Deteksi Kemampuan Awal TKA Fisika: Soal Nomor 29 - 31

Soal Fisika Interaktif 29-31

Informasi Umum

Sebuah tim peneliti merancang balon udara tanpa awak untuk mengukur efisiensi panel surya di ketinggian berbeda. Balon menggunakan gas helium dan dilengkapi sensor suhu, tekanan, dan volume. Balon bersifat tertutup sehingga jumlah gas helium tetap. Perubahan tekanan dan suhu terjadi akibat perubahan ketinggian, tetapi volume dan tekanan tetap dapat diukur.

Data Pengukuran

Titik	Tekanan (atm)	Volume (L)	Suhu (K)
P	1,00	2,0	300
Q	0,50	4,0	300
R	0,25	4,0	150
S	0,50	2,0	150

29. Tentukan Setuju atau Tidak Setuju untuk setiap pernyataan berikut (gunakan model inkuiri terbimbing):

Pertanyaan pemandu: Coba pikirkan hubungan antara tekanan, volume, dan suhu menurut hukum gas ideal. Apakah perubahan data sesuai Hukum Boyle, Gay-Lussac, atau hubungan umum PV/T?

Pernyataan	Setuju	Tidak Setuju
Berdasarkan data titik P dan Q, tekanan gas sebanding dengan volume saat suhu konstan (Hukum Boyle).
Titik Q dan R: ketika suhu gas menurun pada volume tetap, tekanannya juga menurun (Hukum Gay-Lussac).
P dan R: tekanan gas berbanding lurus dengan hasil kali volume dan suhu.

Panduan berpikir inkuiri:

1. P–Q: Volume meningkat dari 2,0 → 4,0 L, tekanan turun 1,00 → 0,50 atm, suhu tetap 300 K. Menurut Hukum Boyle (P ∝ 1/V), data sesuai → Setuju.
2. Q–R: Volume tetap 4,0 L, suhu turun 300 → 150 K, tekanan turun 0,50 → 0,25 atm. Sesuai Hukum Gay-Lussac (P ∝ T pada V konstan) → Setuju.
3. P–R: Periksa PV/T. P: (1,00*2,0)/300=0,0067, R: (0,25*4,0)/150=0,0067. Konstan → Setuju.

30. Jika gas helium mengalami proses Q–R, pernyataan yang benar ditunjukkan oleh angka:

Pertanyaan pemandu: Apakah volume berubah selama Q–R? Apakah gas melakukan usaha? Bagaimana energi dalam gas berubah ketika volume tetap?

1. Perubahan energi dalam sebesar nol.
2. Volumenya tetap.
3. Kenaikan suhu gas sebanding dengan perubahan energi dalam.
4. Panas yang diberikan digunakan untuk menaikkan energi dalam.
5. Kalor digunakan seluruhnya untuk melakukan usaha luar.

• A. 1), 2), dan 3)
• B. 1), 2), dan 4)
• C. 1), 3), dan 5)
• D. 2), 3), dan 4)
• E. 2), 4), dan 5)

Panduan berpikir inkuiri:

• Proses Q–R: volume tetap → isokhorik.
• Usaha luar W = PΔV = 0 → seluruh kalor masuk menjadi energi dalam.
• Perubahan energi dalam sebanding dengan kenaikan suhu.
• Pernyataan 2, 3, dan 4 → jawaban D.

31. Jika proses P–Q–R–S–P membentuk siklus tertutup, pernyataan yang benar (lebih dari satu):

Pertanyaan pemandu: Hitung usaha tiap proses dan perubahan energi dalam. Gunakan prinsip: Usaha positif saat gas mengembang, energi dalam berubah pada pemanasan atau pendinginan volume tetap.

