Persiapan Olimpiade Sains Nasional (OSN) di bidang Fisika membutuhkan pemahaman yang mendalam tentang berbagai konsep, mulai dari mekanika klasik hingga fisika modern. Latihan soal fisika persiapan OSN ini dirancang untuk menguji dan memperkuat pemahaman Anda terhadap materi-materi kunci yang sering diujikan. Anda akan menemukan berbagai jenis soal, termasuk pilihan ganda, isian singkat, uraian, dan menjodohkan, yang mencakup topik seperti kinematika, dinamika, usaha dan energi, termodinamika, listrik-magnet, optika, hingga relativitas dan fisika kuantum dasar. Setiap soal dirancang untuk menantang kemampuan analisis dan pemecahan masalah Anda. Dengan berlatih secara rutin menggunakan kumpulan soal ini, diharapkan Anda dapat meningkatkan kepercayaan diri dan kesiapan untuk menghadapi kompetisi OSN Fisika.
Contoh Soal soal fisika persiapan OSN
A. Pilihan Ganda
1. Sebuah peluru ditembakkan dengan kecepatan awal 100 m/s pada sudut elevasi 37° terhadap horizontal (sin 37° = 0,6; cos 37° = 0,8). Jika percepatan gravitasi g = 10 m/s², waktu yang dibutuhkan peluru untuk mencapai titik tertinggi adalah…
- A. 6 s
- B. 8 s
- C. 10 s
- D. 12 s
- E. 16 s
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Waktu untuk mencapai titik tertinggi (t_max) dihitung dengan rumus t_max = (v₀ sin θ) / g. Substitusikan nilai v₀ = 100 m/s, sin θ = 0,6, dan g = 10 m/s²: t_max = (100 × 0,6) / 10 = 60 / 10 = 6 detik.
2. Dua balok bermassa m₁ = 2 kg dan m₂ = 3 kg dihubungkan oleh tali tak bermassa melalui katrol licin. Balok m₁ berada di atas meja horizontal kasar dengan koefisien gesek kinetik 0,2, sedangkan balok m₂ menggantung bebas. Jika g = 10 m/s², percepatan sistem adalah…
- A. 4 m/s²
- B. 4,5 m/s²
- C. 5 m/s²
- D. 5,2 m/s²
- E. 6 m/s²
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Gaya yang menyebabkan gerak adalah tegangan tali dari m₂ dikurangi gaya gesek pada m₁. Gaya gesek (f_k) = μ_k × N = μ_k × m₁g = 0,2 × 2 × 10 = 4 N. Percepatan sistem a = (m₂g – f_k) / (m₁ + m₂) = (3 × 10 – 4) / (2 + 3) = (30 – 4) / 5 = 26 / 5 = 5,2 m/s².
3. Sebuah benda bermassa 0,5 kg dilemparkan vertikal ke atas dengan kecepatan awal 20 m/s. Energi kinetik benda saat mencapai ketinggian 15 m dari tanah adalah… (g = 10 m/s²)
- A. 10 J
- B. 25 J
- C. 50 J
- D. 75 J
- E. 100 J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Menggunakan hukum kekekalan energi mekanik: EK₁ + EP₁ = EK₂ + EP₂. Pada awal, EK₁ = ½mv₀² = ½ × 0,5 × (20)² = 0,25 × 400 = 100 J. EP₁ = 0 (di tanah). Pada ketinggian 15 m, EP₂ = mgh = 0,5 × 10 × 15 = 75 J. Jadi, 100 + 0 = EK₂ + 75. Maka EK₂ = 100 – 75 = 25 J.
