MATERI:

Materi

Getaran dan Gelombang

Bunyi

Kemagnetan

FISIKA

SMK KELAS XI

GETARAN, GELOMBANG DAN BUNYIA. Getaran Getaran adalah gerak bolak balik secara periodic. Suatu contoh getaran yang mudah di amati adalah gerak bolak-balik ayunan bandul sederhana. Bandul dikatakan melakukan 1 getaran bila ia telah menempuh O-A-B-A-O. Waktu yang di perlukan untuk melakukan 1 kali getaran disebut periode. Frekuensi adalah banyaknya getaran yang terjadi dalam 1 detik.Rumus:

T=f=Keterangan:

T : periode (s)

f : frekuensi (Hz)

1. Getaran harmonis pada pegasRumus:

F= - k . s

dan

Keterangan:

F: Gaya (N)

s: pertambahan panjang pegas (m)

m: massa (kg)

k: konstanta gaya pegas (N/m)

2. Getaran harmonic pada ayunan Bandul

Rumus:

dan

keterangan:

l : panjang tali (m)

g: percepatan gravitasi (m/s2)

Contoh soal:1. Sebuah beban dengan massa m = 20 gram digantung pada sebuah pegas. Dari keadaan setimbangnya pegas di tarik dengan gaya 0,9 N sehingga menyimpang sebesar 3 cm, kemudian dilepas. Hitunglah:

a. Tetapan gaya pegas yang digunakan

b. Periode getaran yang terjadi

c. Frekuensi gelombang

Penyelesaian

Diket:

m = 20 gram= 0,02 kg

s = 3 cm= 0,03 cm

F= 0.9 N

Dit: a.k = .?

b. T= .?

c. f= .?

Jawab:

2. Dua orang siswa melakukan percobaan ayunan bandul disebuah bukit dengan maksud ingin mengetahui percepatan graviatasi ditempat itu. Panjang tali ayunannya 29,5 cm. dengan menggunakan stopwatch, mereka mendapatkan data bahwa dalam waktu 12 sekon bandul bergetar 11 getaran. Berapa percepatan graviatasi yang mereka dapatkan ditempat itu?Penyelesaian:

Soal Evaluasi:1. Sebuah benda dengan massa 0,5 kg digantungkan pada sebuah pegas yang konstanta pegasnya 150 N/m. hitunglah frekuensi getarannya jika benda pada pegas tersebut diberi simpangan lalu di lepas?

Jawab:

..2. Sebuah bandul digantungkan pada seutas tali yang panjangnya 2 m. hitung periode bandul tersebut jika diberi simpangan! (g=9,8 m/s2)

Jawab:

3. Beban yang digantung pada ujung pegas bergerak harmonic sederhana dengan frekuensi 30 Hz. Jika beban diganti oleh beban lain yang memiliki massa Sembilan kalinya, tentukan frekuensinya sekarang?Jawab:

4. Hitung percepatan gravitasi di suatu tempat jika suatu bandul yang panjangnya 150,3 cm membuat ayunan 100 ayunan dalam 264 detik!Jawab:

B. Gelombang

Gelombang adalah getaran yang merambat. Gelombang yang memerlukan medium perambatan disebut gelombang mekanik, contohnya gelombang pada slinki, gelombang permukaan air, dan gelombang bunyi. Gelombang yang tidak memmerlikan medium dalam perambatan disebut gelombang electromagnet, contohnya gelombang cahaya, gelombang radio, dan sinar X.

1. Persamaan dasar gelombang

Dengan v : cepat rambat gelombang (m/s)

: panjang gelombang (m)

T : Periode (s)

f : Frekuensi (Hz)

Persamaan getaran dan gelombang adalah keduanya memiliki besaran periode, frekuensi, dan amplitude. Perbedaannya adalah gelombang memiliki besaran panjang gelombang sedangkan getaran tidak.2. Gelombang Transversal Perhatikan gambar 1Puncak gelombang adalah titik-titik tertinggi pada gelombang (missal b dan f)

Dasar gelombang adalah titik terendah pada gelombang (missal d dan h).