• P–Q: Usaha +140 J
• Q–R: Energi dalam bertambah 151,5 J
• R–S: Usaha +70 J karena kompresi isotermal
• Usaha total siklus +210 J
• S–P: Pemanasan isokhorik, energi dalam bertambah 151,5 J

Panduan berpikir inkuiri:

• P–Q: Proses isothermal, gas mengembang, W = +140 J → benar
• Q–R: Isokhorik, ΔU = Q = +151,5 J → benar
• R–S: Kompresi isotermal, W = +70 J → benar
• Usaha total siklus = 140 + 70 = +210 J → benar
• S–P: Pemanasan isokhorik, ΔU = +151,5 J → benar

Deteksi Kemampuan Awal TKA Fisika: Soal Nomor 27-28

 

Soal Intensitas Bunyi

Saat konser musik berlangsung di sebuah studio, suara yang dihasilkan terdengar cukup keras.
Di luar studio, panitia khawatir dengan tingkat kebisingan.
Peraturan daerah menetapkan bahwa tingkat kebisingan untuk kegiatan lebih dari 4 jam tidak boleh melebihi 85 dB.
Panitia mengukur intensitas bunyi rata-rata grup musik adalah \( I = 10^{-4} \, \mathrm{W/m^2} \).

27. Sifat gelombang bunyi yang menjelaskan alasan kekhawatiran panitia adalah:

• Bunyi dari konser bisa terdengar hingga jauh karena merambat melalui udara.
• Bunyi tidak menyebar ke segala arah sehingga tidak akan memengaruhi area di luar studio.
• Bunyi akan terpental dan menyebabkan gema.
• Bunyi tidak bisa merambat di ruang kedap suara.
• Bunyi dengan frekuensi tinggi lebih keras.

Gelombang bunyi merambat melalui udara, sehingga suara konser terdengar di luar studio, menjelaskan kekhawatiran panitia.

28. Tentukan Benar/Salah untuk setiap kesimpulan:

Kesimpulan	✔	✖
Tingkat intensitas bunyi grup musik di studio adalah 80 dB.
Tingkat kebisingan grup musik telah melampaui batas aman 85 dB.
Untuk mematuhi peraturan, grup musik harus mengurangi intensitas hingga \( I_\text{max} = 10^{-4.5} \, \text{W/m²} \).

• Tingkat intensitas bunyi \( I = 10^{-4} \, \text{W/m²} \) → 80 dB → Salah karena 80 dB < 85 dB.
• Tingkat kebisingan 80 dB < 85 dB → Salah.
• Untuk mematuhi batas 85 dB (\( I_\text{max} \approx 10^{-4.5} \, \text{W/m²} \)) → Benar.

Deteksi Kemampuan Awal TKA Fisika: Soal Nomor 26 Intensitas Bunyi

 

Soal Intensitas Bunyi

Sebuah tim peneliti lingkungan mengamati tingkat kebisingan di berbagai titik di sekitar kawasan industri dan perumahan warga. Mereka mencatat bahwa di dekat area pabrik logam, intensitas bunyi mencapai 10^-2 W/m². Sementara di dekat taman bermain anak-anak, intensitasnya sekitar 10^-6 W/m². Jarak pengamatan intensitas bunyi 10 meter dari pabrik logam dan 5 meter dari taman bermain. Diketahui bahwa saat itu terdapat 200 mesin yang sedang dioperasikan.

Berdasarkan informasi tersebut, manakah pernyataan berikut yang benar terkait sumber dan intensitas bunyi? Jawaban benar lebih dari satu.

• Tingkat kebisingan di dekat area pabrik logam adalah 100 dB. ✓ Benar✗ Salah
• Perbedaan tingkat intensitas bunyi antara area pabrik logam dan taman bermain anak-anak adalah 60 dB. ✓ Benar✗ Salah
• Tingkat intensitas bunyi pabrik logam ketika 20 mesin dijalankan sebesar 90 dB. ✓ Benar✗ Salah
• Intensitas bunyi di dekat pabrik logam lebih tinggi karena jarak ke sumber lebih dekat dibandingkan dengan area taman. ✓ Benar✗ Salah
• Jika relawan memindahkan alat pengukur kebisingan pabrik logam menjadi 20 m dari sumber, intensitas bunyi yang diterima akan menjadi 0,04 W/m². ✓ Benar✗ Salah

Pembahasan

(1) Intensitas di pabrik = I = 10^-2 W/m² Dengan ambang I₀ = 10^-12 W/m²
Maka: L = 10 log(I/I₀) = 10 log(10¹⁰) = 100 dB ✔ Benar.