4. Sebuah bola bermassa 0,2 kg bergerak dengan kecepatan 10 m/s menumbuk dinding secara lenting sempurna. Jika waktu kontak antara bola dan dinding adalah 0,01 s, gaya rata-rata yang diberikan dinding pada bola adalah…
- A. 400 N
- B. 200 N
- C. 100 N
- D. 50 N
- E. 20 N
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Untuk tumbukan lenting sempurna, perubahan momentum (Δp) = 2mv. Δp = 2 × 0,2 kg × 10 m/s = 4 kg m/s. Gaya rata-rata (F) = Δp / Δt = 4 kg m/s / 0,01 s = 400 N.
5. Sebuah batang homogen bermassa M dan panjang L dapat berotasi bebas di sekitar salah satu ujungnya. Momen inersia batang tersebut adalah I = (1/3)ML². Jika batang dilepaskan dari posisi horizontal, kecepatan sudut batang saat melewati posisi vertikal adalah…
- A. √(g/L)
- B. √(2g/L)
- C. √(3g/L)
- D. √(6g/L)
- E. √(12g/L)
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Gunakan kekekalan energi mekanik. Energi potensial awal (EP) = Mg(L/2) (pusat massa turun L/2). Energi kinetik rotasi akhir (EK_rot) = ½Iω². Jadi, Mg(L/2) = ½ × (1/3)ML² × ω². MgL/2 = (1/6)ML²ω². ω² = (3g)/L. Maka ω = √(3g/L).
6. Sebuah benda terapung di air dengan 2/5 bagian volumenya berada di atas permukaan air. Jika massa jenis air adalah 1000 kg/m³, massa jenis benda tersebut adalah…
- A. 400 kg/m³
- B. 600 kg/m³
- C. 750 kg/m³
- D. 800 kg/m³
- E. 1000 kg/m³
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Benda terapung berarti gaya apung sama dengan berat benda. Volume benda yang tercelup (V_celup) = (3/5)V_total. Gaya apung (F_a) = ρ_air × g × V_celup = ρ_air × g × (3/5)V_total. Berat benda (W) = ρ_benda × g × V_total. Karena F_a = W, maka ρ_air × g × (3/5)V_total = ρ_benda × g × V_total. ρ_benda = (3/5)ρ_air = (3/5) × 1000 kg/m³ = 600 kg/m³.
7. Gas ideal mengalami proses isobarik di mana volumenya memuai dari 2 L menjadi 4 L pada tekanan konstan 2 × 10⁵ Pa. Usaha yang dilakukan gas adalah…
- A. 200 J
- B. 300 J
- C. 400 J
- D. 500 J
- E. 600 J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Usaha pada proses isobarik (W) = P × ΔV. P = 2 × 10⁵ Pa. ΔV = (4 – 2) L = 2 L = 2 × 10⁻³ m³. W = 2 × 10⁵ Pa × 2 × 10⁻³ m³ = 4 × 10² J = 400 J.
8. Sebuah mesin Carnot bekerja pada suhu tinggi 500 K dan suhu rendah 300 K. Efisiensi mesin Carnot tersebut adalah…
- A. 20%
- B. 30%
- C. 35%
- D. 40%
- E. 50%
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Efisiensi mesin Carnot (η) = 1 – (T_rendah / T_tinggi). T_rendah = 300 K, T_tinggi = 500 K. η = 1 – (300 / 500) = 1 – 0,6 = 0,4. Dalam persentase, η = 0,4 × 100% = 40%.
9. Dua muatan titik +4 μC dan -9 μC terpisah sejauh 10 cm. Titik di antara kedua muatan di mana medan listrik totalnya nol berada pada jarak…
- A. 4 cm dari +4 μC
- B. 6 cm dari +4 μC
- C. 8 cm dari +4 μC
- D. 10 cm dari +4 μC
- E. 20 cm dari +4 μC
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: E
Pembahasan: Medan listrik tidak akan nol di antara kedua muatan karena arahnya akan sama (menjauhi positif, mendekati negatif). Titik nol medan listrik harus berada di luar kedua muatan, dan lebih dekat ke muatan yang lebih kecil (dalam nilai absolut). Jadi, di luar muatan +4 μC. Misalkan jarak dari +4 μC adalah x. Maka k(4μC)/x² = k(9μC)/(x+10cm)². 4/x² = 9/(x+10)². Ambil akar kuadrat: 2/x = 3/(x+10). 2(x+10) = 3x. 2x + 20 = 3x. x = 20 cm. Dari muatan +4 μC.
