gaya sebesar 400 N dan berpindah sejauh 10 meter. Jika percepatan gravitasi 9,8 m/s2 dan massa kotak adalah 20 kg, maka usaha total yang dilakukan oleh gaya-gaya yang bekerja pada benda tersebut adalah ....
A. 2040 J
B. 2000 J
C. 1840 J
D. 1640 J
E. 1400 J
Lihat jawaban >>
A. 20 meter
B. 15 meter
C. 10 meter
D. 8 meter
E. 6 meter
Petunjuk penyelesaian:
Pada soal ini kita diminta untuk menentukan ketinggian maksimum yang dicapai bola jika energi potensial bola diketahui. Seperti yang telah dibahas, energi potensial berbanding lurus dengan hasil kali massa, gravitasi, dan ketinggian:
⇒ Ep = m.g.h
Keterangan :
Ep = energi potensial benda (J)
m = massa benda (kg)
g = percepatan gravitasi (m/s²)
h = ketinggian benda (m).
Berdasarkan soal:
Dik : m = 0,8 kg, Ep = 80 J, g = 10 m/s²
Dit : h = ... ?
Ketinggian maksimum yang dicapai bola:
⇒ Ep = m.g.h
⇒ 80 = 0,8 (10) h
⇒ 80 = 8h
⇒ h = 80/8
⇒ h = 10 m
Contoh #6
Untuk pembangkit listrik tenaga air, pemerintah memanfaatkan air terjun setinggi 40 meter. Setiap detik, air mengalir sebanyak 20 m3. Jika daya rata-rata yang dihasilkan oleh generator adalah 4.800 kW, maka efisiensi generator tersebut adalah ....
A. 80%
B. 70%
C. 60%
D. 55%
E. 50%
Lihat jawaban >>
A. 500 J
B. 400 J
C. 300 J
D. 250 J
E. 200 J
Petunjuk penyelesaian:
Pada soal disebutkan bahwa benda mula-mula diam. Itu artinya kecepatan awal benda sama dengan nol. Sesuai dengan konsep GLBB, kecepatan benda setelah t detik dapat dihitung dengan rumus berikut:
⇒ Vt = Vo + at
Keterangan:
Vt = kecepatan setelah t detik (m/s)
Vo = kecepatan awal benda (m/s)
a = percepatan benda (m/s²)
t = waktu (s).
Berdasarkan soal:
Dik : m = 2 kg, Vo = 0, a = 4 m/s², t = 5 s
Dit : Ek = ....?
Kecepatan benda pada detik kelima:
⇒ Vt = Vo + at
⇒ Vt = 0 + 4(5)
⇒ Vt = 20 m/s
Energi kinetik benda pada detik kelima:
⇒ Ek = ½ m. Vt2
⇒ Ek = ½ (2). (20)2
⇒ Ek = 400 J
Contoh #8
Sebuah benda bergerak vertikal ke atas dengan kecepatan awal 40 m/s. Jika percepatan gravitasi 9,8 m/s2, maka energi kinetik benda saat mencapai titik tertingginya adalah ...
A. 100 J
B. 98,8 J
C. 84,6 J
D. 45,2 J
E. Nol
Petunjuk penyelesaian:
Soal ini dapat diselesaikan tanpa perhitungan sama sekali. Sesuai dengan konsep gerak vertikal ke atas, kecepatan benda saat mencapai titik tertingginya adalah sama dengan nol. Karena Vt = 0, maka energi kinetik benda pada titik itu juga sama dengan nol.
A. -150 kJ
B. -100 kJ
C. 50 kJ
D. 100 kJ
E. 250 kJ
Petunjuk penyelesaian:
Perubahan energi kinetik adalah selisih antara energi kinetik akhir dengan energi kinetik awal. Jika energi kinetik akhir lebih kecil dari energi kinetik awal, maka perubahan energi kinetik bernilai negatif.
⇒ ΔEk = Ekt - Eko
Keterangan :
ΔEk = perubahan energi kinetik (J)
Ekt = energi kinetik akhir benda (J)
Eko = energ kinetik mula-mula (J).
Berdasarkan soal:
Dik : Vo = 20 m/s, a = 2 m/s², m = 1 ton = 1000 kg, t = 5 s
Dit : ΔEk = ...?
