Kumpulan Soal Fisika Sinar Katoda Lengkap: Uji Pemahamanmu tentang Elektron dan Tabung Katoda!

A. Pilihan Ganda

1. Sinar katoda pada dasarnya adalah…
   • Aliran proton
   • Gelombang elektromagnetik
   • Aliran neutron
   • Aliran foton
   • Aliran elektron
   Jawaban: Aliran elektron
   Penjelasan: Sinar katoda adalah aliran partikel bermuatan negatif, yang kemudian diidentifikasi sebagai elektron.
2. Sifat sinar katoda yang ditunjukkan oleh kemampuannya memutar kincir ringan adalah…
   • Tidak memiliki massa
   • Tidak dapat menembus materi
   • Tidak dibelokkan oleh medan listrik
   • Memiliki massa dan momentum
   • Bergerak melengkung tanpa pengaruh medan
   Jawaban: Memiliki massa dan momentum
   Penjelasan: Kemampuan sinar katoda untuk memutar kincir ringan menunjukkan bahwa mereka memiliki massa dan momentum, sehingga merupakan partikel.
3. Ketika sinar katoda dilewatkan melalui medan listrik, arah pembelokannya adalah…
   • Dibelokkan menuju kutub negatif medan listrik
   • Tidak dibelokkan oleh medan listrik
   • Dibelokkan keluar dari medan listrik
   • Dibelokkan menuju kutub positif medan listrik
   • Dibelokkan acak oleh medan listrik
   Jawaban: Dibelokkan menuju kutub positif medan listrik
   Penjelasan: Partikel bermuatan negatif akan ditarik ke kutub positif dalam medan listrik.
4. Ilmuwan yang pertama kali menentukan rasio muatan terhadap massa (e/m) dari sinar katoda adalah…
   • Ernest Rutherford
   • Albert Einstein
   • Niels Bohr
   • J.J. Thomson
   • Max Planck
   Jawaban: J.J. Thomson
   Penjelasan: J.J. Thomson adalah ilmuwan yang melakukan eksperimen untuk mengukur rasio muatan terhadap massa (e/m) dan mengidentifikasi elektron.
5. Nama partikel yang menyusun sinar katoda adalah…
   • Proton
   • Neutron
   • Foton
   • Positron
   • Elektron
   Jawaban: Elektron
   Penjelasan: Sinar katoda terbukti merupakan partikel subatomik yang bermuatan negatif, yang kemudian dinamakan elektron.
6. Kuantitas fisika yang berhasil ditentukan oleh J.J. Thomson dari eksperimen sinar katoda adalah…
   • massa elektron
   • kecepatan elektron
   • muatan elektron
   • e/m
   • energi kinetik elektron
   Jawaban: e/m
   Penjelasan: Eksperimen Thomson bertujuan untuk menentukan perbandingan muatan terhadap massa dari partikel penyusun sinar katoda.
7. Dalam eksperimen J.J. Thomson, ia menggunakan konfigurasi…
   • Hanya medan listrik
   • Hanya medan magnet
   • Medan gravitasi
   • Medan listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus
   • Tidak ada medan eksternal
   Jawaban: Medan listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus
   Penjelasan: Thomson menggunakan kombinasi medan listrik dan magnet yang saling tegak lurus untuk menyeimbangkan gaya pada elektron dan menentukan kecepatannya.
8. Salah satu sifat sinar katoda adalah kemampuannya menyebabkan fluoresensi, yang diamati sebagai…
   • Terbentuknya bayangan
   • Terjadinya pendaran pada layar
   • Pembentukan medan listrik di dalam tabung
   • Peningkatan suhu katoda
   • Perubahan warna sinar
   Jawaban: Terjadinya pendaran pada layar
   Penjelasan: Sinar katoda memiliki energi kinetik yang cukup untuk menyebabkan bahan fosfor pada layar berpendar (fluoresensi).