10. Sebuah kapasitor 20 μF dihubungkan ke sumber tegangan 100 V. Energi yang tersimpan dalam kapasitor adalah…
- A. 0,01 J
- B. 0,05 J
- C. 0,02 J
- D. 0,1 J
- E. 0,2 J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Energi yang tersimpan dalam kapasitor (W) = ½CV². C = 20 μF = 20 × 10⁻⁶ F. V = 100 V. W = ½ × 20 × 10⁻⁶ F × (100 V)² = 10 × 10⁻⁶ × 10⁴ = 10⁻¹ J = 0,1 J.
11. Tiga resistor masing-masing 2 Ω, 3 Ω, dan 6 Ω dihubungkan secara paralel. Hambatan total rangkaian adalah…
- A. 1 Ω
- B. 2 Ω
- C. 3 Ω
- D. 6 Ω
- E. 11 Ω
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Untuk resistor paralel, 1/R_total = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃. 1/R_total = 1/2 + 1/3 + 1/6 = 3/6 + 2/6 + 1/6 = 6/6 = 1. Jadi R_total = 1 Ω.
12. Sebuah rangkaian seri RLC memiliki R = 80 Ω, L = 0,4 H, dan C = 20 μF. Jika dihubungkan dengan sumber tegangan AC 200 V, 50 Hz, impedansi rangkaian adalah…
- A. 75 Ω
- B. 85 Ω
- C. 95 Ω
- D. 100 Ω
- E. 120 Ω
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Hitung reaktansi induktif (X_L) = 2πfL = 2π × 50 × 0,4 = 40π Ω ≈ 125,6 Ω. Hitung reaktansi kapasitif (X_C) = 1 / (2πfC) = 1 / (2π × 50 × 20 × 10⁻⁶) = 1 / (2π × 10⁻³) = 1000/(2π) ≈ 159,2 Ω. Impedansi (Z) = √(R² + (X_L – X_C)²) = √(80² + (125,6 – 159,2)²) = √(6400 + (-33,6)²) = √(6400 + 1128,96) = √(7528,96) ≈ 86,7 Ω. Pilihan terdekat adalah 85 Ω.
13. Sebuah kawat lurus panjang dialiri arus 2 A. Besar medan magnet pada jarak 5 cm dari kawat adalah… (μ₀ = 4π × 10⁻⁷ Tm/A)
- A. 8 × 10⁻⁶ T
- B. 4 × 10⁻⁶ T
- C. 2 × 10⁻⁶ T
- D. 1 × 10⁻⁶ T
- E. 0,8 × 10⁻⁶ T
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Medan magnet kawat lurus (B) = (μ₀I) / (2πr). I = 2 A, r = 5 cm = 0,05 m. B = (4π × 10⁻⁷ × 2) / (2π × 0,05) = (8π × 10⁻⁷) / (0,1π) = 8 × 10⁻⁶ T.
14. Sebuah kumparan dengan 100 lilitan memiliki luas penampang 20 cm². Kumparan tersebut diletakkan dalam medan magnet homogen 0,5 T. Jika medan magnet berbalik arah dalam waktu 0,1 s, GGL induksi rata-rata yang timbul adalah…
- A. 0,5 V
- B. 1 V
- C. 2 V
- D. 4 V
- E. 5 V
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Perubahan fluks magnet (ΔΦ) = Δ(BA cos θ). Karena medan berbalik arah, perubahan fluks adalah 2BA. ΔΦ = 2 × 0,5 T × (20 × 10⁻⁴ m²) = 2 × 10⁻³ Wb. GGL induksi (ε) = -N (ΔΦ / Δt). ε = -100 × (2 × 10⁻³ Wb / 0,1 s) = -100 × 0,02 = -2 V. Besar GGL induksi adalah 2 V.