Kecepatan mobil pada detik kelima:
⇒ Vt = Vo - at
⇒ Vt = 20 - 2 (5)
⇒ Vt = 20 - 10
⇒ Vt = 10 m/s
Energi kinetik mula-mula:
⇒ Eko = ½ m. Vo2
⇒ Eko = ½ 1000 (20)2
⇒ Eko = 200.000 J
⇒ Eko = 200 kJ
Energi kinetik pada detik kelima:
⇒ Ekt = ½ m. Vt2
⇒ Ekt = ½ 1000 (10)2
⇒ Ekt = 50.000 J
⇒ Ekt = 50 kJ
Perubahan energi kinetik mobil:
⇒ ΔEk = Ekt - Eko
⇒ ΔEk = 50 - 200
⇒ ΔEk = -150 kJ
Contoh #10
Sebuah benda bergerak jatuh bebas dari ketinggian h meter di atas permukaan tanah. Jika energi potensial mula-mula benda adalah 200 J, maka energi mekanik benda saat ketinggiannya setengah dari ketinggian mula-mula adalah ....
A. 300 J
B. 250 J
C. 200 J
D. 180 J
E. 100 J
Petunjuk penyelesaian:
Berdasarkan hukum kekekalan energi mekanik, energi mekanik benda di setiap titik di sepanjang lintasannya sama. Pada gerak jatuh bebas berlaku kekekalan energi mekanik. Itu artinya, energi mekanik pada ketinggian h akan sama dengan energi mekanik pada ketinggian 1/2 h.
Berdasarkan soal:
Dik : h1 = h, Ep1 = 200 J, h2 = 1/2 h, V1 = 0
Dit : Em2 = ...?
Sesuai hukum kekekalan energi mekanik:
⇒ Em2 = Em1
⇒ Em2 = Ep1 + Ek1
⇒ Em2 = Ep1 + 0
⇒ Em2 = 200 J
Beberapa model soal yang akan dibahas pada kesempatan ini antaralain menentukan energi kinetik benda pada ketinggian tertentu, menentukan ketinggian benda jika energi potensial diketahui, menentukan hubungan antara ketinggian maksimum dan energi potensial, menentukan energi kinetik berdasark konsep gerak lurus berubah beraturan, dan menentukan perubahan energi kinetik benda dalam selang waktu tertentu.
Contoh #1 : Energi Kinetik Benda pada Ketinggian Tertentu
Dian menjatuhkan sebuah batu bermassa 2 kg dari ketinggian 20 meter sehingga batu bergerak jatuh bebas. Jika percepatan gravitasi 10 m/s2, maka energi kinetik batu setelah berpindah sejauh 5 meter dari posisi awalnya adalah ....A. 100 J
B. 80 J
C. 60 J
D. 50 J
E. 40 J
Petunjuk penyelesaian:
Pada gerak jatuh bebas, kecepatan awal benda adalah nol. Jika kecepatan awal benda adalah 20 meter, maka setelah berpindah sejauh 5 meter, ketinggian benda menjadi 15 meter. Ingat pada gerak jatuh bebas, perpindahan tidak sama dengan ketinggian.
Untuk menentukan energi kinetik benda pada ketinggin tertentu, maka kita harus mencari kecepatan benda pada ketinggian tersebut. Berdasarkan konsep gerak jatuh bebas, kecepatan benda pada ketinggian tertentu dapat dihitung dengan rumus:
⇒ Vt2 = 2.g.h
Keterangan :
Vt = kecepatan setelah t detik (m/s)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
h = ketinggian benda (m).
Berdasarkan soal:
Dik : m = 2 kg, ho = 20 m, h = 5 m, h' = ho - h = 20 - 5 = 15 m
Dit : Ek = ....?
Cara pertama:
Kecepatan batu setelah berpindah 5 meter:
⇒ Vt2 = 2.g.h
⇒ Vt2 = 2 (10) (5)
⇒ Vt2 = 100
Energi kinetik batu pada ketinggian 15 meter:
⇒ Ek = ½ m.Vt2
⇒ Ek = ½ 2. (100)
⇒ Ek = 100 J
Cara kedua:
Dengan menggunakan hukum kekekalan energi mekanik:
⇒ Em1 = Em2
⇒ Ep1 + Ek1 = Ep2 + Ek2
⇒ m.g.h + ½ m.v12 = m.g.h' + Ek
⇒ 2 (10) (20) + 0 = 2 (10) (15) + Ek
⇒ 400 = 300 + Ek
⇒ Ek = 400 - 300
⇒ Ek = 100 J
Jawaban : A
Sebuah benda bermassa 8 kg bergerak vertikal ke atas dengan kecepatan awal 40 m/s. Jika percepatan gravitasi 10 m/s2, maka energi mekenaik benda pada saat mencapai titik tertingginya adalah ....