Bukit gelombang adalah lengkungan obc atau efg

Lembah gelombang adalah cekungan cde atau ghi.

Amplitudo gelombang (A) adalah nilai mutlak simpangan terbesar yang dapat di capai paryikel (missal bb atau dd)

Panjang gelombang adalah jarak antara 2 puncak berurutan (missal bf)atau jarak antara 2 dasar berurutan (Misal dh).

Periode (T) adalah selang waktu yang diperlukan untuk menempuh 2 puncak berurutan atau selang waktu yang diperlukan untuk menempuh 2 dasar berurutan. Arah getaran transversal tegal lurus arah rambatannya.3. Gelombang LongitudinalPerhatikan gambar!

Panjang gelombang adalah jarak antara 2 pusat rapatan yang berdekatan (jarak ac) atau jarak antara 2 pusat renggangan yang berdekatan (jarak bd). Sedangkan jarak antara pusat rapatan dan renggangan yang berdekatan (ab atau bc) adalah setengah panjang gelombang(). Arah getaran gelombang longitudinal searah dengan arah rambatannya.

Contoh soal:

Gelombang dari suatu sumber bunyi mempunyai frekuensi 25 Hz. Bila cepat rambat gelombang bunyidi udara adalah 340 m/s, berapakah jarak antara dua rapatan berturut-turut pada gelombang tersebut?

Penyelesaian:

Diket:

f= 25 Hz

v= 340 m/s

Dit:

= .?Jawab:

= 13,6 m.

C. Gejala-gejala gelombang

1. Dispersi gelombang

Dispersi gelombang adalah penguraian cahaya putih (polikromatis) menjadi berbagai warna cahaya (monokromatis). Disperse gelombang cahaya terjadi prisma kaca karena prisma kaca termasuk medium disperse untuk gelombang cahaya. Cahaya putih yang melalui prisma akan mengalami dispersi menjadi cahaya merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila dan ungu.2. Pemantulan gelombang

Pemantulan gelombang dapat diselidiki dengan menggunakan pemantulan gelomabang permukaan air. Gelombang permukaan air dapat di amati dengan menggunakan tangki riak atau tangki gelombang. Gelombang permukaan air dapat berupa gelombang lurus atau gelombang lingkaran.3. Pembiasan Gelombang

Pembiasan adalah pembelokkan arah gelombang akibat perubahan kecepatan gelombang ketika melewati satu medium ke medium lain. Kecepatan gelombang akan berkurang ketika melalui medium yang lebih rapat dari sebelumnya, sehingga panjang gelombangnya mengecil. Sudut antara muka gelombang datang dan bidang batas 2 medium disebut sudut datang (i) dan sudut antara muka gelombang bias dan bidang batas disebut sudut bias (r). Persamaan Umum pembiasan gelombang

Dengan:

I: sudut datang

r: sudut bias

v1: cepat rambat gelombang dalam medium 1 (m/s)

v2: cepat rambat gelombang dalam medium 2 (m/S)

n1: indeks bias medium 1

n2: indeks bias medium 2

1: panjang gelombang di medium 1

2: panjang gelombang di medium 2

4. Difraksi gelombang

Difraksi gelombang adalahpelenruran (pembelokkan) gelombang yang disebabkan oleh penghalang berupa celah yang sempit. Celah bertindak sebagai sumber gelombangberupa titik, dan muka gelombang yang melalui celah dipancarkan berbentuk lingkaran-lingkaran dengan celah tersebut sebagai pusatnya.

5. Interferensi gelombang

Syarat agar terjadinya interferensi gelombang memiliki g air adalah kedua sumber gelombang harus bergerak serentak dengan amplitude dan freangkuensi yang sama (memiliki fase yang sama). Dua sumber gelombang yang memiliki fase, amplitude dan frekuensi yang sama dinamakan dua sumber koheren.