15. Sebuah benda diletakkan 10 cm di depan cermin cekung dengan jari-jari kelengkungan 30 cm. Sifat bayangan yang terbentuk adalah…
- A. Nyata, terbalik, diperkecil
- B. Maya, tegak, diperbesar
- C. Nyata, terbalik, diperbesar
- D. Maya, tegak, diperkecil
- E. Nyata, tegak, diperkecil
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Jarak fokus cermin cekung f = R/2 = 30/2 = 15 cm. Karena benda diletakkan di antara fokus (15 cm) dan cermin (10 cm), yaitu ruang I, bayangan yang terbentuk adalah maya, tegak, dan diperbesar.
16. Pada percobaan celah ganda Young, dua celah berjarak 0,2 mm disinari cahaya monokromatik dengan panjang gelombang 600 nm. Jika layar diletakkan 1 m dari celah, jarak antara terang pusat dan terang kedua adalah…
- A. 3 mm
- B. 4,5 mm
- C. 6 mm
- D. 7,5 mm
- E. 9 mm
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Untuk pola terang, d sin θ = mλ atau y = (mλL)/d. Untuk terang kedua, m = 2. d = 0,2 mm = 2 × 10⁻⁴ m. λ = 600 nm = 6 × 10⁻⁷ m. L = 1 m. y = (2 × 6 × 10⁻⁷ × 1) / (2 × 10⁻⁴) = (12 × 10⁻⁷) / (2 × 10⁻⁴) = 6 × 10⁻³ m = 6 mm.
17. Intensitas bunyi pada jarak 1 m dari sumber adalah 10⁻⁵ W/m². Intensitas bunyi pada jarak 10 m dari sumber yang sama adalah…
- A. 10⁻⁶ W/m²
- B. 10⁻⁷ W/m²
- C. 10⁻⁸ W/m²
- D. 10⁻⁹ W/m²
- E. 10⁻¹⁰ W/m²
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Intensitas bunyi berbanding terbalik dengan kuadrat jarak dari sumber (I ∝ 1/r²). I₁r₁² = I₂r₂². 10⁻⁵ × (1)² = I₂ × (10)². 10⁻⁵ = I₂ × 100. I₂ = 10⁻⁵ / 100 = 10⁻⁷ W/m².
18. Sebuah partikel bergerak dengan kecepatan 0,6c relatif terhadap pengamat diam. Jika massa diam partikel adalah m₀, massa relativistik partikel adalah…
- A. 1,25 m₀
- B. 1,67 m₀
- C. 0,8 m₀
- D. 0,6 m₀
- E. 2,0 m₀
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Massa relativistik (m) = m₀ / √(1 – (v²/c²)). v = 0,6c, jadi v²/c² = (0,6c)²/c² = 0,36. m = m₀ / √(1 – 0,36) = m₀ / √0,64 = m₀ / 0,8 = 1,25 m₀.
19. Foton dengan energi 3,0 eV menumbuk permukaan logam yang memiliki fungsi kerja 1,5 eV. Energi kinetik maksimum elektron yang terpancar adalah…
- A. 0,5 eV
- B. 1,0 eV
- C. 1,5 eV
- D. 2,0 eV
- E. 3,0 eV
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Menurut efek fotolistrik, EK_maks = E_foton – W_f. E_foton = 3,0 eV. W_f = 1,5 eV. EK_maks = 3,0 eV – 1,5 eV = 1,5 eV.