(2) Intensitas di taman = I = 10^-6 W/m² → L = 60 dB
Selisih = 100 – 60 = 40 dB (bukan 60 dB). ✘ Salah.

(3) Untuk 20 mesin (1/10 dari 200 mesin): I = 10^-3 W/m² → L = 90 dB ✔ Benar.

(4) Jarak taman = 5 m, pabrik = 10 m.
Justru taman lebih dekat, tetapi intensitas pabrik lebih besar karena sumbernya lebih kuat. ✘ Salah.

(5) Jika jarak 20 m: I = 10^-2 × (10/20)² = 2,5×10^-3 W/m²
(bukan 0,04 W/m²). ✘ Salah.

Kesimpulan: Jawaban benar adalah (1) dan (3).

Deteksi Kemampuan Awal TKA Fisika: Soal Nomor 25 Efek Doppler

 

Soal Fisika: Efek Doppler

25. Sebuah mobil polisi bergerak dengan kecepatan 72 km/jam sambil membunyikan sirene dengan frekuensi 1.200 Hz. Di depannya, bergerak searah sebuah sepeda motor dengan kecepatan 36 km/jam. Pada saat yang sama, Shafa berdiri diam di pinggir jalan melihat kejadian tersebut. Cepat rambat bunyi di udara dapat dianggap 343 m/s. Berdasarkan informasi tersebut, tentukan Benar atau Salah untuk setiap pernyataan berikut!

Pernyataan	Pilihan
Frekuensi sirene yang didengar oleh Shafa saat mobil polisi mendekat adalah 1.274,3 Hz.	Rumus Doppler (sumber mendekat, pendengar diam): $$ f' = f \cdot \frac{v}{v - v_s} $$ dengan \( f = 1200 \,\text{Hz}, v = 343 \,\text{m/s}, v_s = 20 \,\text{m/s} \). $$ f' = 1200 \cdot \frac{343}{343 - 20} \approx 1274,3 \,\text{Hz} $$ ✅ Jadi pernyataan ini benar.
Frekuensi sirene yang didengar oleh pengendara sepeda motor saat mobil polisi mendekat dari belakang adalah 1.130,5 Hz.	Rumus Doppler (sumber dan pendengar sama arah, sumber di belakang): $$ f' = f \cdot \frac{v - v_o}{v - v_s} $$ dengan \( f = 1200 \,\text{Hz}, v = 343 \,\text{m/s}, v_o = 10 \,\text{m/s}, v_s = 20 \,\text{m/s} \). $$ f' = 1200 \cdot \frac{343 - 10}{343 - 20} \approx 1130,5 \,\text{Hz} $$ ✅ Jadi pernyataan ini benar.
Jika mobil polisi menjauhi Shafa, frekuensi sirene yang didengar Shafa akan lebih rendah dari 1.200 Hz.	Rumus Doppler (sumber menjauhi, pendengar diam): $$ f' = f \cdot \frac{v}{v + v_s} $$ dengan \( f = 1200 \,\text{Hz}, v = 343 \,\text{m/s}, v_s = 20 \,\text{m/s} \). $$ f' = 1200 \cdot \frac{343}{343 + 20} \approx 1130 \,\text{Hz} $$ ✅ Jadi frekuensinya lebih rendah dari 1200 Hz → pernyataan benar.

Deteksi Kemampuan Awal TKA Fisika: Soal Nomor 21-24 Proyek Robot & Drone

Cermati informasi berikut untuk menjawab soal nomor 21–24!

