Kumpulan Contoh Soal Bongkar Rahasia Fisika: 32+ Soal Usaha dan Energi Dijamin Bikin Paham Total!
Pilihan Ganda
1. 1. Apa definisi usaha (kerja) dalam fisika?
A. Gaya yang bekerja pada suatu benda tanpa menyebabkan perpindahan.
B. Energi yang dibutuhkan untuk mempertahankan suatu benda dalam keadaan diam.
C. Hasil kali antara gaya yang searah dengan perpindahan dan besar perpindahan benda.
D. Laju perubahan energi pada suatu sistem.
2. 2. Sebuah benda didorong dengan gaya 20 N sehingga berpindah sejauh 5 m searah dengan gaya. Berapakah usaha yang dilakukan?
A. 4 J
B. 10 J
C. 25 J
D. 100 J
3. 3. Kapan usaha bernilai nol?
A. Gaya yang diberikan sangat besar.
B. Benda bergerak dengan kecepatan konstan.
C. Tidak ada perpindahan atau arah gaya tegak lurus terhadap perpindahan.
D. Gaya dan perpindahan saling berlawanan arah.
4. 4. Satuan SI untuk usaha adalah…
A. Watt
B. Newton
C. Joule
D. Meter
5. 5. Sebuah balok bermassa 2 kg ditarik dengan gaya 10 N membentuk sudut 30° terhadap lantai horizontal. Jika balok berpindah sejauh 4 m, berapakah usaha yang dilakukan gaya tersebut? (cos30° = 0,87)
A. 20 J
B. 34,8 J
C. 40 J
D. 80 J
6. 6. Seorang anak mengangkat beban 5 kg setinggi 2 m. Jika g = 10 m/s², berapakah usaha yang dilakukan anak tersebut?
A. 10 J
B. 25 J
C. 50 J
D. 100 J
7. 7. Sebuah gaya 15 N bekerja pada benda, tetapi benda tersebut tidak bergerak. Berapakah usaha yang dilakukan gaya tersebut?
A. 0 J
B. 15 J
C. 30 J
D. Tidak dapat ditentukan
8. 8. Manakah pernyataan yang benar mengenai usaha negatif?
A. Arah gaya searah dengan perpindahan.
B. Arah gaya berlawanan dengan arah perpindahan.
C. Arah gaya tegak lurus dengan perpindahan.
D. Tidak ada perpindahan.
9. 9. Sebuah mobil bergerak sejauh 100 m di jalan datar dengan kecepatan konstan. Jika gaya gesek yang bekerja pada mobil adalah 50 N, berapakah usaha yang dilakukan oleh gaya gesek?
A. 0 J
B. 50 J
C. -5000 J
D. 5000 J
10. 10. Daya adalah…
A. Usaha yang dilakukan per satuan waktu.
B. Energi yang dimiliki benda karena geraknya.
C. Gaya yang bekerja pada suatu benda.
D. Kemampuan untuk melakukan usaha.
11. 11. Sebuah mesin melakukan usaha sebesar 600 J dalam waktu 10 detik. Berapakah daya mesin tersebut?
A. 6 W
B. 10 W
C. 60 W
D. 6000 W
12. 12. Hubungan antara usaha dan perubahan energi kinetik dinyatakan dalam teorema…
A. Teorema Bernoulli
B. Teorema Usaha-Energi Kinetik
C. Hukum Kekekalan Energi
D. Hukum Newton Pertama
13. 13. Sebuah benda bermassa 4 kg bergerak dengan kecepatan 2 m/s. Kemudian gaya melakukan usaha sebesar 24 J pada benda tersebut. Berapakah kecepatan akhir benda?
A. 2 m/s
B. 3 m/s
C. 4 m/s
D. 5 m/s
14. 14. Seorang pekerja mendorong gerobak dengan gaya 50 N sejauh 10 m. Jika gaya gesek antara gerobak dan jalan adalah 10 N, berapakah usaha total yang dilakukan pada gerobak?
A. 400 J
B. 500 J
C. 600 J
D. 1000 J
15. 15. Sebuah benda dijatuhkan bebas dari ketinggian tertentu. Usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi pada benda tersebut adalah…
A. Positif
B. Negatif
C. Nol
D. Tergantung massa benda
16. 16. Sebuah buku diletakkan di atas meja. Usaha yang dilakukan oleh gaya normal pada buku tersebut adalah…
A. Positif
B. Negatif
C. Nol
D. Tergantung berat buku
17. 17. Untuk memindahkan sebuah kotak sejauh 8 m, diperlukan gaya sebesar 25 N. Berapakah usaha yang dilakukan?
A. 0,32 J
B. 3,125 J
C. 200 J
D. 250 J
18. 18. Sebuah pegas diregangkan sejauh 0,1 m oleh gaya 20 N. Berapakah usaha yang dilakukan pegas? (Asumsikan pegas ideal)
A. 1 J
B. 2 J
C. 10 J
D. 20 J
19. 19. Seorang kuli bangunan memanggul semen seberat 50 N berjalan mendatar sejauh 10 m. Berapakah usaha yang dilakukan oleh kuli bangunan terhadap semen?
A. 0 J
B. 50 J
C. 500 J
D. 1000 J
20. 20. Sebuah benda bermassa 1 kg jatuh dari ketinggian 10 m. Berapakah usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi saat benda mencapai tanah? (g = 10 m/s²)
A. 10 J
B. 100 J
C. 1000 J
D. 0 J
Isian Singkat
1. 21. Jika sebuah benda didorong dengan gaya 10 N dan berpindah sejauh 2 m, maka usaha yang dilakukan adalah… J.
2. 22. Satuan daya dalam SI adalah…
3. 23. Usaha bernilai positif jika sudut antara gaya dan perpindahan adalah antara 0° hingga kurang dari…°.
4. 24. Rumus usaha jika gaya membentuk sudut θ terhadap perpindahan adalah W = F ⋅ s ⋅ … .
5. 25. Jika sebuah gaya tidak menyebabkan perpindahan benda, maka usaha yang dilakukan gaya tersebut adalah… J.
Uraian
1. 26. Sebuah balok bermassa 5 kg ditarik dengan gaya 25 N pada bidang datar kasar. Koefisien gesek kinetik antara balok dan bidang adalah 0,2. Jika balok berpindah sejauh 10 m, hitunglah: a) Usaha oleh gaya tarik, b) Usaha oleh gaya gesek, c) Usaha total. (g = 10 m/s²)
2. 27. Sebuah benda bermassa 2 kg awalnya diam. Benda tersebut didorong sehingga bergerak dengan kecepatan 6 m/s. Berapakah usaha yang dilakukan pada benda tersebut?
3. 28. Sebuah pompa air memiliki daya 500 W. Berapakah waktu yang dibutuhkan pompa tersebut untuk melakukan usaha sebesar 15.000 J?
4. 29. Sebuah peti ditarik dengan gaya 100 N membentuk sudut 60° terhadap horizontal. Jika peti berpindah sejauh 5 m, berapakah usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut? (cos60° = 0,5)
5. 30. Jelaskan perbedaan antara usaha positif, negatif, dan nol beserta contohnya masing-masing!
Mencocokkan
1. 31. Pasangkan konsep berikut dengan definisinya yang tepat:
1. Usaha
2. Daya
A. Laju perubahan usaha atau energi.
B. Hasil kali gaya dan perpindahan yang searah.
2. 32. Pasangkan jenis usaha dengan kondisi yang tepat:
1. Usaha positif
2. Usaha nol
A. Gaya tegak lurus perpindahan.
B. Gaya searah perpindahan.
Kunci Jawaban dan Pembahasan
Pilihan Ganda
1. C
Pembahasan: Usaha (W) didefinisikan sebagai hasil kali antara komponen gaya (F) yang searah dengan perpindahan (s) dan besar perpindahan benda. Rumusnya W = F ⋅ s ⋅ cosθ.
2. D
Pembahasan: Diketahui F = 20 N, s = 5 m. Karena searah, cosθ = cos0° = 1. W = F ⋅ s = 20 N ⋅ 5 m = 100 J.
3. C
Pembahasan: Usaha bernilai nol jika tidak ada perpindahan (s = 0) atau jika arah gaya tegak lurus terhadap arah perpindahan (cos90° = 0).
4. C
Pembahasan: Satuan SI untuk usaha adalah Joule (J), yang setara dengan Newton meter (N⋅m).
5. B
Pembahasan: W = F ⋅ s ⋅ cosθ = 10 N ⋅ 4 m ⋅ cos30° = 40 ⋅ 0,87 = 34,8 J.
6. D
Pembahasan: Gaya yang dibutuhkan untuk mengangkat beban adalah F = m ⋅ g = 5 kg ⋅ 10 m/s² = 50 N. Perpindahan s = 2 m. W = F ⋅ s = 50 N ⋅ 2 m = 100 J.
7. A
Pembahasan: Jika benda tidak bergerak, berarti perpindahannya (s) adalah nol. Maka, W = F ⋅ s = 15 N ⋅ 0 m = 0 J.
8. B
Pembahasan: Usaha bernilai negatif jika arah gaya berlawanan dengan arah perpindahan (misalnya, gaya gesek). Ini berarti sudut antara gaya dan perpindahan adalah 180°, dan cos180° = -1.
9. C
Pembahasan: Gaya gesek selalu berlawanan arah dengan arah gerak. Jadi, W_gesek = F_gesek ⋅ s ⋅ cos180° = 50 N ⋅ 100 m ⋅ (-1) = -5000 J.
10. A
Pembahasan: Daya (P) didefinisikan sebagai laju perubahan usaha atau usaha yang dilakukan per satuan waktu. P = W ÷ t.
11. C
Pembahasan: P = W ÷ t = 600 J ÷ 10 s = 60 W.
12. B
Pembahasan: Teorema Usaha-Energi Kinetik menyatakan bahwa usaha total yang dilakukan pada suatu benda sama dengan perubahan energi kinetik benda tersebut (W_total = ΔEK).
13. C
Pembahasan: EK_awal = ½ ⋅ m ⋅ v_awal² = ½ ⋅ 4 kg ⋅ (2 m/s)² = ½ ⋅ 4 ⋅ 4 = 8 J. Menurut Teorema Usaha-Energi Kinetik, W = ΔEK = EK_akhir – EK_awal. 24 J = EK_akhir – 8 J. EK_akhir = 32 J. EK_akhir = ½ ⋅ m ⋅ v_akhir². 32 J = ½ ⋅ 4 kg ⋅ v_akhir². 32 = 2 ⋅ v_akhir². v_akhir² = 16. v_akhir = 4 m/s.
14. A
Pembahasan: Usaha oleh gaya dorong: W_dorong = 50 N ⋅ 10 m = 500 J. Usaha oleh gaya gesek: W_gesek = 10 N ⋅ 10 m ⋅ cos180° = -100 J. Usaha total = W_dorong + W_gesek = 500 J – 100 J = 400 J.
15. A
Pembahasan: Saat benda dijatuhkan bebas, gaya gravitasi (ke bawah) searah dengan perpindahan benda (ke bawah). Oleh karena itu, usaha yang dilakukan gaya gravitasi bernilai positif.
16. C
Pembahasan: Gaya normal bekerja tegak lurus terhadap permukaan meja, sedangkan perpindahan buku (jika ada) adalah horizontal. Karena gaya normal tegak lurus terhadap perpindahan, usaha yang dilakukan gaya normal adalah nol.
17. C
Pembahasan: W = F ⋅ s = 25 N ⋅ 8 m = 200 J.
18. A
Pembahasan: Usaha oleh pegas (atau untuk meregangkan pegas) adalah W = ½ ⋅ k ⋅ x². Pertama, cari konstanta pegas (k): F = k ⋅ x → 20 N = k ⋅ 0,1 m → k = 200 N/m. Maka, W = ½ ⋅ 200 N/m ⋅ (0,1 m)² = ½ ⋅ 200 ⋅ 0,01 = 1 J.
19. A
Pembahasan: Gaya yang dilakukan kuli untuk memanggul semen adalah ke atas (melawan gravitasi), sedangkan perpindahan semen adalah mendatar. Karena arah gaya (ke atas) tegak lurus dengan arah perpindahan (mendatar), maka usaha yang dilakukan adalah nol.
20. B
Pembahasan: Gaya gravitasi F_g = m ⋅ g = 1 kg ⋅ 10 m/s² = 10 N. Perpindahan s = 10 m (searah dengan gaya). W = F_g ⋅ s = 10 N ⋅ 10 m = 100 J.
Isian Singkat
1. 20
2. Watt
3. 90
4. cosθ
5. 0
Uraian
1. a) Usaha oleh gaya tarik (W_tarik) = F_tarik ⋅ s = 25 N ⋅ 10 m = 250 J.
b) Gaya gesek (f_k) = μ_k ⋅ N. Karena di bidang datar, N = m ⋅ g = 5 kg ⋅ 10 m/s² = 50 N. Jadi, f_k = 0,2 ⋅ 50 N = 10 N. Usaha oleh gaya gesek (W_gesek) = f_k ⋅ s ⋅ cos180° = 10 N ⋅ 10 m ⋅ (-1) = -100 J.
c) Usaha total (W_total) = W_tarik + W_gesek = 250 J + (-100 J) = 150 J.
2. Diketahui m = 2 kg, v_awal = 0 m/s, v_akhir = 6 m/s. Usaha = perubahan energi kinetik (ΔEK).
EK_awal = ½ ⋅ m ⋅ v_awal² = ½ ⋅ 2 kg ⋅ (0 m/s)² = 0 J.
EK_akhir = ½ ⋅ m ⋅ v_akhir² = ½ ⋅ 2 kg ⋅ (6 m/s)² = 1 kg ⋅ 36 m²/s² = 36 J.
Usaha = ΔEK = EK_akhir – EK_awal = 36 J – 0 J = 36 J.
3. Diketahui P = 500 W, W = 15.000 J. Rumus daya P = W ÷ t. Maka, t = W ÷ P.
t = 15.000 J ÷ 500 W = 30 detik.
4. Diketahui F = 100 N, s = 5 m, θ = 60°. W = F ⋅ s ⋅ cosθ.
W = 100 N ⋅ 5 m ⋅ cos60° = 500 ⋅ 0,5 = 250 J.
5. Usaha Positif: Terjadi ketika arah gaya searah atau memiliki komponen searah dengan arah perpindahan benda (0° ≤ θ < 90°). Contoh: Gaya dorong mesin mobil saat mobil maju.
Usaha Negatif: Terjadi ketika arah gaya berlawanan dengan arah perpindahan benda (90° < θ ≤ 180°). Contoh: Gaya gesek yang menghambat gerak benda.
Usaha Nol: Terjadi ketika tidak ada perpindahan benda (s = 0) atau arah gaya tegak lurus terhadap arah perpindahan benda (θ = 90°). Contoh: Gaya normal pada benda di bidang datar, atau gaya orang mendorong tembok yang tidak bergerak.
Mencocokkan
1. 1-B, 2-A
2. 1-B, 2-A