20. Sebuah pegas memiliki konstanta pegas 200 N/m. Jika pegas digantungi beban 0,5 kg, frekuensi osilasi sistem adalah… (π² ≈ 10)
- A. 10/π Hz
- B. 20/π Hz
- C. 5/π Hz
- D. 1/π Hz
- E. 2/π Hz
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Frekuensi osilasi (f) = (1 / 2π) × √(k/m). k = 200 N/m, m = 0,5 kg. f = (1 / 2π) × √(200 / 0,5) = (1 / 2π) × √400 = (1 / 2π) × 20 = 10/π Hz. Jika π² ≈ 10, maka π ≈ √10. f ≈ 10/√10 = √10 ≈ 3,16 Hz. Pilihan A adalah 10/π Hz.
B. Isian Singkat
1. Sebuah benda bermassa 2 kg dilepas dari ketinggian 20 m. Kecepatan benda saat mencapai ketinggian 5 m adalah… (g = 10 m/s²)
Jawaban: √300 m/s atau 10√3 m/s
2. Mesin Carnot menyerap kalor 1000 J dari reservoir panas pada suhu 400 K dan membuang kalor ke reservoir dingin pada suhu 300 K. Usaha yang dilakukan mesin tersebut adalah…
Jawaban: 250 J
3. Sebuah solenoida panjang 20 cm memiliki 400 lilitan. Jika arus yang mengalir adalah 0,5 A, besar medan magnet di pusat solenoida adalah… (μ₀ = 4π × 10⁻⁷ Tm/A)
Jawaban: 4π × 10⁻⁴ T
4. Dua lensa tipis masing-masing dengan kekuatan +2 D dan +3 D diletakkan berimpit. Kekuatan lensa gabungan adalah…
Jawaban: +5 D
5. Jika panjang gelombang de Broglie sebuah elektron adalah 0,1 nm, momentum elektron tersebut adalah… (h = 6,63 × 10⁻³⁴ Js)
Jawaban: 6,63 × 10⁻²⁴ kg m/s
C. Menjodohkan
1. Jodohkan hukum fisika berikut dengan pernyataannya yang tepat.
| Premis | Respon |
|---|---|
| Hukum Newton III | Aksi = Reaksi |
| Hukum Archimedes | Gaya apung sama dengan berat fluida yang dipindahkan |
| Hukum Ohm | V = IR |
| Hukum Lenz | Arah GGL induksi menentang perubahan fluks magnet |
2. Jodohkan besaran fisika berikut dengan satuan SI-nya.
| Premis | Respon |
|---|---|
| Daya | Watt |
| Tekanan | Pascal |
| Momen Inersia | kg m² |
| Induktansi | Henry |
D. Uraian
1. Jelaskan dengan detail bagaimana Hukum Kekekalan Energi Mekanik dapat digunakan untuk menganalisis gerak benda pada bidang miring tanpa gesekan. Sertakan rumus-rumus yang relevan dan berikan contoh penerapannya.
Hukum Kekekalan Energi Mekanik menyatakan bahwa jika hanya gaya-gaya konservatif (seperti gravitasi) yang melakukan usaha, maka energi mekanik total (jumlah energi kinetik dan energi potensial) sistem tetap konstan. Pada bidang miring tanpa gesekan, gaya gravitasi adalah satu-satunya gaya non-normal yang melakukan usaha, sehingga energi mekanik kekal.
Rumus yang relevan:
1. Energi Kinetik (EK) = ½mv²
2. Energi Potensial Gravitasi (EP) = mgh
3. Energi Mekanik (EM) = EK + EP
4. Hukum Kekekalan Energi Mekanik: EM₁ = EM₂ atau EK₁ + EP₁ = EK₂ + EP₂
Contoh Penerapan:
Sebuah balok bermassa m dilepaskan dari puncak bidang miring licin dengan ketinggian h. Untuk mencari kecepatan balok saat mencapai dasar bidang miring:
– Posisi awal (puncak): Kecepatan awal (v₁) = 0, ketinggian (h₁) = h.
EM₁ = EK₁ + EP₁ = ½m(0)² + mgh = mgh
– Posisi akhir (dasar): Ketinggian (h₂) = 0, kecepatan akhir (v₂) = ?
EM₂ = EK₂ + EP₂ = ½mv₂² + mg(0) = ½mv₂²
Menurut Hukum Kekekalan Energi Mekanik:
EM₁ = EM₂
mgh = ½mv₂²
Dengan membatalkan m dari kedua sisi, kita dapatkan:
gh = ½v₂²
v₂² = 2gh
v₂ = √(2gh)
Ini menunjukkan bahwa kecepatan balok di dasar bidang miring hanya bergantung pada ketinggian awal dan percepatan gravitasi, tidak bergantung pada massa balok atau kemiringan bidang.
2. Jelaskan konsep siklus termodinamika pada mesin panas, termasuk diagram P-V, usaha, kalor yang diserap dan dibuang, serta efisiensi. Berikan contoh siklus ideal seperti siklus Carnot.
Siklus termodinamika adalah serangkaian proses termodinamika yang mengembalikan sistem ke keadaan awalnya. Dalam mesin panas, siklus ini mengubah energi panas menjadi kerja mekanik. Siklus ini biasanya digambarkan pada diagram P-V (tekanan-volume).
Komponen utama siklus:
1. **Diagram P-V**: Grafis yang menunjukkan perubahan tekanan (P) terhadap volume (V) selama siklus. Luas area yang dilingkupi oleh siklus pada diagram P-V merepresentasikan usaha bersih (W_net) yang dilakukan oleh sistem.
2. **Usaha (W)**: Usaha total yang dilakukan oleh gas selama satu siklus. Jika siklus berjalan searah jarum jam pada diagram P-V, usaha bersih positif (kerja dilakukan oleh sistem). Jika berlawanan arah jarum jam, usaha bersih negatif (kerja dilakukan pada sistem).
3. **Kalor yang Diserap (Q_in)**: Jumlah kalor yang diserap sistem dari reservoir panas pada suhu tinggi.
4. **Kalor yang Dibuang (Q_out)**: Jumlah kalor yang dibuang sistem ke reservoir dingin pada suhu rendah.
5. **Perubahan Energi Dalam (ΔU)**: Untuk satu siklus penuh, karena sistem kembali ke keadaan awal, perubahan energi dalamnya adalah nol (ΔU = 0).
Berdasarkan Hukum Termodinamika I (ΔU = Q – W), untuk satu siklus: 0 = Q_in – Q_out – W_net. Sehingga W_net = Q_in – Q_out.
**Efisiensi (η)**: Ukuran seberapa efektif mesin mengubah kalor menjadi usaha. η = W_net / Q_in = (Q_in – Q_out) / Q_in = 1 – (Q_out / Q_in).
**Siklus Carnot (Contoh Siklus Ideal)**:
Siklus Carnot adalah siklus termodinamika reversibel yang terdiri dari empat proses:
1. **Ekspansi Isotermal (A→B)**: Gas menyerap kalor (Q_H) dari reservoir panas pada suhu T_H dan melakukan usaha.
2. **Ekspansi Adiabatik (B→C)**: Gas berekspansi tanpa pertukaran kalor, suhu turun dari T_H ke T_C dan melakukan usaha.
3. **Kompresi Isotermal (C→D)**: Gas membuang kalor (Q_C) ke reservoir dingin pada suhu T_C dan usaha dilakukan pada gas.
4. **Kompresi Adiabatik (D→A)**: Gas terkompresi tanpa pertukaran kalor, suhu naik dari T_C ke T_H dan usaha dilakukan pada gas.
Efisiensi siklus Carnot adalah efisiensi termodinamika maksimum yang mungkin dicapai oleh mesin panas mana pun yang beroperasi antara dua suhu T_H dan T_C. Diberikan oleh rumus:
η_Carnot = 1 – (T_C / T_H)
Di mana T_C dan T_H adalah suhu absolut (dalam Kelvin) reservoir dingin dan panas.