Projek 1 – Robot Pembersih

Robot pembersih dirancang bergerak linear membersihkan lantai bengkel. Data roda: massa 0,25 kg, diameter 10,5 cm, massa jenis bahan 7,8 g/cm³. Pelat rangka: panjang 20,4 cm, lebar 5,0 cm.

Grafik Posisi Robot Terhadap Waktu

Grafik Posisi (x) terhadap Waktu (t) Robot

Projek 2 – Desain Sayap Drone

Sayap drone: kecepatan udara atas 20 m/s, bawah 10 m/s, massa jenis udara 1,2 kg/m³.

Rumus Bernoulli:
\[ \Delta P = \tfrac{1}{2} \rho (v_{\text{atas}}^2 - v_{\text{bawah}}^2), \quad F_A = \Delta P \]

Grafik Gaya Angkat terhadap Kecepatan Udara Atas

Semakin cepat aliran udara di atas sayap, semakin besar gaya angkat

Projek 3 – Sistem Pengecatan Otomatis

Partikel cat \(q_1 = 2,0 \times 10^{-6}\,\text{C}\) disemprotkan ke logam \(q_2 = -3,0 \times 10^{-6}\,\text{C}\), jarak 0,03 m.

Rumus Coulomb:
\[ F = k \cdot \frac{|q_1 q_2|}{r^2}, \quad k = 9,0 \times 10^9 \,\text{N·m}^2/\text{C}^2 \]

Grafik Gaya Coulomb terhadap Jarak

Semakin jauh jarak, semakin kecil gaya Coulomb

Soal Interaktif

Soal 21:

Berdasarkan data desain sayap mini drone, gaya angkat per satuan luas adalah:

A. 180 N/m²
B. 120 N/m²
C. 90 N/m²
D. 60 N/m²
E. 30 N/m²

\[ \Delta P = \tfrac{1}{2} \cdot 1.2 (20^2 - 10^2) = 180 \,\text{N/m}^2 \]

Soal 22:

Langkah apa yang dapat dilakukan untuk menghasilkan gaya tarik sebesar \(4F\)?

Muatan \(q_1\) dan \(q_2\) masing-masing digandakan, jarak tetap
Jarak dijadikan setengah dari semula, muatan tetap
Muatan \(q_1\) digandakan, jarak dijadikan dua kali semula
Muatan \(q_1, q_2\), dan jarak \(r\) digandakan
Jarak dijadikan empat kali semula

\[ F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}, \quad F' = 4F \]

Soal 23:

Pernyataan yang benar terkait eksperimen pengecatan otomatis:

Gaya tarik-menarik antara kedua muatan adalah 60 N
Jika jarak dijadikan 2 kali semula, gaya menjadi 15 N
Gaya bersifat tolak-menolak karena muatan berbeda
Jika muatan positif diganti \(1{,}0 \times 10^{-6}\,\text{C}\), gaya menjadi 40 N
Arah gaya pada partikel cat menuju komponen logam

\[ F = 60 \,\text{N}, \quad F' = 15 \,\text{N}, \quad \text{arah menuju logam} \]

Soal 24:

Berdasarkan grafik posisi terhadap waktu, kesimpulan yang benar:

Kecepatan tertinggi robot terjadi antara \(t = 2\ \text{s}\) dan \(t = 4\ \text{s}\)
Kecepatan robot interval 0–2 s lebih besar daripada interval 4–6 s
Robot bergerak mundur dengan kelajuan terbesar interval 6–8 s
Robot tidak pernah bergerak dengan kecepatan konstan
Jarak total yang ditempuh robot adalah 12 meter

\[ v_{2-4s} = 3\,\text{m/s}, \quad v_{6-8s} = -1.5\,\text{m/s}, \quad x_{\text{total}} = 12\,\text{m} \]

Deteksi Kemampuan Awal TKA Fisika: Soal Nomor 12 Percepatan Balok pada Papan Miring

12. Balok bermassa 10 kg diletakkan di atas papan miring dengan sudut kemiringan 37°. Papan tersebut memiliki permukaan kasar sehingga menyebabkan gesekan antara balok dan permukaan papan. Koefisien gesek kinetis antara balok dan papan adalah 0,2. Ketika dilepas, balok meluncur ke bawah mengikuti kemiringan papan. Berapa percepatan balok saat meluncur?