Interferensi konstruktif (saling menguatkan) terjadi jika kedua gelombang yang berpadu memiliki fase yang sama, dan amplitude gelombang paduan sama dengan dua kali amplitude tiap gelombang. Interferensi destruktif (saling meniadakan)terjadi jika kedua gelombang yang berpadu berlawanan fase, dan amplitude gelombang paduan sama dengan nol.6. Polarisasi Gelombang

Polarisasi hanya dapat terjadi pada gelombang transversal. Dalam fenomena polarisasi cahaya, cahaya alami yang getarannya ke segala arah ketika melewati filter polarisasi, getaran horizontal diserap seluruhnya sedangkan getaran vertical di serap sebagian. Cahaya alami (yang getarannya ke segala arah) disebut cahaya tak terpolarisasi. Cahaya alami setelah melewatmiliki getaran pada satu arah saja, dan disebut cahaya terpolararisasi linear.D. Gelombang Berjalan dan Gelombang Stasioner

1. Gelombang Berjalan Gelombang berjalan adalah gelombang yang merambat pada amplitude tetap. Secara umum, persamaan simpangan di satu titik pada tali (misal titik P, yang berjarak x darI titik asal getaran adalah sbb:

Dengan fase gelombang :

Dan 2f disebut sebagai sudut fase.

Tanda negative dalam sinus diberikan untuk gelombang berjalan yang merambat ke kanan, sedangkan tanda positif diberikan untuk gelombang berjalan yang merambat ke kiri. Tanda positif pada A (amplitude) diberikan jika titik asal getaran O untuk pertama kalinya ke atas, sedangkan tanda negative pada A diberikan jika titik asal getaran O untuk pertama kalinya bergerak ke bawah. Untuk titik asal getaran berlaku x= 0. Persamaan simpangan dapat di tulis:

Dengan bilangan gelombang:

Kecepatan partikel dititik P:

Percepatan partikel di titik P

Sudut fase

Sudut fase adalah besar sudut dalam fungsi sinus (dinyatakan dalam radian)

Fase gelombang

Beda Fase

Beda fase antara titik A dan B adalah

Tanda negative menunjukkan bahwa untuk gelombang yang merambat ke sumbu x positif. Partikel yang terletak di depan (disebelah kanan) mengalami keterlambatan fase terhadap partikel di belakang (sebelah kiri).2. Gelombang Stasioner

Gelombang stasioner adalah gelombang yang merambat dengan amplitude berubah. Gelombang stasioner di sebut juga sebagai gelombang diam. Gelombang stasioner terjadi akibat superposisi gelombang datang dan gelombang pantul yang berlawanan arah. Gelombnag datang dan gelombang pantul memiliki amplitude dan frekuensi yang sama.Gelombang stasioner pada ujung tetap

Dengan:

y: simpangan partikel pada gelombang stasioner oleh ujung tetap

A: Amplitudo gelombang berjalan

As: Amplitudo gelombang stasioner

x: jarak partikel dari ujung tetap

letak simpul

letak simpul dari ujung tetap merupakan kelipatan genap dari seperempat panjang gelombang.

Dengan n= 0, 1, 2, ..

Letak perut Letak perut dari ujung tetap merupakan kelipatan bialangan ganjil dari seperempat panjang gelombang

Dengan n = 0, 1, 2, ...

Gelombang stasioner pada ujung bebas

Dengan:

y : simpangan partikel pada gelombang stasioner ujung bebas

A: Amplitudo gelombang berjalan

AS: Amplitudo gelombang stasioner

x: jarak partikel dari ujung bebas

letak simpul

letak simpul dari ujung tetap merupakan kelipatan ganjil dari seperempat panjang gelombang.

Dengan n= 0, 1, 2, ..

Letak perut

Letak perut dari ujung tetap merupakan kelipatan bialangan genap dari seperempat panjang gelombang

Dengan n = 0, 1, 2, ...

Contoh soal:

Sebuah gelombang berjalan memnuhi persamaan:

y=0,02 sin 0,40 (60t-x), dengan x dan y dalam cm dan t dalam sekon. Tentukanlah:

a. Amplitudo gelombang

b. Bilangan gelombang

c. Panjang gelombang

d. Frekuensi gelombang

e. Cepat rambat gelombang

Penyelesaian

Soal Evaluasi

1. Gelombang merambat dengan kecepatan 10 m/s dan memiliki panjang gelombang 0,4 m. Berapakah Frekuensinya?

Jawab:

..2. Gelombang merambat dengan laju 2 m/s dan periodenya 5 sekon berapakah panjang gelombnagnya?