A. 6.400 J
B. 6.000 J
C. 5.600 J
D. 4.800 J
E. 4.000 J
Lihat jawaban >>
Contoh #3 : Ketinggian Benda Jika Energi Diketahui
Jika untuk memindahkan sebuah kotak yang beratnya 400 N ke atas sebuah lemari dibutuhkan energi sebesar 800 Joule, maka tinggi lemari tersebut adalah ....A. 1 meter
B. 1,5 meter
C. 2 meter
D. 2,5 meter
E. 3 meter
Petunjuk penyelesaian:
Energi atau usaha yang dibutuhkan untuk memindahkan benda ke tempat dengan ketinggian tertentu akan sama dengan besar perubahan energi potensial benda tersebut.
⇒ W = ΔEp
⇒ W = m.g.Δh
Keterangan :
W = usaha yang dibutuhkan untuk memindahkan benda (J)
m = massa benda (kg)
Δh = perubahan ketinggian (m).
Berdasarkan soal:
Dik : w = m.g = 400 N, W = 800 J
Dit : Δh = ... ?
Tinggi lemari sama dengan perubahan ketinggian benda:
⇒ W = m.g.Δh
⇒ 800 = 400 Δh
⇒ Δh = 800/400
⇒ Δh = 2 m
Jawaban : C
Sebuah kotak diangkat vertikal ke atas dengan gaya sebesar 400 N dan berpindah sejauh 10 meter. Jika percepatan gravitasi 9,8 m/s2 dan massa kotak adalah 20 kg, maka usaha total yang dilakukan oleh gaya-gaya yang bekerja pada benda tersebut adalah ....
A. 2040 J
B. 2000 J
C. 1840 J
D. 1640 J
E. 1400 J
Lihat jawaban >>
Contoh #5 : Ketinggian Maksimum dan Energi Potensial
Sebuah bola pejal massanya 0,8 kg dilempar vertikal keatas. Jika energi potensial bola pada ketinggian maksimum adalah 80 J dan percepatan gravitasi = 10 m/s², maka ketinggian maksimum yang dicapai bola tersebut adalah ....A. 20 meter
B. 15 meter
C. 10 meter
D. 8 meter
E. 6 meter
Petunjuk penyelesaian:
Pada soal ini kita diminta untuk menentukan ketinggian maksimum yang dicapai bola jika energi potensial bola diketahui. Seperti yang telah dibahas, energi potensial berbanding lurus dengan hasil kali massa, gravitasi, dan ketinggian:
⇒ Ep = m.g.h
Keterangan :
Ep = energi potensial benda (J)
m = massa benda (kg)
g = percepatan gravitasi (m/s²)
h = ketinggian benda (m).
Berdasarkan soal:
Dik : m = 0,8 kg, Ep = 80 J, g = 10 m/s²
Dit : h = ... ?
Ketinggian maksimum yang dicapai bola:
⇒ Ep = m.g.h
⇒ 80 = 0,8 (10) h
⇒ 80 = 8h
⇒ h = 80/8
⇒ h = 10 m
Jawaban : C
Untuk pembangkit listrik tenaga air, pemerintah memanfaatkan air terjun setinggi 40 meter. Setiap detik, air mengalir sebanyak 20 m3. Jika daya rata-rata yang dihasilkan oleh generator adalah 4.800 kW, maka efisiensi generator tersebut adalah ....
A. 80%
B. 70%
C. 60%
D. 55%
E. 50%
Lihat jawaban >>
Contoh #7 : Energi Kinetik Benda Setelah t Detik
Sebuah benda bermassa 2 kg mula-mula diam diberi gaya sehingga mengalami percepatan konstan sebesar 4 m/s². Energi kinetik benda pada detik ke-5 adalah ....A. 500 J
B. 400 J
C. 300 J
D. 250 J
E. 200 J
Petunjuk penyelesaian:
Pada soal disebutkan bahwa benda mula-mula diam. Itu artinya kecepatan awal benda sama dengan nol. Sesuai dengan konsep GLBB, kecepatan benda setelah t detik dapat dihitung dengan rumus berikut:
⇒ Vt = Vo + at
Keterangan:
Vt = kecepatan setelah t detik (m/s)
Vo = kecepatan awal benda (m/s)
a = percepatan benda (m/s²)
t = waktu (s).