A. 4,4 m/s²

B. 6,8 m/s²

C. 7,2 m/s²

D. 7,6 m/s²

E. 9,2 m/s²

Persamaan percepatan balok pada papan miring:

$$a = g \sin \theta - \mu_k g \cos \theta$$

Rumus percepatan balok:

$$ \begin{aligned} F_{\text{searah}} &= m g \sin \theta \\\\ F_{\text{gesek}} &= \mu_k m g \cos \theta \\\\ a &= \frac{F_{\text{searah}} - F_{\text{gesek}}}{m} = g \sin \theta - \mu_k g \cos \theta \end{aligned} $$

Massa (kg): Sudut (°): Koefisien gesek:

Percepatan balok: - m/s²

Pembahasan Langkah demi Langkah:

Deteksi Kemampuan Awal TKA Fisika: Soal nomor 17-20 Peluncur Proyektil

Soal Peluncur Proyektil Sederhana

Ali, Sinta, Rahma, dan Jordi merancang alat peluncur proyektil sederhana berbasis rotasi. Alat ini memiliki tiga lengan pemutar yang dapat diganti. Setiap lengan memiliki massa 0,5 kg dengan panjang berbeda. Proyektil ditempatkan di ujung lengan, lalu dilontarkan setelah lengan berputar akibat dorongan motor listrik.

Dalam percobaan, dicatat dua jenis gerakan: gerak rotasi lengan saat diberi torsi konstan selama 2 detik dan gerak parabola proyektil setelah terlepas dari ujung lengan. Percepatan gravitasi digunakan: 9,8 m/s².

Tabel Hasil Pengamatan

Percobaan ke-	Sudut Peluncuran (°)	Kecepatan Awal (m/s)	Jari-Jari (m)	Momen Inersia (kg·m²)	Torsi (Nm)
1	30	15	0,2	0,02	0,4
2	45	20	0,35	0,045	0,6
3	60	18	0,3	0,031	0,5

Penggunaan motor secara berulang dengan kecepatan tinggi menyebabkan suhu motor meningkat. Untuk menjaga suhu tetap stabil, sistem pendingin dipasang dengan dua penampang berbeda: penampang pertama luas 4 cm², aliran 2 m/s; penampang kedua luas 2 cm².

Soal 17-20

Soal 17: Benar atau Salah

Pernyataan	Benar	Salah
Percobaan ke-2 menghasilkan jarak mendatar maksimum karena nilai sin 2θ mencapai maksimum.	✔
Waktu tempuh total pada percobaan ke-3 lebih lama dibanding percobaan ke-1.	✔
Jarak maksimum proyektil pada percobaan ke-1 sebesar 21,05 meter.		✔

Soal 18: Hubungan Penampang Sistem Pendingin

Pernyataan yang benar: Kecepatan fluida di penampang kedua lebih besar dari penampang pertama karena luas penampang lebih kecil. (Jawaban: E)

Soal 19: Analisis Lengan Pemutar

Percepatan sentripetal dan kelajuan linear:

\(\text{a}_c = \omega^2 r, \quad v = \omega r\)

• Percobaan ke-1: a₁ = 20 m/s², v₁ = 2 m/s
• Percobaan ke-3: a₃ = 30 m/s², v₃ = 3 m/s

Pernyataan benar:

• Percepatan sentripetal percobaan ke-1 = 20 m/s²
• Kelajuan linear percobaan ke-3 lebih besar dari percobaan ke-1
• Percepatan sentripetal percobaan ke-3 lebih besar dari percobaan ke-2

Soal 20: Modifikasi Lengan Peluncur

Strategi meningkatkan jarak proyektil tanpa mengubah massa:

• Jawaban: D. Memperpanjang lengan menjadi 0,5 m tanpa mengubah torsi.