9. Aplikasi langsung dari prinsip sinar katoda dapat ditemukan pada perangkat seperti…
   • Lampu pijar
   • Dioda laser
   • Tabung Sinar Katoda (CRT)
   • Baterai
   • Transformator
   Jawaban: Tabung Sinar Katoda (CRT)
   Penjelasan: CRT adalah perangkat yang memanfaatkan sinar katoda untuk menampilkan gambar, seperti pada televisi dan monitor lama.
10. Fakta bahwa nilai e/m elektron selalu sama tidak peduli bahan katoda yang digunakan, menunjukkan bahwa elektron…
    • Berasal dari material anoda
    • Berasal dari gas residu dalam tabung
    • Berasal dari material katoda
    • Berasal dari medan magnet eksternal
    • Berasal dari proses ionisasi udara
    Jawaban: Berasal dari material katoda
    Penjelasan: Eksperimen Thomson menunjukkan bahwa rasio e/m sama untuk berbagai bahan katoda dan gas di dalam tabung, menunjukkan bahwa elektron adalah partikel universal.
11. Jika sinar katoda menumbuk target logam berat dengan kecepatan tinggi, dapat dihasilkan…
    • Menghasilkan sinar inframerah
    • Menghasilkan gelombang radio
    • Menghasilkan sinar X
    • Menghasilkan suara
    • Menghasilkan gelombang mikro
    Jawaban: Menghasilkan sinar X
    Penjelasan: Ketika elektron berkecepatan tinggi menumbuk target logam berat, sebagian energinya diubah menjadi sinar X.
12. Sinar katoda dapat dibelokkan oleh… yang menunjukkan bahwa mereka bermuatan.
    • Medan gravitasi
    • Medan listrik
    • Medan magnet
    • Gaya sentripetal
    • Gaya gesek
    Jawaban: Medan magnet
    Penjelasan: Gaya Lorentz (F = qvB) adalah gaya yang bekerja pada partikel bermuatan yang bergerak dalam medan magnet.
13. Nilai perbandingan muatan terhadap massa (e/m) suatu elektron…
    • Berbanding lurus dengan massa elektron
    • Tidak tergantung pada massa elektron
    • Berbanding terbalik dengan massa elektron
    • Berbanding lurus dengan kuadrat massa elektron
    • Berbanding terbalik dengan akar kuadrat massa elektron
    Jawaban: Berbanding terbalik dengan massa elektron
    Penjelasan: Rumus e/m menunjukkan bahwa nilai rasio muatan spesifik berbanding terbalik dengan massa elektron.
14. Peningkatan beda potensial antara katoda dan anoda pada tabung sinar katoda akan…
    • Mengurangi kecepatan elektron
    • Tidak berpengaruh pada kecepatan elektron
    • Mengubah arah gerak elektron tanpa mempercepat
    • Meningkatkan kecepatan elektron
    • Mengurangi massa elektron
    Jawaban: Meningkatkan kecepatan elektron
    Penjelasan: Peningkatan tegangan antara katoda dan anoda akan memberikan energi kinetik yang lebih besar pada elektron, sehingga mempercepatnya.
15. Perbedaan utama antara sinar katoda dan gelombang elektromagnetik seperti sinar X adalah bahwa sinar katoda merupakan…
    • Aliran partikel bermuatan positif
    • Gelombang elektromagnetik
    • Aliran partikel bermuatan negatif
    • Gelombang suara
    • Aliran netron
    Jawaban: Aliran partikel bermuatan negatif
    Penjelasan: Sinar katoda adalah aliran partikel bermuatan negatif (elektron), bukan gelombang elektromagnetik.
16. Ketika sinar katoda menumbuk layar yang dilapisi fosfor, yang terjadi adalah layar tersebut…
    • Memancarkan panas
    • Memancarkan suara
    • Memancarkan cahaya biru-hijau
    • Membentuk bayangan hitam
    • Memancarkan gelombang radio
    Jawaban: Memancarkan cahaya biru-hijau
    Penjelasan: Bahan fosfor pada layar CRT seringkali dirancang untuk berpendar dalam warna biru-hijau ketika ditumbuk oleh elektron.
17. Manakah pernyataan berikut yang benar mengenai arah gerak sinar katoda dalam tabung vakum?
    • Bergerak melengkung tanpa pengaruh medan
    • Bergerak melingkar mengikuti medan magnet
    • Bergerak lurus dari katoda ke anoda
    • Bergerak zig-zag
    • Bergerak hanya ketika ada cahaya
    Jawaban: Bergerak lurus dari katoda ke anoda
    Penjelasan: Salah satu sifat utama sinar katoda adalah bergerak dalam garis lurus dari katoda, yang dapat dibuktikan dengan bayangan objek.
18. Untuk menghasilkan sinar katoda, perangkat yang digunakan biasanya adalah…
    • Tabung berisi air
    • Tabung berisi udara
    • Tabung vakum
    • Tabung berisi gas hidrogen
    • Tabung berisi gas neon
    Jawaban: Tabung vakum
    Penjelasan: Sinar katoda dihasilkan dalam tabung vakum agar elektron dapat bergerak bebas tanpa bertumbukan dengan molekul gas lain terlalu sering.
19. Pada eksperimen Thomson, jika berkas sinar katoda tidak terdefleksi oleh medan listrik (E) dan medan magnet (B) yang saling tegak lurus, maka hubungan yang benar adalah…
    • eE = vB
    • eE = evB
    • eE > evB
    • eE < evB
    • E = vB
    Jawaban: eE = evB
    Penjelasan: Saat berkas sinar tidak terdefleksi, gaya listrik (eE) dan gaya magnet (evB) seimbang satu sama lain.
20. Fungsi utama anoda pada tabung sinar katoda adalah…
    • Untuk membelokkan elektron
    • Untuk memfokuskan elektron
    • Untuk memperlambat elektron
    • Untuk mempercepat elektron
    • Untuk menghasilkan elektron
    Jawaban: Untuk mempercepat elektron
    Penjelasan: Anoda diberi potensial positif tinggi untuk menarik dan mempercepat elektron yang dipancarkan dari katoda.

B. Isian Singkat

1. Apa yang dimaksud dengan sinar katoda?
   Jawaban: Sinar katoda adalah aliran partikel bermuatan negatif (elektron) yang dipancarkan dari katoda dalam tabung vakum ketika diberi tegangan tinggi.
2. Sebutkan tiga sifat utama dari sinar katoda.
   Jawaban: Tiga sifat sinar katoda adalah: (1) Bergerak lurus dari katoda, (2) Memiliki massa dan momentum (dapat memutar kincir ringan), (3) Dibelokkan oleh medan listrik dan medan magnet (menunjukkan muatan negatif).
3. Apa signifikansi utama dari eksperimen J.J. Thomson terhadap pemahaman kita tentang atom?
   Jawaban: Eksperimen Thomson sangat signifikan karena berhasil menentukan perbandingan muatan terhadap massa (e/m) elektron dan membuktikan keberadaan partikel subatomik bermuatan negatif yang disebut elektron, yang merupakan komponen universal dari materi.
4. Bagaimana sinar katoda dihasilkan dalam tabung vakum?
   Jawaban: Sinar katoda dihasilkan melalui emisi termionik, yaitu pelepasan elektron dari permukaan katoda yang dipanaskan. Elektron-elektron ini kemudian dipercepat oleh beda potensial tinggi menuju anoda dalam tabung vakum.
5. Sebutkan dua aplikasi teknologi yang memanfaatkan prinsip sinar katoda.
   Jawaban: Dua aplikasi sinar katoda adalah pada televisi dan monitor komputer model lama (menggunakan Cathode Ray Tube/CRT) dan pada osiloskop (untuk menampilkan bentuk gelombang sinyal listrik).

C. Uraian

1. Jelaskan secara rinci eksperimen J.J. Thomson untuk menentukan rasio muatan terhadap massa (e/m) elektron. Sertakan tujuan, prinsip kerja, dan kesimpulan utamanya.