Jawab;

3. Gelombang air laut melaju di samping kapal dengan laju 30 m/s. jarak antara bukit dan lembah gelombang yang berurutan 10 m. hitunglah:a. Panjang gelombang

b. Periode gelombang

c. Frekuensi gelombang

Jawab:

...4. Persaman gelombang berjalan dinyatakan sebagai:y=0,05 sin (16t+4x) dengan x dalam meter dan t dalam sekon. Tentukan:

a. Amplitudonya

b. Frekuensi getarannya

c. Panjang gelombangnya

d. Kecepatan perambatan gelombangnya

e. Bilangan gelombangnya

Jawab:

..5. Gelombang yang memiliki frekuensi 60 Hz merambat di udara dengan laju 24 m/s, dan masuk kedalam air. Indeks bias udara=1 dan indeks bias air = 4/3. Hitunglah:a. Laju gelombang tersebut di dalam air

b. Frekuensinya ketika di dalam air

c. Panjang gelombangnya ketika di dalam air dan di udara

Jawab:..6. Sebuah gelombang transversal mempunyai periode 4 detik. Jika jarak antara 2 buah titik berurutan yang sefase 8 cm. tentukan cepat rambat gelombang tersebut?Jawab:

...Jika frekuensi gelombang di atas adalah 100 Hz, Jarak ab = 2 cm, dan jarak bc = 150 cm. hitunglah:

a. Amplitudo gelombang

b. Panjang gelombang

c. Cepat rambat gelombang

Jawab:

...7. Suatu sumber bunyi O menghasilkan gelombang berjalan dengan frekuensi 100 Hz. Cepat rambat gelombang 200 m/s dan amplitudonya 8 cm. hitunglah fase dan simpangan titik P yang berjarak 7 m dari titik O setelah titik O bergetar 12 kali?

Jawab:

..E. Bunyi

1. Cepat rambat gelombang bunyi

Bunyi disebabkan oleh adanya benda yang bergetar. Bunyi merupakan gelombang longitudinal. Gelombang bunyi merambat dalam bentuk rapatan dan renggangan sehingga bunyi dapat merambat melalui zat padat, zat cair dan gas. Bunyi tidak dapat merambat melalui vakum.Cepat rambat bunyi di udara

Keterangan:

v : cepat rambat gelombang (m/s)

: panjang gelombang (m)

f: frekuensi gelombang (Hz)Cepat rambat bunyi di dalam zat padat

E: Modulus Young bahan logam (N/m2)

: massa jenis bahan logam (kg/m3)

Cepat rambat bunyi di dalam gas

: tetapan Laplace

R: Tetapan umum gas (8300 J/kmol K)

T: suhu (K)

M: massa molekul gas (kg/kmol)

Efek DopplerSecara umum efek Doppler dialami ketika ada suatu gerak relative antara sumber gelombang dan pengamat. Ketika sumber bunyi dan pengamat saling mendekati, pengamat mendengar frekuensi bunyi lebih tinggi dari frekuensi bunyi di pancarkan sumber bunyi. Ketika sumber bunyi dan pengamat saling menjauhi, pengamat mendengar frekuensi bunyi lebih rendah dari dari frekuensi sumber bunyi.Rumus:

Keterangan:

fp: Frekuensi Pendengar (Hz)

fs: Frekuensi sumber bunyi

v: cepat rambat bunyi di udara (m/s)

vp: kecepatan pengamat

vs: kecepatan sumber bunyi beri tandKetentuan tanda vp dan vs1. Jika p bergerak mendekati s, maka vp di beri tanda (+)

2. Jika p bergerak menjauhi s, maka vp di beri tanda (-)

3. Jika s bergerak mendekati p, maka vs di beri tanda (-)

4. Jika s bergerak menjauhi p, maka vs diberi tanda (+)

5. Jika p dan s keduannya sama sama diam, vp=vs.

Contoh Soal:1. Dari pengukuran diketahui panjang gelombang bunyi dalam suatu zat 18 cm, sedangkan frekuensinya 1900 Hz. Berapa cepat rambat bunyi tersebut?

