Selamat datang di kumpulan latihan soal Fisika Modern yang komprehensif! Fisika Modern adalah cabang fisika yang mempelajari fenomena pada skala atomik dan subatomik, serta pada kecepatan mendekati cahaya. Materi ini mencakup Teori Relativitas Einstein, Fisika Kuantum yang membahas dualisme gelombang-partikel, efek fotolistrik, model atom Bohr, hingga Fisika Inti yang mendalami struktur inti atom, radioaktivitas, defek massa, dan energi ikat inti. Memahami konsep-konsep ini sangat penting untuk menjelaskan berbagai fenomena alam yang tidak dapat dijelaskan oleh Fisika Klasik. Latihan soal ini dirancang untuk menguji pemahaman Anda terhadap konsep-konsep kunci dalam Fisika Modern, membantu Anda mempersiapkan diri untuk ujian, atau sekadar memperdalam pengetahuan. Mari kita taklukkan tantangan Fisika Modern bersama!
Contoh Soal soal fisika materi fisika modern
A. Pilihan Ganda
1. Salah satu postulat Einstein dalam Teori Relativitas Khusus menyatakan bahwa kecepatan cahaya di ruang hampa adalah…
- A. Berbeda untuk setiap pengamat tergantung kecepatan relatifnya.
- B. Sama untuk semua pengamat, yaitu 3 × 10⁸ m/s.
- C. Berbanding lurus dengan frekuensi cahaya.
- D. Berbanding terbalik dengan panjang gelombang cahaya.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Postulat kedua Einstein menyatakan bahwa kecepatan cahaya di ruang hampa adalah sama untuk semua pengamat, tidak peduli kecepatan relatif sumber cahaya atau pengamat.
2. Sebuah pesawat antariksa bergerak dengan kecepatan 0,8c relatif terhadap Bumi. Jika sebuah peristiwa di dalam pesawat berlangsung selama 10 detik menurut pengamat di pesawat, berapa lama peristiwa tersebut akan terukur oleh pengamat di Bumi?
- A. 6 s
- B. 8 s
- C. 12,5 s
- D. 16,67 s
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Menggunakan rumus dilatasi waktu: Δt = Δt₀ / √(1 – v²/c²). Dengan v = 0,8c dan Δt₀ = 10 s. Δt = 10 / √(1 – (0,8c)²/c²) = 10 / √(1 – 0,64) = 10 / √0,36 = 10 / 0,6 = 16,67 s.
3. Sebuah tongkat memiliki panjang 10 meter saat diam. Jika tongkat tersebut bergerak dengan kecepatan 0,6c sejajar dengan panjangnya, berapa panjang tongkat yang terukur oleh pengamat yang diam?
- A. 6 m
- B. 7 m
- C. 8 m
- D. 12,5 m
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Menggunakan rumus kontraksi panjang: L = L₀ √(1 – v²/c²). Dengan L₀ = 10 m dan v = 0,6c. L = 10 √(1 – (0,6c)²/c²) = 10 √(1 – 0,36) = 10 √0,64 = 10 × 0,8 = 8 m.
4. Hubungan antara massa dan energi yang terkenal dalam teori relativitas adalah E = mc². Simbol ‘c’ dalam rumus tersebut melambangkan…
- A. Kecepatan cahaya
- B. Konstanta Planck
- C. Kecepatan partikel
- D. Energi kinetik
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Dalam rumus E = mc², ‘c’ melambangkan kecepatan cahaya di ruang hampa.
5. Menurut teori kuantum Planck, energi foton berbanding lurus dengan…
- A. Frekuensinya
- B. Panjang gelombangnya
- C. Intensitasnya
- D. Amplitudonya
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Energi foton (E) dirumuskan sebagai E = hf, di mana h adalah konstanta Planck dan f adalah frekuensi. Jadi, energi foton berbanding lurus dengan frekuensinya.
6. Fungsi kerja (energi ambang) suatu logam adalah 3 eV. Jika logam tersebut disinari foton dengan energi 5 eV, berapa energi kinetik maksimum elektron yang terlepas?
- A. 1 eV
- B. 2 eV
- C. 3 eV
- D. 8 eV
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Energi kinetik maksimum elektron (EK) dihitung dengan rumus EK = E_foton – W, di mana E_foton adalah energi foton dan W adalah fungsi kerja. EK = 5 eV – 3 eV = 2 eV.
7. Panjang gelombang ambang sebuah permukaan logam adalah 600 nm. Jika permukaan logam tersebut disinari cahaya dengan panjang gelombang 400 nm, apa yang akan terjadi?
- A. Terjadi efek fotolistrik dan elektron terlepas.
- B. Tidak terjadi efek fotolistrik karena panjang gelombang terlalu pendek.