Pembahasan Soal Peluncur Proyektil

Soal 17: Benar/Salah

Pernyataan 1: Percobaan ke-2 menghasilkan jarak mendatar maksimum karena nilai \( \sin 2\theta \) mencapai maksimum.

Pembahasan:

\[ R = \frac{v_0^2 \, \sin 2\theta}{g} \]

Untuk percobaan ke-2, \( \theta = 45^\circ \), sehingga \( \sin 2\theta = \sin 90^\circ = 1 \) (maksimum).

Kesimpulan: Benar ✅

Pernyataan 2: Waktu tempuh total pada percobaan ke-3 lebih lama dibanding percobaan ke-1.

Pembahasan:

\[ t_{\text{total}} = \frac{2 \, v_0 \, \sin\theta}{g} \]

Percobaan ke-1: \( \theta = 30^\circ, v_0 = 15 \,\mathrm{m/s} \)

\[ t_1 = \frac{2 \cdot 15 \cdot \sin 30^\circ}{9.8} \approx 1.53 \,\mathrm{s} \]

Percobaan ke-3: \( \theta = 60^\circ, v_0 = 18 \,\mathrm{m/s} \)

\[ t_3 = \frac{2 \cdot 18 \cdot \sin 60^\circ}{9.8} \approx 3.18 \,\mathrm{s} \]

Kesimpulan: Benar ✅

Pernyataan 3: Jarak maksimum proyektil pada percobaan ke-1 sebesar 21,05 m.

Pembahasan:

\[ R = \frac{v_0^2 \, \sin 2\theta}{g} = \frac{15^2 \cdot \sin 60^\circ}{9.8} \approx 19.9 \,\mathrm{m} \]

Kesimpulan: Salah ❌

Soal 18: Hubungan Penampang Sistem Pendingin

Pembahasan:

Hukum kontinuitas fluida:

\[ Q = A \, v \]

• Penampang pertama: \( A_1 = 4 \,\mathrm{cm^2} \)
• Penampang kedua: \( A_2 = 2 \,\mathrm{cm^2} \)

Volume fluida per detik tetap:

\[ Q = A_1 v_1 = A_2 v_2 \]

Maka kecepatan di penampang kedua:

\[ v_2 = \frac{A_1}{A_2} \, v_1 = \frac{4}{2} \, v_1 = 2 \, v_1 \]

Kesimpulan: Kecepatan fluida di penampang kedua lebih besar karena luas penampang lebih kecil → jawaban E.

Soal 19: Analisis Kecepatan Sudut dan Sentripetal

Rumus percepatan sentripetal:

\[ a_c = \frac{v^2}{r} = \omega^2 r \]

Percepatan sentripetal berbanding lurus dengan jari-jari:

• Percobaan ke-1: \( r = 0.2 \,\mathrm{m} \) → \( a_1 = 10^2 \cdot 0.2 = 20 \,\mathrm{m/s^2} ✅ \)
• Percobaan ke-2: \( r = 0.35 \,\mathrm{m} \) → \( a_2 = 10^2 \cdot 0.35 = 35 \,\mathrm{m/s^2} \)
• Percobaan ke-3: \( r = 0.3 \,\mathrm{m} \) → \( a_3 = 10^2 \cdot 0.3 = 30 \,\mathrm{m/s^2} \)

Kecepatan linear:

\[ v = \omega r \]

• Percobaan ke-3: \( v_3 = 10 \cdot 0.3 = 3 \,\mathrm{m/s} \)
• Percobaan ke-1: \( v_1 = 10 \cdot 0.2 = 2 \,\mathrm{m/s} \)

Soal 20: Modifikasi Lengan Peluncur

Pembahasan:

\[ \tau = I \, \alpha \]

Untuk meningkatkan jarak tanpa mengubah massa:

• Memperpanjang lengan → meningkatkan jari-jari sehingga kelajuan linear proyektil meningkat.

Jawaban: D. Memperpanjang lengan menjadi 0,5 m tanpa mengubah torsi ✅