Penyelesaian:

Diket:

=18 cm

f=1900 Hz

dit: v= .?

Jawab:

v= . f

v=1900 . 0,18

v=342 m/s

2. Berapakah cepat rambat bunyi di dalam gas neon yang bersuhu 27 0C? neon sebagai gas monoatomik mempunyai = 1,67 dan M= 20,18 kg/kmol K.Penyelesaian:

3. Berapakah cepat rambat gelombang pada sebatang tembaga yang memiliki modulus young sebesar 11 x 1010 N/m2 dan = 8,9 gr/cm3Penyelesaian:

4. Sebuah mobil membunyikan klakson dan bergerak menjauhi pendengar yang diam. Kecepatan mobil itu 72 km/jam dan frekuensi klaksonnya 150 Hz. Bila cepat rambat bunyi di udara 340 m/s, berapakah frekuensi yang terdengar oleh pendengar?

Penyelesaian:

Soal Evaluasi1. Cepat rambat bunyi di udara pada suhu 20 0C adalah 340 m/s. berapa cepat rambatnya bila suhu udara naik menjadi 37 0C?

Jawab:

......

2. Sebuah pemancar radio dikatakan memiliki frekuensi 50 MHz. Bila cepat rambat gelombang radio adalah 300000 km/s, berapakah panjang gelombang yang dipancarkan pemancar itu?

Jawab:

Jawab:

......

3. Berapa cepat rambat bunyi pada sebatang logam yang mempunyai modulus young 1,2 x 1010 N/m2 dan massa jenis 8920 kg/m3?

Jawab:

4. Pada saat anda berdiri di tepi jalan raya tiba-tiba sebuah mobil mendekati anda dengan kecepatan 72 km/jam sambil membunyikan klaksonnya. Jika cepat rambat bunyi di udara 340 m/s, ternyata frekuensi bunyi yang ditangkap 680 Hz. Berapa frekuensi klakson mobil sebenarnya?Jawab:

5. Sebuah sumber dengan frekuensi 1024 Hz bergerak mendekati seorang pengamat dengan kecepatan 34 m/s. jika pengamat bergerak menjauhi sumber bunyi dengan kecepatan 17 m/s. tentukan frekuensi yang di dengar oleh pengamat?

Jawab:

KEMAGNETANA. Medan Magnet di sekitar kawat berarus

1. Arah induksi magnet

Medan magnet adalah daerah di sekitar suatu magnet dimana magnet lain atau benda lain yang mudah dipengaruhi magnet akan mengalami gaya magnet jika di letakkan dalam daerah tersebut.Induksi magnet adalah besaran yang menyatakan medan magnet disekitar kawat berarus listrik (diberi lambang B). induksi magnet termasuk besaran vector yaitu memiliki besar dan arah.

Untuk memudahkan mengingat arah garis medan magnet disekitar kawat lurus berarus, lita dapat menggunakan kaidah putaran tangan kanan

Untuk kawat lurus berarus

Apabila kita menggenggam kawat lurus dengan tangan kanan sedemikian hingga ibu jari menunjukkan arah arus listrik, maka arah putaran keempat jari yang dirapatkan akan menyatakan arah putaran garis-garis gaya magnet.

Untuk kawat melingkar berarus

Arah putaran arus listrik sesuai dengan arah putaran ke empat jari yang di rapatkan sedangakan arah ibu jari menunjukkan arah garis-garis gaya magnet.

2. Besar induksi magnet

Besar induksi magnetkawat lurus sangat panjang dan berarus

Besar induksi magnet kawat melingkar berarus

Besar induksi dipusat kumparan kawat lingkaran berarus adalah

Jika kawat melingkar terdiri dari N lilitan, maka:

Besar induksi magnet solenoidaSolenoida atau yang sering disebut kumparan adalah seutas kawat panjang yang dililitkan mengitari sebuah penampang berbentuk silinder.