- C. Terjadi efek fotolistrik tetapi elektron tidak terlepas.
- D. Terjadi efek fotolistrik hanya jika intensitas cahaya sangat tinggi.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Efek fotolistrik terjadi jika energi foton (yang berbanding terbalik dengan panjang gelombang) lebih besar dari fungsi kerja. Karena panjang gelombang cahaya yang datang (400 nm) lebih kecil dari panjang gelombang ambang (600 nm), maka energi foton lebih besar dari fungsi kerja, sehingga elektron akan terlepas.
8. Menurut hipotesis de Broglie, panjang gelombang suatu partikel (λ) yang bergerak dengan momentum (p) dirumuskan sebagai λ = h/p. Ini menunjukkan bahwa panjang gelombang partikel berbanding…
- A. Lurus dengan momentumnya.
- B. Lurus dengan kuadrat momentumnya.
- C. Terbalik dengan kuadrat momentumnya.
- D. Terbalik dengan momentumnya.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Dari rumus λ = h/p, terlihat bahwa panjang gelombang partikel berbanding terbalik dengan momentumnya.
9. Dalam efek Compton, ketika foton bertumbukan dengan elektron bebas, panjang gelombang foton setelah tumbukan akan…
- A. Tetap sama.
- B. Berkurang.
- C. Bertambah panjang.
- D. Menjadi nol.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Pada efek Compton, sebagian energi foton diberikan kepada elektron, sehingga energi foton berkurang. Karena E = hc/λ, penurunan energi berarti peningkatan panjang gelombang.
10. Hukum Stefan-Boltzmann menyatakan bahwa intensitas radiasi total yang dipancarkan oleh benda hitam ideal adalah sebanding dengan…
- A. Pangkat empat suhu mutlaknya.
- B. Pangkat dua suhu mutlaknya.
- C. Suhu mutlaknya.
- D. Akar kuadrat suhu mutlaknya.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Hukum Stefan-Boltzmann menyatakan I = σT⁴, di mana I adalah intensitas radiasi dan T adalah suhu mutlak. Jadi, intensitas sebanding dengan pangkat empat suhu mutlaknya.
11. Menurut model atom Bohr, tingkat energi terendah (keadaan dasar) untuk atom hidrogen adalah…
- A. -13,6 eV
- B. -3,4 eV
- C. 0 eV
- D. 13,6 eV
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Tingkat energi untuk atom hidrogen diberikan oleh E_n = -13,6/n² eV. Untuk keadaan dasar (n=1), E₁ = -13,6/1² = -13,6 eV.
12. Ketika sebuah elektron dalam atom hidrogen berpindah dari tingkat energi yang lebih tinggi (misalnya n=3) ke tingkat energi yang lebih rendah (misalnya n=1), atom akan…
- A. Memancarkan foton.
- B. Menyerap foton.
- C. Menjadi terionisasi.
- D. Mengalami kontraksi panjang.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Transisi dari tingkat energi tinggi ke rendah menyebabkan atom memancarkan foton dengan energi yang sama dengan perbedaan energi antara kedua tingkat tersebut.
13. Deret spektrum Lyman pada atom hidrogen dihasilkan dari transisi elektron ke kulit…
- A. n=1
- B. n=2
- C. n=3
- D. n=4
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Deret Lyman terjadi ketika elektron bertransisi dari tingkat energi yang lebih tinggi (n > 1) ke tingkat energi pertama (n=1).
14. Partikel penyusun inti atom yang terdiri dari proton dan neutron secara kolektif disebut…
- A. Elektron
- B. Positron
- C. Nukleon
- D. Meson
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Proton dan neutron yang berada di dalam inti atom secara kolektif disebut nukleon.
15. Perbedaan antara massa inti atom yang terukur dengan total massa partikel penyusunnya (proton dan neutron) secara terpisah disebut…
- A. Defek massa
- B. Energi ikat
- C. Massa relativistik
- D. Massa ambang
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Defek massa adalah perbedaan antara massa inti atom yang sebenarnya dengan jumlah total massa proton dan neutron penyusunnya.
16. Energi yang diperlukan untuk memisahkan inti atom menjadi nukleon-nukleon penyusunnya disebut…
- A. Energi kinetik
- B. Energi ikat inti
- C. Energi ambang
- D. Energi ionisasi
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Energi ikat inti adalah energi yang setara dengan defek massa, yang diperlukan untuk memecah inti menjadi proton dan neutron penyusunnya.
17. Pada peluruhan alfa, inti radioaktif memancarkan partikel alfa. Partikel alfa ini identik dengan inti atom…
- A. Helium
- B. Hidrogen
- C. Elektron
- D. Neutron
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Partikel alfa adalah inti helium-4, yang terdiri dari 2 proton dan 2 neutron.
