Ringkasan materi dan pembahasan soal UN fisika tentang usaha dan energi

RINGKASAN MATERI DAN PEMBAHASAN SOAL UN FISIKA SMA TENTANG USAHA DAN ENERGI

Ringkasan materi dan pembahasan soal-soal ujian nasional fisika sma tentang usaha dan energi ini meliputi hubungan usaha dengan energi, energi kinetik, energi potensial, hukum kekekalan energi mekanik. Bahasan ini dilengkapi dengan soal-soal latihan untuk mengukur tingkat pemahaman. Jadi pas buat menghadapi ujian nasional, ulangan harian atau ujian lainnya. Soal-soal yang dibahas adalah soal ujian nasional dari berbagai tahun agar bervariasi. Berikut ini adalah pembahasan soal-soalnya.

USAHA

Adalah hasil kali antara gaya searah perpindahan dengan besar perpindahannya.


Keterangan:
W = usaha (Joule).
F = gaya (N).
s = perpindahan (m).
θ = sudut gaya terhadap horizontal.

HUBUNGAN USAHA DENGAN ENERGI POTENSIAL

HUBUNGAN USAHA DENGAN ENERGI KINETIK

HUKUM KEKEKALAN ENERGI MEKANIK

Keterangan:

W = usaha (J).

Ep₂= energi potensial kedua (J).

Ep₁= energi potensial pertama (J).

Ek₂= energi kinetik kedua (J).

Ek₁= energi kinetik pertama (J).

v₂= kecepatan kedua (m/s).

v₁= kecepatan pertama (m/s).

m = massa (kg).

g = percepatan gravitasi (10 m/s²).

h₂= ketinggian kedua (m).

h₁= ketinggian pertama (m).

CONTOH SOAL DAN PEMBAHASAN USAHA DAN ENERGI

Nomor 1 (UN 2013)
Sebuah mobil bermassa 200 kg dari keadaan diam bergerak hingga mencapai kecepatan 10 m/s dan g = 10 m/s2. Besar usaha yang dilakukan mobil tersebut adalah...
A. 100 joule
B. 200 joule
C. 1000 joule
D. 10.000 joule
E. 20.000 joule

Pembahasan

EK = ½ m v₂² – ½ m v₁²

EK = ½ 200 . 10² – ½ 200 . 0²

EK = 10.000 joule - 0 joule = 10.000 joule
Jawaban: D

Nomor 2 (UN 2013)
Sebuah bola yang massanya 2 kg jatuh bebas dari posisi A seperti pada gambar.

Ketika sampai di B energi kinetik sama dengan 2 energi potensial, maka tinggi titik B dari tanah adalah...A. 80 m
B. 70 m
C. 60 m
D. 40 m
E. 30 m

Pembahasan:
Gunakan hukum kekekalan energi mekanik
EP1 + EK1 = EP2 + EK2
EP1 + EK1 = EP2 + 2 EP2
EP1 + EK1 = 3 EP2
2 kg . 10 m/s2 . 90 m + 1/2 . 2 kg . 0 = 3 . 2 kg. 10 m/s2 . H
1800 j + 0 = 60 kg.m/s2 . H
H = 1800 j / 60 kg.m/s2 = 30 m
Jawaban: E

Nomor 3 (UN 2012)
Pemain ski es meluncur dari ketinggian A seperti gambar berikut:

Jika kecepatan awal pemain ski nol dan percepatan gravitasi 10 m/s2, maka kecepatan pemain pada ketinggain B adalah...A. √2 m
B. 5 √2 m
C. 10 √2 m
D. 20 √2 m
E. 25 √2 m

Pembahasan:
Gunakan hukum kekekalan energi mekanik
EP1 + EK1 = EP2 + EK2

m g h₁ + ½ m v₁² = m g h₂+ ½ m v₂²

g h₁ + ½ v₁² = g h₂+ ½ v₂²
10 . 50 + 1/2 . 0 = 10 . 10 + 1/2 v₂²
500 = 100 + 1/2 v₂²
v2  = √800 = 20 √2 m/s
Jawaban: D

Nomor 4
Untuk menarik balok dengan posisi seperti gambar diperlukan gaya sebesar 22 N.

Dengan diberi gaya 33 Joule, balok bergeser 3 m ke kanan. Sudut θ pada gambar tersebut adalah....

A.  60⁰

B.  57⁰

C.  45⁰

D.  37⁰

E.   30⁰

Pembahasan
Untuk menentukan sudut θ gunakan persamaan usaha

W = F . s cos θ

33 J = 22 N . 3m cos θ

cos θ = 33J / 66 Nm = 1/2

θ = 60 derajat

Jawaban: A

Nomor 5

Sebuah mesin derek mengangkut sebuah mobil. Usaha yang dilakukan mesin derek sebesar 25.000 J. Tali penarik mobil membentuk sudut 45⁰ dan mesin derek berhasil memindahkan mobil sejauh 100 m. Gaya yang dilakukan mesin derek pada mobil sebesar...