Besar induksi magnet ditengah-tengah solenoida adalah

Untuk solenoida yang sangat panjang dibandingkan dengan ukuran diameternya, induksi magnet di ujung solenoid adalah setengah dari induksi magnet di pusat solenoid. Besar induksi magnet di ujung solenoid adalah t

Besar induksi magnet di sumbu toroida

N: Banyaknya lilitan fluida

a: jari-jari efektif toroida

B. Gaya Lorentz

1. Gaya Lorentz pada penghantar berarus

Jika suatu kawat berarus berad adalam daerah medan magnet, maka kawat akan mengalami gaya magnet, yang sering disebut gaya Lorentz.

Arah gaya Lorentz yang dialami oleh sebuah konduktor dalam medan magnet dapat ditentukan dengan kaidah telapak tangan yang berbunyi sebagai berikut:Apabila tangan kanan dibuka dengan ibu jari menunjukkan arah arus I dan keempat jari lain yang dirapatkan menunjuk induksi magnet B, maka arah telapak tangan menekan menunjukkan arah gaya Lorentz F.

Besar gaya Lorentz :

Dengan L adalah panjang konduktor dan adalah sudut apit terkecil antara arah arus I dan arah induksi magnet B.

Besar momen kopel yang dialami loop penghantar berarus dalam medan magnet adalah:

Gaya Lorentz antara dua kawat lurus panjang, sejajar dan berararus

Dua kawat panjang sejajar berarus listrik akan tarik menarik jika dialiri arus yang searah, dan tolak menolak jika dialiri arus yang berlawanan arah. Besar gaya tarik-menarik atau tolak-menolak per satuan panjang kawat (F/L) adalah:

2. Gaya Lorentz pada partikel bermuatan listrikRumus:

Dengan q adalah muatan listrik (C), v=kecepatan partikel (m/s), B=besar induksi magnet (wb/m2)

adalah sudut antara arah v dan arah B.SOAL EVALUASI

1. Dua kutub magnet sejenis kekuatannya 10-3 A.m

a. Beberapa gaya tolak menolaknya jika jaraknya 25 cm.

b. Berapa jarak antara kutub-kutub itu bila gaya tolak-menolaknya 10 N.Jawab:

2. Sebuah kutub magnet mempunyai kekuatan 10-5 A.m

a. Berapa kuat medan di satu titik yang jaraknya 1 m.

b. Berapa induksi magnetik di tempat itu ?

c. Berapa kuat medan dan induksi magnetik pada jarak 0,25 m.Jawab

3. Kuat medan di titik dalam medan magnet 5 N/A.m

a. Berapa besar gaya yang bekerja pada magnet yang kekuatannya 10A.m dititik itu ?

b. Berapa besar induksi magnetik di tempat itu ?Jawab

4. Berapa fluks magnetik kutub magnet yang kekuatannya 10-2Jawab:5. Medan magnet yang serba sama mempunyai kuat medan sebesar 107 N/A.m

a. Berapa induksi magnetiknya ?

b. Berapa fluks magnetik yang tegak lurus bidang seluas 2 m2

c. Jika bidang itu mengapit sudut 300 dengan medan magnet. Berapa

fluks magnetik yang menembus bidang itu ?Jawab:6. Sebuah penghantar bergerak dengan kecepatan 15 m/s pada suatu medan magnet homogen. Berapa tesla kuat medan magnet tersebutjika ggl induksi yang timbul 102 volt dan panjang kawatnya 10 cm?

Jawab:

7. sebuah kawat berbentuk persegi panjang dengan luas 20 cm2 diletakkan didalam medan magnet B = 10-2 tesla. Hitung fliks magnetpada kawat tersebut jika :a. B tegak lurus bidang kawat!

b. B membentuk sudut 300 dengan bidang kawat!Jawab:

Contoh Soal:

Sebuah titik O bergetar harmonis menghasilkan gelombang berjalan transversal. Cepat rambat gelombang 25 m/s. frekuensinya 5 Hz dan amplitudonya 10 cm. Hitunglah simpangan dan fase titik P yang berjarak 4 m dari titik O setelah titik O bergetar 0,5 detik!

Penyelesaian: