Fisika KA 2019

Dipublikasi: June 15th, 2021

Meskipun masalah-masalah sains sifatnya eksak seperti soal fisika SIMAK UI 2019 ini, tapi tetap saja ini bukanlah pembahasan yang sifatnya mutlak.

Masih ada kemungkinan jawaban tidak sesuai dengan pihak penyelenggara.

Daftar Isi

Soal 1

Sebuah elektron bergerak di ruang hampa searah sumbu x+ menuju ke daerah dengan medan magnet H = 32 kA/m ke arah sumbu y+. Elektron kemudian bergerak melingkar dengan jejari lintasan R = 2m. Diketahui massa elektron $9.1 \times 10^{-31}$ dan besar muatannya $1.6\times 10^{-19}$ .

Besarnya energi yang dibutuhkan untuk menggerakkan elektron sebelum masuk ke dalam medan magnet adalah ....
A. 13 kV
B. 13 MV
C. 14 kV
D. 14 MV
E. 15 kV

Pembahasan 1

Energi yang dimaksud dalam soal ini yaitu potensial listrik, $V$ , yakni energi yang memindahkan partikel bermuatan dari suatu titik yang "sangat jauh sekali" menuju suatu titik. Besar energi tersebut diubah menjadi energi kinetik, hubungan keduanya yaitu

$E = \frac{1}{2}\cdot mv^2 = qV$ .

$\rightarrow V = \frac{1}{2}\cdot\frac{mv^2}{q}$ .

, dan besar kecepatan ini dapat diketahui melalui rumus gaya magnet.

Gaya magnet ini yang menyebabkan partikel berputar, hubungan antara gaya sentripetal yang ada yaitu

$F_s = m\frac{v^2}{R} = qvB$

$\rightarrow v = \frac{qBR}{m}$ .

Hubungan antara kuat medan listrik, $H$ dengan kerapatan fluks magnet $B$ pada ruang hampa yaitu $B = \mu_0 H$ . Lalu kita substitusikan informasi yang ada

$V = \frac{1}{2}\cdot\frac{m\left({\frac{qBR}{m}}\right)^2}{q}$

$= \frac{1}{2}\cdot\frac{m\left({\frac{q(\mu_0 H)R}{m}}\right)^2}{q}$

$= \frac{1}{2}\cdot\frac{q(\mu_0 H)^2R^2}{m}$

, lalu dengan mensubstitusikan nilai yang telah diketahui

$V = \frac{1}{2}\cdot\frac{(1.6\times 10^{-19})\left({4\pi \times 10^{-7} \cdot 32 \times 10^3}\right)^2(2)^2}{9,1\times 10^{-31}}$

Didapat hasilnya yaitu sekitar $58.86\,\text{MV}$ .

Soal 2

Lensa mata manusia merupakan lensa cembung yang memiliki index bias 1,44 dan jejari kelengkungan 7,0 mm. Anggap jejari kelengkungan kedua lensa adalah sama.

Jika sebuah benda setinggi 10 cm diletakkan 50 cm di depan lensa mata, terbentuk bayangan ....
A. maya, terbalik, diperbesar
B. nyata, terbalik, diperkecil
C. maya, tegak, diperbesar
D. nyata, tegak, diperkecil
E. maya, terbalik, diperkecil

Pembahasan 2

Dengan membuat ilustrasinya berdasarkan sifat-sifat lensa cembung, maka gambarannya kurang lebih seperti di bawah ini.

Oleh karena itu, bayangan yang dihasilkan yaitu mempunyai sifat nyata (karena bayangan berada di seberang objek asli), terbalik, dan diperkecil. Jawabannya B.

Sebenarnya ukuran jarak dan objeknya gak terlalu akurat pada gambar tersebut, namun yang penting di sini adalah informasi mengenai letak objeknya, berada di luar titik fokus apa enggak.

Soal 3

Gas oksigen berada dalam suatu wadah tertutup pada suhu $27^{\circ}\,\text{C}$ .