Berdasarkan soal:
Dik : m = 2 kg, Vo = 0, a = 4 m/s², t = 5 s
Dit : Ek = ....?
Kecepatan benda pada detik kelima:
⇒ Vt = Vo + at
⇒ Vt = 0 + 4(5)
⇒ Vt = 20 m/s
Energi kinetik benda pada detik kelima:
⇒ Ek = ½ m. Vt2
⇒ Ek = ½ (2). (20)2
⇒ Ek = 400 J
Jawaban : B
Sebuah benda bergerak vertikal ke atas dengan kecepatan awal 40 m/s. Jika percepatan gravitasi 9,8 m/s2, maka energi kinetik benda saat mencapai titik tertingginya adalah ...
A. 100 J
B. 98,8 J
C. 84,6 J
D. 45,2 J
E. Nol
Petunjuk penyelesaian:
Soal ini dapat diselesaikan tanpa perhitungan sama sekali. Sesuai dengan konsep gerak vertikal ke atas, kecepatan benda saat mencapai titik tertingginya adalah sama dengan nol. Karena Vt = 0, maka energi kinetik benda pada titik itu juga sama dengan nol.
Jawaban : E
Contoh #9 : Perubahan Energi Kinetik Benda
Sebuah mobil yang mula-mula bergerak dengan kecepatan 20 m/s diperlambat dengan perlambatan 2 m/s². Jika massa mobil tersebut adalah 1 ton, maka perubahan energi kinetik mobil pada detik kelima adalah ...A. -150 kJ
B. -100 kJ
C. 50 kJ
D. 100 kJ
E. 250 kJ
Petunjuk penyelesaian:
Perubahan energi kinetik adalah selisih antara energi kinetik akhir dengan energi kinetik awal. Jika energi kinetik akhir lebih kecil dari energi kinetik awal, maka perubahan energi kinetik bernilai negatif.
⇒ ΔEk = Ekt - Eko
Keterangan :
ΔEk = perubahan energi kinetik (J)
Ekt = energi kinetik akhir benda (J)
Eko = energ kinetik mula-mula (J).
Berdasarkan soal:
Dik : Vo = 20 m/s, a = 2 m/s², m = 1 ton = 1000 kg, t = 5 s
Dit : ΔEk = ...?
Kecepatan mobil pada detik kelima:
⇒ Vt = Vo - at
⇒ Vt = 20 - 2 (5)
⇒ Vt = 20 - 10
⇒ Vt = 10 m/s
Energi kinetik mula-mula:
⇒ Eko = ½ m. Vo2
⇒ Eko = ½ 1000 (20)2
⇒ Eko = 200.000 J
⇒ Eko = 200 kJ
Energi kinetik pada detik kelima:
⇒ Ekt = ½ m. Vt2
⇒ Ekt = ½ 1000 (10)2
⇒ Ekt = 50.000 J
⇒ Ekt = 50 kJ
Perubahan energi kinetik mobil:
⇒ ΔEk = Ekt - Eko
⇒ ΔEk = 50 - 200
⇒ ΔEk = -150 kJ
Jawaban : A
Sebuah benda bergerak jatuh bebas dari ketinggian h meter di atas permukaan tanah. Jika energi potensial mula-mula benda adalah 200 J, maka energi mekanik benda saat ketinggiannya setengah dari ketinggian mula-mula adalah ....
A. 300 J
B. 250 J
C. 200 J
D. 180 J
E. 100 J
Petunjuk penyelesaian:
Berdasarkan hukum kekekalan energi mekanik, energi mekanik benda di setiap titik di sepanjang lintasannya sama. Pada gerak jatuh bebas berlaku kekekalan energi mekanik. Itu artinya, energi mekanik pada ketinggian h akan sama dengan energi mekanik pada ketinggian 1/2 h.
Berdasarkan soal:
Dik : h1 = h, Ep1 = 200 J, h2 = 1/2 h, V1 = 0
Dit : Em2 = ...?
Sesuai hukum kekekalan energi mekanik:
⇒ Em2 = Em1
⇒ Em2 = Ep1 + Ek1
⇒ Em2 = Ep1 + 0
⇒ Em2 = 200 J
Jawaban : C
0 comments :
Post a Comment