   Pembahasan:
   Eksperimen Thomson bertujuan untuk menentukan perbandingan muatan terhadap massa (e/m) dari partikel penyusun sinar katoda. Thomson menggunakan tabung sinar katoda yang dimodifikasi dengan adanya medan listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus. Sinar katoda dilewatkan melalui daerah ini. Dengan menyesuaikan kekuatan medan listrik dan magnet sehingga berkas sinar katoda tidak terdefleksi, Thomson dapat menyimpulkan bahwa gaya listrik (qE) harus sama dengan gaya magnet (qvB). Dari sini, ia mendapatkan kecepatan partikel (v = E/B). Kemudian, dengan membiarkan sinar terdefleksi hanya oleh medan listrik, ia mengukur defleksi dan, menggunakan prinsip gerak proyektil dan energi kinetik, ia memperoleh perbandingan e/m. Kesimpulan utamanya adalah bahwa sinar katoda terdiri dari partikel bermuatan negatif yang sangat ringan, jauh lebih ringan dari atom hidrogen, yang kemudian disebut elektron.
2. Sebutkan dan jelaskan sifat-sifat utama dari sinar katoda. Bagaimana sifat-sifat ini membuktikan bahwa sinar katoda merupakan aliran partikel, bukan gelombang?
   Pembahasan:
   Sinar katoda adalah aliran partikel bermuatan negatif (elektron) yang dipancarkan dari katoda dalam tabung vakum saat diberi tegangan tinggi. Sifat-sifatnya yang utama meliputi:
   1. **Bergerak dalam Garis Lurus:** Mereka merambat lurus dari katoda ke anoda. Hal ini ditunjukkan oleh bayangan tajam yang terbentuk ketika suatu objek diletakkan di jalurnya.
   2. **Memiliki Energi Kinetik dan Momentum:** Karena tersusun dari partikel, mereka dapat memutar kincir ringan yang ditempatkan di jalurnya, menunjukkan bahwa mereka memiliki massa dan kecepatan.
   3. **Dibelokkan oleh Medan Listrik dan Medan Magnet:** Mereka dibelokkan menuju pelat positif dalam medan listrik dan sesuai dengan aturan tangan kanan/kiri Fleming dalam medan magnet, yang menunjukkan bahwa mereka bermuatan negatif.
   4. **Menyebabkan Fluoresensi:** Saat menumbuk dinding kaca tabung atau material tertentu (misalnya seng sulfida), mereka menyebabkan material tersebut berpendar.
   5. **Menghasilkan Sinar X:** Jika menumbuk target logam berat dengan kecepatan tinggi, mereka dapat menghasilkan sinar X.
   Sifat-sifat ini (terutama memiliki massa, momentum, dan dibelokkan oleh medan E/B) dengan jelas menunjukkan bahwa sinar katoda adalah aliran partikel, bukan gelombang seperti cahaya.
3. Deskripsikan struktur dan prinsip kerja Tabung Sinar Katoda (CRT). Sebutkan pula beberapa aplikasi penting dari teknologi ini.
   Pembahasan:
   Tabung Sinar Katoda (CRT) adalah perangkat vakum yang mengubah sinyal listrik menjadi gambar visual. Komponen utamanya meliputi:
   1. **Filamen Pemanas dan Katoda:** Filamen memanaskan katoda, menyebabkan emisi termionik (pelepasan elektron).
   2. **Anoda Pemercepat:** Serangkaian anoda dengan tegangan positif tinggi menarik dan mempercepat elektron yang dipancarkan dari katoda, membentuk berkas elektron.
   3. **Sistem Pemfokus:** Lensa elektrostatik atau elektromagnetik memfokuskan berkas elektron menjadi titik kecil yang tajam.
   4. **Pelat Pembelok (Defleksi):** Ada dua pasang pelat pembelok: satu vertikal dan satu horizontal. Dengan menerapkan tegangan yang bervariasi ke pelat ini, berkas elektron dapat dibelokkan secara horizontal dan vertikal, memungkinkan pemindaian seluruh permukaan layar.