A. 100 √2 N
B. 125 √2 N
C. 150 √2 N
D. 200 √2 N
E. 250 √2 N

Pembahasan

Untuk mencari gaya gunakan persamaan usaha

W = F . s cos θ

25.000 J = F . 100 m cos 45⁰ 

25.000 J = F . 50 √2 m

F = 25.000 J / 50 √2 m = 250 √2 N

Jawaban: E

Nomor 6

Sebuah benda bermassa 4 kg bergerak dengan kecepatan 8 m/s. Akibat gaya gesekan antara benda dengan lantai mengalami perlambatan 3 m/s2. Besar usaha untuk mengatasi gaya gesekan selama 3 sekon adalah...
A. 256 Joule
B. 240 Joule
C. 176 Joule
D. 128 Joule
E. 120 Joule

Pembahasan

Hitung terlebih dahulu besar perpindahan menggunakan persamaan glbb

s = vo t + 1/2 a . t² 

s = 8 . 3 + 1/2 . (-3) . 3² 

s = 24 - 13,5 = 10,5 m

Menghitung gaya W

W = F . s = m . a . s = 4 kg . -3 m/s2 . 10,5 m = 126 J

Jawaban: -

Nomor 7

Seorang pekerja menarik ember berisi air yang bermassa 5 kg yang diikat dengan tali, dari ketinggian 5 meter sampai pada ketinggian 20 m. Jika percepatan gravitasi 10 m/s2, usaha yang harus dilakukan adalah...
A. 1750 J
B. 1500 J
C. 1000 J
D. 750 J
E. 250 J

Pembahasan

Gunakan hubungan usaha dengan energi potensial

W = mgh2 - mgh1 = mg (h2 - h1) = 5 kg . 10 m/s2 (20 m - 5 m)

W = 750 J

Jawaban: D

Nomor 8

Odi mengendarai mobil bermassa 4.000 kg di jalan lurus dengan kecepatan 25 m.s⁻¹. Karena melihat kemacetan dari jauh dia mengerem mobil sehingga kecepatan mobilnya berkurang secara teratur menjadi 15 m.s⁻¹. Usaha oleh gaya pengereman adalah....

A.  200 kJ

B.   300 kJ

C.   400 kJ

D.   700 kJ

E.     800 kJ

Pembahasan

Gunakan hubungan usaha dengan energi kinetik

W = ½ m . v₂² – ½ m v₁²

W = 1/2 m (v₂² – v₁²)

W = 1/2 . 4.000 (25² – 15²) N

W = 2.000 kg (625 - 225) N

W = 800.000 J = 800 kJ

Jawaban: E

Nomor 9

Sebuah bola bermassa 0,1 kg dilempar mendatar dengan kecepatan 6 m/s dari atap gedung yang tingginya 5 m. Jika percepatan gravitasi 10 m/s², maka energi kinetik bola pada ketinggian 2 m adalah...

A.  6,8 Joule

B.   4,8 Joule

C.   3,8 Joule

D.   3 Joule

E.    2 Joule

Pembahasan
Gunakan hukum kekekalan energi mekanik

m . g . h + ½ m . v²= m . g . h + Ek_B

0,1 . 10 . 5 + ½ 5 . 0²= 0,1 . 10 . 2 + Ek_B

5 = 2 + Ek_B

Ek_B = 5 - 2 = 3 J

Jawaban: D

Nomor 10

Sebuah benda bermassa 1 kg dilempar keatas dengan kecepatan awal 40 m/s. Besarnya energi kinetik saat ketinggian benda mencapai 20 m adalah...
A. 300 J
B. 400 J
C. 500 J
D. 600 J
E. 700 J

Pembahasan

Gunakan hukum kekekalan energi mekanik

m . g . h + ½ m . v² = m . g . h + Ek_B

1 . 10 . 0 + ½ 1 . 40² = 1 . 10 . 20 + Ek_B

800 = 200 + Ek_B

Ek_B = 800 - 200 = 600 J

Jawaban: D

Nomor 11

Dua buah benda A dan B yang keduanya bermassa m  jatuh bebas dari ketinggian hmeter dan 2h meter. Jika A menyentuh tanah dengan kecepatan v, benda B akan menyentuh tanah dengan energi kinetik sebesar...

A.       ½ mv²

B.       mv²

C.       ¼ mv²

D.       ¾ mv²

E.        ³/₂ mv²

Pembahasan
Hitung terlebih dahulu h dengan menggunakan hukum kekekalan energi mekanik

m . g . h + ½ m . v² = m . g . h + ½ m . v²

m . g . h + ½ m . 0² = 1 . 10 . 0 + ½ m . v²mgh = ½ m . v²

h = ½ v² /g

Menghitung energi kinetik benda B

mgh = ½ m . v²

Ek = mgh = mg 2h = mg (2 ½ v² /g) = mv²

Jawaban: B

Nomor 12

Sebuah benda bermassa 0,5 kg digantung dengan benang (massa benang diabaikan) dan diayunkan hingga ketinggian 20 cm dari posisi awal (lihat gambar).

Bila g = 10 m/s², kecepatan benda dititik A adalah...