18. Suatu sampel zat radioaktif memiliki waktu paruh 2 jam. Jika massa awal sampel adalah 100 gram, berapa massa sampel yang tersisa setelah 4 jam?
- A. 50 gram
- B. 25 gram
- C. 12,5 gram
- D. 6,25 gram
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Setelah 1 waktu paruh (2 jam), massa tersisa = 100 g / 2 = 50 g. Setelah 2 waktu paruh (4 jam), massa tersisa = 50 g / 2 = 25 g.
19. Reaksi inti di mana sebuah inti berat terpecah menjadi dua atau lebih inti yang lebih ringan, disertai pelepasan energi besar, disebut reaksi…
- A. Fisi
- B. Fusi
- C. Peluruhan alfa
- D. Peluruhan beta
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Reaksi fisi adalah proses pembelahan inti berat menjadi inti-inti yang lebih ringan.
20. Reaksi inti di mana dua inti ringan bergabung membentuk inti yang lebih berat, disertai pelepasan energi yang sangat besar, disebut reaksi…
- A. Fisi
- B. Fusi
- C. Peluruhan gamma
- D. Transmutasi
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Reaksi fusi adalah proses penggabungan inti-inti ringan menjadi inti yang lebih berat.
B. Isian Singkat
1. Kecepatan cahaya dalam ruang hampa adalah sebesar ____ m/s.
Jawaban: 3 × 10⁸
2. Rumus energi kinetik relativistik adalah EK = γm₀c² – ____.
Jawaban: m₀c²
3. Konstanta Planck (h) memiliki nilai sekitar ____ J.s.
Jawaban: 6,63 × 10⁻³⁴
4. Inti atom tersusun atas partikel ____ dan ____.
Jawaban: proton, neutron
5. Jika suatu unsur radioaktif meluruh dan waktu paruhnya adalah T, maka setelah 3T, massa unsur yang tersisa adalah ____ dari massa awal.
Jawaban: 1/8
C. Menjodohkan
1. Jodohkan ilmuwan berikut dengan konsep atau penemuan utama mereka dalam Fisika Modern!
| Premis | Respon |
|---|---|
| Albert Einstein | Efek Fotolistrik |
| Max Planck | Kuantisasi Energi |
| Louis de Broglie | Dualisme Gelombang-Partikel |
| Niels Bohr | Model Atom Hidrogen |
| Werner Heisenberg | Prinsip Ketidakpastian |
2. Jodohkan konsep-konsep Fisika Modern berikut dengan definisi atau rumus yang tepat!
| Premis | Respon |
|---|---|
| Dilatasi Waktu | Peristiwa melambatnya waktu bagi objek yang bergerak mendekati kecepatan cahaya. |
| Panjang Gelombang de Broglie | λ = h/p |
| Fungsi Kerja | Energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari permukaan logam. |
| Waktu Paruh | Waktu yang dibutuhkan agar setengah dari inti atom radioaktif meluruh. |
| E = mc² | Hubungan kesetaraan massa dan energi. |
D. Uraian
1. Jelaskan dua postulat Einstein dalam Teori Relativitas Khusus dan berikan contoh implikasi dari masing-masing postulat tersebut!
Dua postulat Einstein adalah:
1. Hukum-hukum fisika memiliki bentuk yang sama dalam semua kerangka acuan inersia. Implikasinya, tidak ada kerangka acuan inersia yang mutlak atau istimewa. Contoh: Eksperimen fisika yang dilakukan di kereta yang bergerak dengan kecepatan konstan akan memberikan hasil yang sama dengan eksperimen yang dilakukan di stasiun.
2. Kecepatan cahaya di ruang hampa adalah sama untuk semua pengamat, tidak peduli kecepatan relatif sumber cahaya atau pengamat. Implikasinya, kecepatan cahaya (c) adalah batas kecepatan tertinggi di alam semesta. Contoh: Baik Anda bergerak mendekati sumber cahaya atau menjauhinya, Anda akan selalu mengukur kecepatan cahaya sebesar ‘c’.
2. Jelaskan fenomena efek fotolistrik dan mengapa teori gelombang klasik gagal menjelaskannya. Bagaimana Einstein berhasil menjelaskan efek ini?
Efek fotolistrik adalah fenomena terlepasnya elektron dari permukaan logam ketika disinari cahaya dengan frekuensi tertentu. Teori gelombang klasik gagal menjelaskannya karena:
1. Tidak dapat menjelaskan adanya frekuensi ambang: Menurut klasik, elektron harus lepas jika intensitas cahaya cukup tinggi, terlepas dari frekuensinya. Namun, efek fotolistrik hanya terjadi jika frekuensi cahaya di atas nilai ambang tertentu.