Jika konstanta Boltzmann = $1.38\times10^{-23} \text{J}\text{K}^{-1}$ ....
A. $1248\,\text{m/s}$
B. $624\,\text{m/s}$
C. $447\,\text{m/s}$
D. $205\,\text{m/s}$
E. $101\,\text{m/s}$

Pembahasan 3

Dalam satu mol gas oksigen mempunyai massa 16 gram, artinya satu atom oksigen mempunyai massa $\frac{16}{6.02\times10^{23}}$ atau sekitar $2.65\times10^{-23}$ dalam gram (bukan kilogram ya). Lalu, kecepatan rata-rata partikel dalam sebuah gas yaitu

$v_{rms} = \sqrt{\frac{3RT}{M}}$

$= \sqrt{\frac{3RT}{N_A m}}$

$= \sqrt{\frac{3kT}{m}}$

, jangan lupa untuk konversi suhunya menjadi Kelvin dan massa sebelumnya menjadi kilogram, dengan demikian kecepatan rata-ratanya sebesar

$v_{rms} = \sqrt{\frac{3(1.38\times10^{-23})(300)}{2.65\times 10^{-26}}}$

$\approx 684\,\text{m/s}$

Di opsi nampak tidak ada pilihan yang sesuai, mungkin bisa jadi yang B karena nilainya paling dekat.

Soal 4

Gambar di atas adalah grafik intensitas ( $I$ ) vs panjang gelombang ( $\lambda$ ) radiasi elektromagnetik dari benda yang memiliki emisitivitas 0.5. Diasumsikan semua foton yang diradiasikan memiliki $\lambda_{max}$ , dan diketahui ( $\sigma = 5.67\times10^{-8}\,\text{W}\text{m}^2\text{K}^4$ , $b = 2.898\times10^{-3}\,\text{m}^2\text{K}$ , $h = 6.626\times10^{-34}\,\text{Js}$ ). Jumlah foton yang diradiasikan benda tersebut setiap detik per meter persegi apabila temperaturnya $4000\,\text{K}$ adalah ....
A. $2.6\times10^{31}$
B. $2.6\times10^{28}$
C. $2.6\times10^{25}$
D. $2.6\times10^{22}$
E. $2.6\times10^{19}$

Pembahasan 4

Berdasarkan rumus Wien, panjang gelombang maksimum dapat ditentukan berdasarkan suhu serta proportionality constant (b), di mana panjang maksimumnya yaitu

$\lambda_{max} = \frac{b}{T}$

$= \frac{2.898\times10^{-3}}{4000}$

$= 0.7245\times10^{-6}$ .

Kemudian kita hubungkan hukum Stefan-Boltzmann dengan rumus energi foton. Jumlah foton setiap detik per meter persegi yaitu

$\frac{E}{t} = P$

$\frac{nhf}{t} = \epsilon \sigma A T^4$

$\frac{nhc}{t\lambda_{max}} = \epsilon \sigma A T^4$

$\frac{n}{At} = \frac{\epsilon \sigma T^4}{h(c/\lambda_{max})$ .

Jumlahnya yaitu sebesar

$\frac{n}{At} = \frac{(0.5)(5.67\times10^{-8})(4000)^4}{(6.626\times10^{-34})(3\times10^8 / 0.7245\times10^{-6})}$

$\approx 2.6\times10^{25}$ .

Sehingga jawabannya yang C.

Soal 5

Sebuah osilator harmonik sederhana terdiri dari balok 0.5 kg yang diikatkan pada ujung suatu pegas di lantai sehingga balok tidak mengalami gesekan ketika bergerak. Saat $t=0$ , simpangan balok sama dengan nol, lalu bergerak ke arah sumbu x positif. Grafik fungsi gaya pada balok terhadap posisinya tiap waktu ditunjukkan pada gambar dengan $F_S = 75\,\text{N}$ .

Ketika simpangannya dua pertiga simpangan maksimumnya, energi kinetik balok adalah ....
A. $5.00\,\text{J}$
B. $6.25\,\text{J}$
C. $7.25\,\text{J}$
D. $8.50\,\text{J}$
E. $9.00\,\text{J}$

Pembahasan 5

Pertama, kita perlu ketahui dulu konstanta pegas yang digunakan, yaitu sebesar

$F = -k\Delta x$

$k = -\frac{F}{\Delta x}$

, gunakan informasi ketika simpangannya maksimal

$k = -\frac{-75}{0.3}$

$= 250\,\text{N}/\text{m}$ .