A.       4 m/s

B.       2 m/s

C.       0.2 m/s

D.       0,04 m/s

E.        0,02 m/s

Pembahasan

Untuk menghitung kecepatan di A gunakan hukum kekekalan energi mekanik

m . g . h + ½ m . v² = m . g . h + ½ m . v² (m dicoret karena sama)

g . h + ½ v² = g . h + ½ v²

10 . 0,2 + 1/2 0² = 10 . 0 + ½ v²

2 + 0 = 0 + ½ v²

½ v² = 2

v² = 2 . 2 = 4

v = 2 m/s

Jawaban: B

Nomor 13
Sebuah balok bermassa m kg dilepaskan dari puncak bidang miring yang licin seperti gambar.

Perbandingan energi potensial dan energi kinetik balok ketika berada dititik M adalah....
A. Ep : Ek = 1 : 3
B. Ep : Ek = 1 : 2
C. Ep : Ek = 2 : 1
D. Ep : Ek = 2 : 3
E. Ep : Ek = 3 : 2

Pembahasan

Terlebih dahulu tentukan energi potensial di M

EPm = mgh = m g 1/3h = 1/3 m g h

Menghitung EK dengan menggunakan hukum kekekalan energi mekanik

m . g . h + ½ m . v² = m . g . h + Ekm

m . g . h + ½ m . 0² = m . g . 1/3h + Ekm

Ekm = m g h - 1/3 m g h = 2/3 m g h

Jadi

EPm : Ekm = 1/3m g h : 2/3 m g h = 1 : 2

Jawaban: B

Soal latihan usaha dan energi

Nomor 1
Jika gaya interaksi satelit dengan bumi pada orbit lingkaran adalah 10.000 N maka besarnya usaha yang dilakukan bumi terhadap satelit adalah....
A. 10.000 J
B. 5.000 J
C. 2.500 J
D. 1.250 J
E. 0

Nomor 2
Sebuah peluru ditembakkan dengan kecepatan awal 40 m/s dan sudut elevasi 37 derajat (tan 37 = 3/4). Jika massa peluru 0,01 kg maka usaha oleh gaya gravitasi pada peluru sejak ditembakkan sampai jatuh ke tanah sebesar ...(g = 9,8 m/s2).
A. 100 J
B. 40 J
C. 20 J
D. 10 J
E. 0 J

Nomor 3
Sebuah pesawat terbang bergerak dengan energi kinetik T. Jika kemudian kecepatannya manjadi dua kali semula, maka energi kinetiknya menjadi...
A. 1/2 T
B. T
C. 2T
D. 4T
E. 16 T

Nomor 4
Sebuah batu besar berada pada jarak 25 m di depan sebuah kendaraan bermassa 500 kg yang sedang bergerak dengan kecepatan 10 m/s. Agar tepat berhenti sebelum mengenai batu, maka kendaraan tersebut harus direm dengan gaya sebesar...
A. 250 N
B. 500 N
C. 1000 N
D. 2000 N
E. 4000 N

Nomor 5
Sebuah bola sepak yang massanya 0,5 kg bergerak dengan kelajuan 2 m/s. Pemain sepak bola menendang searah gerakan bola dengan gaya 50 N. Menempuh jarak berapakah sentuhan kaki pemain agar kelajuan bola menjadi 4 m/s?
A. 0,02 m
B. 0,03 m
C. 0,04 m
D. 0,06 m
E. 0,05 m

Nomor 6
Benda A memiliki massa 4 kg dan kelajuannya 2 m/s. Benda B memiliki massa 2 kg dan kelajuan 4 m/s. Kedua benda bergerak pada arah yang sama. Masing-masing benda kemudian menerima gaya sebesar F yang arahnya berlawanan dengan arah gerak kedua benda sampai masing-masing benda berhenti. Pernyataan dibawah ini yang benar adalah...
A. kedua benda menempuh jarak yang sama.
B. benda A menempuh jarak 2 kali lebih jauh dari benda B
C. benda B menempuh jarak 2 kali lebih jauh dari bendaA
D. benda A menempuh jarak 4 kali lebih jauh dari benda B
E. benda B menempuh jarak 4 kali lebih jauh dari benda A 

Nomor 7
Sebuah balok bermassa 3 kg bergerak ke atas pada bidang miring yang sudut kemiringannya 60 derajat, dengan energi kinetik awal 18 J. Jika koefisien gesekan 0,3 maka jarak terjauh yang dicapai balok saat meluncur pada bidang miring adalah...
A. 1 m
B. 0,8 m
C. 0,6 m
D. 0,4 m
E. 0,2 m

Nomor 8
Sebuah benda meluncur pada permukaan datar dengan kecepatan v = 4 m/s dan kemudian benda naik pada bidang miring dengan kemiringan 30 derajat. Bila tidak ada gesekan antara benda dan bidang datar, maka panjang lintasan benda pada bidang miring adalah...
A. 40 cm
B. 60 cm
C. 80 cm
D. 120 cm
E. 160 cm

Pembahasan soal usaha dan energi video youtube

.
Topik: #energi #Materi ujian nasional fisika #usaha