   5. **Layar Fluoresen:** Permukaan bagian dalam layar dilapisi dengan bahan fosfor yang akan berpendar (memancarkan cahaya) ketika ditumbuk oleh elektron berenergi tinggi.
   **Prinsip Kerja:** Elektron dipancarkan dari katoda yang dipanaskan, dipercepat oleh anoda, dan difokuskan menjadi berkas. Berkas ini kemudian dibelokkan oleh medan listrik atau magnetik yang dihasilkan oleh pelat pembelok, sehingga dapat menyapu seluruh permukaan layar. Ketika elektron menumbuk lapisan fosfor di layar, energi kinetik elektron diubah menjadi energi cahaya, sehingga membentuk gambar. Penggunaan CRT sangat luas di masa lalu, terutama pada televisi dan monitor komputer, serta pada osiloskop untuk menampilkan bentuk gelombang sinyal listrik.
4. Bandingkan dan kontraskan antara sinar katoda dan sinar X, termasuk sifat dasar, muatan, massa, kecepatan, dan bagaimana keduanya merespons medan listrik dan magnet.
   Pembahasan:
   Sinar katoda adalah aliran elektron yang dipancarkan dari katoda dalam tabung vakum, bermuatan negatif, memiliki massa, dan bergerak dengan kecepatan yang lebih rendah dari kecepatan cahaya. Mereka dapat dibelokkan oleh medan listrik dan magnet.
   Sinar X adalah bentuk radiasi elektromagnetik berenergi tinggi, tidak bermuatan (netral), tidak memiliki massa diam, dan bergerak dengan kecepatan cahaya. Mereka tidak dibelokkan oleh medan listrik maupun magnet.
   Perbandingan:
   | Fitur | Sinar Katoda | Sinar X |
   |——————|—————————————-|—————————————–|
   | Sifat | Aliran partikel (elektron) | Gelombang elektromagnetik |
   | Muatan | Negatif | Netral (tidak bermuatan) |
   | Massa | Memiliki massa (massa elektron) | Tidak memiliki massa (foton) |
   | Kecepatan | Lebih rendah dari kecepatan cahaya | Kecepatan cahaya |
   | Pembelokan E/B | Dibelokkan | Tidak dibelokkan |
   | Asal | Emisi elektron dari katoda | Transisi elektron internal atom atau perlambatan elektron cepat saat menumbuk target logam berat (efek Bremsstrahlung).
5. Dari prinsip dasar eksperimen Thomson (percepatan elektron oleh beda potensial dan pembelokan oleh medan listrik dan magnet), turunkan rumus untuk perbandingan muatan terhadap massa (e/m) elektron.
   Pembahasan:
   Dalam eksperimen Thomson, elektron dipercepat melalui beda potensial V, sehingga energi kinetiknya adalah eV = 1/2 mv². Dari sini, v = √ (2eV/m).
   Kemudian, berkas elektron dilewatkan melalui daerah dengan medan listrik (E) dan medan magnet (B) yang saling tegak lurus. Gaya listrik (F_E = eE) dan gaya magnet (F_B = evB) bekerja pada elektron. Agar berkas tidak terdefleksi, gaya-gaya ini harus seimbang: eE = evB. Dari sini, kecepatan elektron adalah v = E/B.
   Menyamakan kedua ekspresi untuk v:
   √ (2eV/m) = E/B
   Mengkuadratkan kedua sisi:
   2eV/m = E²/B²
   Menata ulang untuk mendapatkan e/m:
   e/m = E² / (2VB²)
   Ini adalah rumus untuk perbandingan muatan terhadap massa (e/m) elektron berdasarkan eksperimen Thomson. Di mana E adalah kuat medan listrik, B adalah kuat medan magnet, dan V adalah beda potensial yang mempercepat elektron.

D. Menjodohkan