3. Analisis sebuah rangkaian RLC seri yang dihubungkan dengan sumber tegangan AC. Jelaskan konsep impedansi, reaktansi (induktif dan kapasitif), fase antara arus dan tegangan, serta kondisi resonansi. Sertakan rumus-rumus yang diperlukan.
Rangkaian RLC seri terdiri dari resistor (R), induktor (L), dan kapasitor (C) yang dihubungkan secara seri dengan sumber tegangan bolak-balik (AC).
1. **Reaktansi Induktif (X_L)**: Hambatan yang ditawarkan oleh induktor terhadap arus AC. X_L = ωL = 2πfL, di mana ω adalah frekuensi sudut dan f adalah frekuensi. Arus tertinggal 90° terhadap tegangan pada induktor.
2. **Reaktansi Kapasitif (X_C)**: Hambatan yang ditawarkan oleh kapasitor terhadap arus AC. X_C = 1/(ωC) = 1/(2πfC). Arus mendahului 90° terhadap tegangan pada kapasitor.
3. **Impedansi (Z)**: Hambatan total rangkaian RLC terhadap arus AC. Z = √(R² + (X_L – X_C)²). Ini adalah analog dari resistansi pada rangkaian DC, namun juga mempertimbangkan efek fase dari induktor dan kapasitor.
4. **Fase antara Arus dan Tegangan (φ)**: Sudut fase antara tegangan total (V) dan arus total (I) dalam rangkaian. tan φ = (X_L – X_C) / R. Jika X_L > X_C, rangkaian bersifat induktif dan tegangan mendahului arus. Jika X_C > X_L, rangkaian bersifat kapasitif dan arus mendahului tegangan. Jika X_L = X_C, rangkaian bersifat resistif dan tegangan sefase dengan arus.
5. **Kondisi Resonansi**: Terjadi ketika reaktansi induktif sama dengan reaktansi kapasitif (X_L = X_C). Pada kondisi ini:
– Impedansi (Z) mencapai nilai minimum, yaitu Z = R.
– Arus dalam rangkaian mencapai nilai maksimum (I_maks = V/R).
– Sudut fase (φ) adalah 0°, artinya tegangan dan arus sefase.
– Frekuensi resonansi (f₀) dapat dihitung dari X_L = X_C:
ω₀L = 1/(ω₀C) ⇒ ω₀² = 1/(LC) ⇒ ω₀ = 1/√(LC)
f₀ = 1/(2π√(LC))
Rangkaian RLC seri pada resonansi sangat penting dalam aplikasi seperti radio tuner, di mana ia digunakan untuk memilih frekuensi tertentu.
4. Jelaskan fenomena difraksi cahaya dan bagaimana ia berbeda dari interferensi. Berikan contoh aplikasi difraksi dalam kehidupan sehari-hari atau teknologi.
Difraksi cahaya adalah pembelokan atau penyebaran gelombang cahaya ketika melewati celah sempit atau mengelilingi tepi suatu penghalang. Fenomena ini terjadi karena setiap titik pada muka gelombang yang melewati celah bertindak sebagai sumber gelombang sekunder (prinsip Huygens), yang kemudian menyebar dan berinterferensi.
**Perbedaan dengan Interferensi:**
– **Interferensi** terjadi ketika dua atau lebih gelombang koheren (memiliki beda fase konstan) saling bertemu dan menghasilkan pola penguatan (terang) dan pelemahan (gelap). Sumbernya biasanya dua atau lebih, seperti pada percobaan celah ganda Young.
– **Difraksi** adalah fenomena satu sumber gelombang yang menyebar setelah melewati penghalang atau celah. Meskipun difraksi melibatkan interferensi gelombang-gelombang sekunder dari celah yang sama, fokusnya adalah pada pembelokan gelombang itu sendiri. Pola difraksi umumnya memiliki intensitas pusat yang jauh lebih terang dan pola terang/gelap yang lebih lebar dibandingkan interferensi murni.