Ingat lagi hukum kekekalan energi, di sini energi saat simpangan terbesar sama seperti energi saat dua pertiga simpangan ditambah energi kinetik saat itu. Secara matematis seperti berikut

$\frac{1}{2} k(\Delta x_{max})^2 = \frac{1}{2}k((2/3) \Delta x_{max})^2 + E_K$

$E_K = \frac{1}{2}\cdot\frac{5}{9} k(\Delta x_{max})^2$

$= \frac{1}{2}\cdot\frac{5}{9} 250(0.3)^2 = 6.25\,\text{J}$

, dengan demikian jawabannya B.

Soal 6

Suatu satelit komunikasi berada tepat di atas Kota Pontianak dan merupakan satelit geostasioner. Jika jejari Bumi 6000 km, massa Bumi $5.98\times10^{24}\,\text{kg}$ dan konstanta gravitasi universal $6.67\times10^{-11}\,\text{N}\text{m}^2\text{kg}^{-2}$ , satelit ini mengorbit pada ketinggian ....
A. $42000\,\text{km}$ di atas Pontianak
B. $36000\,\text{km}$ di atas Pontianak
C. $24000\,\text{km}$ di atas Pontianak
D. $12000\,\text{km}$ di atas Pontianak
E. $6000\,\text{km}$ di atas Pontianak

Pembahasan 6

Karena satelit berada di orbit geostasioner, maka kita bisa hubungkan antara gaya sentripetal dengan gaya gravitasi secara langsung, seperti ini

$m\omega^2 r = G\frac{Mm}{r^2}$

$m(2\pi/T)^2 r = G\frac{Mm}{r^2}$

$r^3 = G\frac{MT^2}{(2\pi)^2}$ .

Periodenya sendiri adalah satu hari dalam detik, yaitu sebesar 86400 detik. Besar jari-jarinya adalah

$r^3 = 6.67\times10^{-11}\frac{(5.98\times10^{24})(86400)^2}{(2\pi)^2}$

$r \approx 42250400\,\text{m}$ .

Untuk mengetahui tinggi dari permukaan bumi, maka tinggal kurangi saja dengan jari-jari bumi, sehingga ketinggiannya yaitu

$h = r - R \approx 42250 - 6000 \approx 32000\,\text{km}$

, sehingga jawabannya B.

Soal 7

Sebuah benda berbentuk silinder bermasssa m memiliki massa jenis $\rho$ lebih kecil daripada massa jenis air. Benda dimasukkan ke dalam silinder berisi air. Tidak ada air yang tumpah dari silinder tersebut. Jika luas alas benda adalah A dan massa jenis air adalah $\rho_0$ , tinggi bagian benda yang terendam air adalah ....
A. $h=\frac{\Delta p}{\rho}$
B. $h=\frac{mg}{\rho_0 A}$
C. $h=\frac{m}{\rho_0 g}$
D. $h=\frac{m}{\rho A}$
E. $h=\frac{m}{\rho_0 A}$

Pembahasan 7

Di sini benda dianggap lurus (silindernya tegak) mengambang di air, artinya ada kesetimbangan antara gaya berat dari massa benda dengan gaya apung yang diberikan fluida (air), seperti berikut

$F_b = W$

$\rho_0 g V = mg$

$\rho_0 A h = m$

$h = \frac{m}{\rho_0 A}$ .

Solusinya adalah yang E.

Soal 8

Sebuah koin dengan massa 10 g diletakkan 30 cm dari pusat sebuah alas horizontal yang dapat berputar. Saat kelajuan putaran alas 50 cm/s dan diketahui percepatan gravitasi $9.8\,\text{m}\text{s}^2$ , koin ikut berputar dan tidak bergeser dari posisinya.

Besar koefisien gesek dan jenis gaya gesek antara koin dan alas adalah ....
A. $0.085$ kinetik
B. $0.085$ statik
C. $0.065$ statik
D. $0.065$ kinetik
E. $0.05$ statik

Pembahasan 8

Mungkin kelajuan putar yang dimaksud berada tepat 30 cm dari pusatnya, jika demikian maka penyelesaiannya bisa seperti berikut.

Jika benda diam dan ikut berputar bersama alas, artinya gaya gesek yang ada menyeimbangi gaya sentrifugal yang ada

$F_s = f$

$m\frac{v^2}{r} = \mu N$

$m\frac{v^2}{r} = \mu (mg)$

$\mu = \frac{v^2}{gr}$

Kemudian kita substitusikan nilai yang tersedia (jangan lupa konversi menjadi satuan SI)

$\mu = \frac{(0.5)^2}{(9.8)(0.3)}=0.085$

, mengingat benda tetap diam, koefisien tersebut adalah koefisien statik, sehinga jawabannya B.

Soal 9

Sebuah pemanas air dengan spesifikasi 1000 watt 220 volt digunakan untuk memanskan air sampai mendidih selama 15 menit. Apabila pemanas ini dipasang pada tegangan listrik 110 volt, waktu yang diperlukan sampai air mendidih adalah ....
A. 15 menit
B. 30 menit
C. 45 menit
D. 60 menit
E. 90 menit

Pembahasan 9

Peralatan listrik itu biasanya punya yang namanya operating current, yaitu dia bekerja pada arus tertentu. Untuk pemanas air pada soal ini yaitu sebesar

$I = \frac{P}{V} = \frac{1000}{220} = \frac{100}{22}\,\text{A}$ .

Selanjutnya, kita ketahui jumlah energi yang dihasilkan ketika diberi tegangan 220 volt selama 15 menit, yaitu

$E = Pt = 1000\cdot(15\times60)$ .

Daya yang dihasilkan pemanas ketika tegangan kerjanya diturunkan yaitu

$P_n = 110\cdot\frac{100}{22} = 500\,\text{watt}$ .

Maka untuk menghasilkan energi yang sama dengan daya tersebut, waktu yang diperlukan yaitu selama

$500 \cdot (t\times60) = 1000\cdot(15\times60)$

$t = 30\,\text{menit}$ .

Jawabannya yang B.

Soal 10

Tidak semua kalor yang masuk ke dalam suatu sistem dipergunakan untuk melakukan kerja.
SEBAB
Mesin Carnot merupakan mesin yang dalam satu siklus menggunakan dua proses adiabatis dan dua proses isotermis.

Pembahasan 10

Jika bicara yang nyata (tidak ideal) maka benar karena adanya rugi-rugi, atau dengan kata lain suatu sistem memiliki efisiensinya masing-masing (tidak selalu 100%).

Untuk alasannya benar, namun tidak berkaitan dengan efisiensi suatu mesin. Pilihan yang mungkin yaitu B.

Soal 11

Energi mekanik benda yang berada dalam pengaruh gaya konservatif selalu konstan.
SEBAB
Dalam pengaruh gaya konservatif, benda selalu bergerak berlawanan arah terhadap arah gaya.

Pembahasan 11

Apabila tidak ada pengaruh luar, misal seperti gesekkan terhadap udara, maka pernyataan benar. Dan alasan salah, karena pada gerak jatuh bebas, gaya searah dengan arah gerak benda. Jawabannya C.

Soal 12

Suatu benda bermuatan listrik dapat pindah dari suatu tempat ke tempat lain jika di antara kedua tempat terdapat beda potensial.
SEBAB
Suatu benda bermuatan listrik mengalami gaya Coulomb jika berada di dalam daerah medan listrik.

Pembahasan 12

Pernyataan benar, karena beda potensial akan melakukan usaha pada suatu benda bermuatan. Alasannya pun benar dan saling berkaitan, karena beda potensial dapat menyebabkan adanya medan listrik, sehingga benda bermuatan mengalami gaya listrik (atau gaya Coulomb).

Sehingga jawabannya A.

Soal 13

Suatu kisi difraksi yang memiliki 500 celah per cm dapat digunakan sebagai peralatan inframerah spektroskopi karena kisi ini ....
(1) mempunyai jarak antarcelah $2\times10^{-5}$ meter
(2) besar sudut difraksi yang terjadi bergantung pada panjang gelombang sinar yang datang
(3) dapat mendispersikan warna
(4) dapat mempolarisasi gelombang

Pembahasan 13

Nomor 1 benar, jarak antar celahnya adalah $10^{-2}/500 = 2\times10^{-5}$ meter. Yang kedua juga benar, persamaan yang mewakili pola gelap terang, sudutnya bergantung pada panjang gelombang. Ketiga juga benar, apabila cahaya putih ditembakkan maka akan menghasilkan warna-warna seperti pelangi. Mungkin dari prosesnya berbeda, namun difraksi bisa menghasilkan gejala seperti dispersi.

Untuk yang terakhir, tidak benar alias salah, meskipun kelihatannya ketika cahaya yang arahnya beragram seolah-olah diseragamkan orientasinya saat melewati celah. Karena polarisasi memerlukan adanya proses "penyerapan" cahaya, dan ini tidak bisa dilakukan apabila hanya menggunakan celah. Pilihan yang benar yaitu A.

Soal 14

Benda A (500 g) yang bergerak dengan kecepatan 6 m/s menumbuk benda B (250 g) yang diam. Ketika bertumbukan, benda A dan B mengalami kontak selama 5 milisekon. Setelah tumbukan, benda B memiliki energi kinetik 8 joule.

Berdasarkan kejadian tersebut, manakah pernyataan yang tepat?
(1) Gaya rata-rata pada benda A besarnya 400 N.
(2) Setelah tumbukan energi kinetik benda $A = 2J$ .
(3) Impuls pada benda A sebesar 2 kg.m/s
(4) Jenis tumbukannya elastik sebagian.

Pembahasan 14

Kecepatan benda B setelah tumbukan adalah

$E_B' = \frac{1}{2}m_B (v_B')^2$

$8 = \frac{1}{2}(0.25) (v_B')^2$

$v_B' = 8\,\text{m/s}$ .

Untuk mengetahui gaya rata-rata pada benda A, kita perlu ketahui momentum benda A setelah tumbukan. Akan kita gunakan hukum kekekalan momentum untuk mencari kecepatan setelah tumbukan terlebih dahulu

$m_A v_A + m_B v_B = m_A v_A' + m_B v_B'$

$(0.5) (6) + (0.25) (0) = (0.5) v_A' + (0.25) (8)$

$v_A' = 2\,\text{m/s}$ .

Besar gaya rata-ratanya yaitu

$F_A = \frac{\Delta p}{\Delta t} = m_A\frac{\Delta v}{\Delta t}$

$= (0.5)\frac{(6-2)}{(5\time10^{-3})} = 400\,\text{N}$ .

Artinya pernyataan pertama benar.

Nomor dua salah, energi kinetik A setelah tumbukan yaitu

$E_{KA}' = \frac{1}{2}m_A(v_A')^2$

$= \frac{1}{2}(0.5)(2)^2 = 1\,\text{J}$ .

Ketiga benar, impuls atau perubahan momentumnya adalah

$I = \Delta p = m_A\Delta v$

$= 0.5(6-2) = 2 \text{kg.m/s}$ .

Sebenarnya jawabannya sudah kelihatan (karena nomor dua salah), namun sebagai bukti mari kita periksa saja

$E_m = E_m'$

$\frac{1}{2}m_A (v_A)^2 + \frac{1}{2}m_B (v_B)^2 = \frac{1}{2}m_A (v_A')^2 + \frac{1}{2}m_B (v_B')^2$

$\frac{1}{2}(0.5) (6)^2 + 0 = \frac{1}{2}(0.5)(2)^2 + \frac{1}{2}(0.25)(8)^2$

$9\,\text{J} = 9\,\text{J}$ .

Dengan demikian jawabannya B.

Soal 15

Sebuah lup diletakkan pada kertas dalam suatu medan magnet yang arahnya ke dalam bidang kertas. Besar medan magnet yang mengenai lup terus meningkat.

Berdasarkan hal tersebut, manakan pernyataan yang benar?
(1) Fluks magnet pada lup akan terus meningkat
(2) Medan magnet induksi akan ke luar bidang kertas.
(3) Arus akan mengalur searah jarum jam
(4) Arus akan mengalir berlawanan jarum jam

Pembahasan 15

Pernyataan pertama benar, mengingat fluks magnet sebanding dengan besar medan magnet pada sebuah permukaan yang dikenai medan magnet

$\Phi = \textbf{B}\cdot \textbf{A} = BA \cos\theta$

Berdasarkan hukum Lenz, maka pernyataan kedua benar, karena sebuah kalang yang dikenai perubahan fluks akan melawan perubah tersebut dengan cara menginduksikan medan magnet.

Ketiga juga benar, arah arus akan muncul sehingga menyebabkan medan magnet induksi melawan perubahan fluks yang ada. Dan yang terakhir salah, mengingat bertolak belakang dengan poin yang ke tiga. Jawabannya A.