2. Ketergantungan energi kinetik pada frekuensi, bukan intensitas: Klasik memprediksi energi kinetik elektron harus bergantung pada intensitas cahaya. Faktanya, energi kinetik maksimum elektron bergantung pada frekuensi cahaya, sedangkan intensitas hanya mempengaruhi jumlah elektron yang terlepas.
3. Waktu tunda: Klasik memprediksi adanya waktu tunda untuk akumulasi energi agar elektron lepas. Faktanya, elektron lepas hampir seketika jika frekuensi cahaya di atas ambang.
Einstein menjelaskan efek fotolistrik dengan mengemukakan bahwa cahaya terdiri dari partikel-partikel energi diskrit yang disebut foton. Energi setiap foton adalah E = hf. Elektron akan terlepas jika energi foton (hf) lebih besar dari fungsi kerja (W) logam. Energi sisa akan menjadi energi kinetik maksimum elektron (EK_maks = hf – W). Penjelasan ini berhasil mengatasi semua kegagalan teori klasik.
3. Bagaimana model atom Bohr menjelaskan kestabilan atom hidrogen dan spektrum garisnya? Sebutkan kelemahan utama model Bohr!
Model atom Bohr menjelaskan kestabilan atom hidrogen dengan dua postulat:
1. Elektron bergerak mengelilingi inti dalam orbit-orbit stasioner tanpa memancarkan energi. Hanya orbit-orbit tertentu yang diizinkan, di mana momentum sudut elektron adalah kelipatan bulat dari h/2π.
2. Atom hanya memancarkan atau menyerap energi ketika elektron berpindah dari satu orbit stasioner ke orbit stasioner lainnya. Energi foton yang dipancarkan atau diserap sama dengan perbedaan energi antara kedua orbit tersebut (ΔE = hf).
Spektrum garis atom hidrogen dijelaskan oleh transisi elektron antar tingkat energi yang diskrit ini. Setiap transisi menghasilkan foton dengan energi dan frekuensi spesifik, yang sesuai dengan garis-garis spektrum yang teramati.
Kelemahan utama model Bohr meliputi:
1. Hanya berhasil menjelaskan spektrum atom hidrogen atau atom mirip hidrogen (ion dengan satu elektron), tetapi gagal untuk atom yang lebih kompleks.
2. Tidak dapat menjelaskan intensitas garis spektrum yang berbeda.
3. Tidak dapat menjelaskan efek Zeeman (pemisahan garis spektrum ketika atom berada dalam medan magnet eksternal).
4. Jelaskan konsep defek massa dan energi ikat inti. Bagaimana keduanya berhubungan dan mengapa penting dalam fisika inti?
Defek massa adalah perbedaan antara massa total nukleon (proton dan neutron) penyusun sebuah inti atom jika mereka berada secara terpisah, dengan massa inti atom yang sebenarnya terukur. Massa inti atom yang terukur selalu lebih kecil dari jumlah massa penyusunnya.
Energi ikat inti adalah energi yang setara dengan defek massa tersebut. Ini adalah energi yang dilepaskan ketika nukleon-nukleon bergabung membentuk inti, atau energi minimum yang diperlukan untuk memecah inti atom menjadi nukleon-nukleon penyusunnya.
Hubungan keduanya dijelaskan oleh persamaan massa-energi Einstein, E = mc², di mana E adalah energi ikat inti, m adalah defek massa, dan c adalah kecepatan cahaya. Defek massa ‘massa yang hilang’ diubah menjadi energi ikat yang menahan nukleon-nukleon dalam inti.
Keduanya penting dalam fisika inti karena:
1. Menjelaskan kestabilan inti: Semakin besar energi ikat per nukleon, semakin stabil inti tersebut.
2. Dasar untuk reaksi inti: Pelepasan energi dalam reaksi fisi dan fusi berasal dari perbedaan energi ikat inti antara reaktan dan produk. Inti dengan energi ikat per nukleon yang lebih tinggi lebih stabil, dan proses yang menghasilkan inti yang lebih stabil akan melepaskan energi.
5. Sebuah sampel radioaktif memiliki waktu paruh 10 hari. Jika massa awal sampel adalah 160 gram, hitunglah massa sampel yang tersisa setelah 30 hari!
Diketahui:
Waktu paruh (T½) = 10 hari
Massa awal (N₀) = 160 gram
Waktu peluruhan (t) = 30 hari
Langkah-langkah:
1. Hitung jumlah waktu paruh (n): n = t / T½ = 30 hari / 10 hari = 3.
2. Gunakan rumus massa sisa: N = N₀ × (1/2)ⁿ
N = 160 gram × (1/2)³
N = 160 gram × (1/8)
N = 20 gram.
Jadi, massa sampel yang tersisa setelah 30 hari adalah 20 gram.