**Aplikasi Difraksi:**
1. **Kisi Difraksi**: Digunakan untuk memecah cahaya putih menjadi spektrum warnanya, mirip prisma, tetapi dengan resolusi yang lebih tinggi. Aplikasi termasuk spektrometer untuk analisis komposisi kimia.
2. **CD/DVD/Blu-ray Disc**: Permukaan disk optik memiliki alur-alur mikroskopis yang bertindak seperti kisi difraksi, menyebabkan cahaya laser yang dipantulkan membentuk pola difraksi yang digunakan untuk membaca data.
3. **Holografi**: Proses pembuatan hologram memanfaatkan difraksi untuk merekam dan merekonstruksi gambar tiga dimensi.
4. **Mikroskop Elektron**: Meskipun menggunakan elektron (partikel), konsep difraksi gelombang de Broglie digunakan untuk ‘melihat’ struktur atom dan molekul, memungkinkan resolusi yang jauh lebih tinggi daripada mikroskop optik.
5. Jelaskan secara singkat tiga postulat Einstein dalam teori relativitas khusus dan apa implikasinya terhadap konsep ruang dan waktu. Berikan contoh fenomena yang mendukung teori ini.
Teori Relativitas Khusus Einstein didasarkan pada dua postulat utama:
1. **Postulat Relativitas**: Hukum-hukum fisika memiliki bentuk yang sama dalam semua kerangka acuan inersia. Ini berarti tidak ada kerangka acuan inersia yang istimewa; semua pengamat dalam kerangka inersia yang bergerak dengan kecepatan konstan akan mengamati hukum fisika yang sama.
2. **Postulat Kecepatan Cahaya**: Kecepatan cahaya dalam ruang hampa (c) memiliki nilai yang sama untuk semua pengamat inersia, tanpa bergantung pada gerak sumber cahaya atau gerak pengamat.
**Implikasi terhadap Konsep Ruang dan Waktu:**
Kedua postulat ini membawa implikasi revolusioner terhadap konsep ruang dan waktu yang sebelumnya dianggap absolut:
– **Dilatasi Waktu**: Waktu yang diukur oleh pengamat yang bergerak relatif terhadap suatu peristiwa akan lebih lama dibandingkan waktu yang diukur oleh pengamat diam (waktu bergerak ‘melambat’ bagi objek yang bergerak). T = T₀ / √(1 – v²/c²).
– **Kontraksi Panjang**: Panjang suatu objek yang bergerak akan tampak lebih pendek (menyusut) dalam arah geraknya bagi pengamat yang diam relatif terhadap objek tersebut. L = L₀ √(1 – v²/c²).
– **Massa Relativistik**: Massa suatu objek akan meningkat saat kecepatannya mendekati kecepatan cahaya. m = m₀ / √(1 – v²/c²).
– **Kesetaraan Massa-Energi**: Energi dan massa adalah dua bentuk yang saling dipertukarkan, dinyatakan dengan rumus E = mc².
**Contoh Fenomena yang Mendukung Teori ini:**
1. **Masa Hidup Muon**: Muon adalah partikel subatomik yang memiliki waktu hidup sangat singkat (sekitar 2,2 μs) dalam kerangka diamnya. Namun, muon yang dihasilkan di atmosfer atas oleh sinar kosmik dapat mencapai permukaan Bumi karena kecepatan tinggi mendekati c menyebabkan waktu hidup mereka terdilatasi dari sudut pandang pengamat di Bumi, memungkinkan mereka menempuh jarak yang lebih jauh.
2. **GPS (Global Positioning System)**: Satelit GPS bergerak dengan kecepatan tinggi dan medan gravitasi yang berbeda dari Bumi. Untuk akurasi navigasi, jam atom di satelit harus dikoreksi berdasarkan efek dilatasi waktu relativitas khusus (dan juga efek gravitasi dari relativitas umum).