Saturday, 1 October 2016

Pembahasan Fisika UN: Gaya Coulomb

Pembahasan soal-soal Ujian Nasional (UN) SMA-IPA bidang studi Fisika dengan materi pembahasan Gaya Coulomb.

Soal Gaya Coulomb UN 2013

Dua buah muatan listrik diletakkan terpisah seperti pada gambar.

Dua muatan yang terpisah sejauh 4 cm

Muatan di A adalah 8 μC dan gaya tarik-menarik yang bekerja pada kedua muatan adalah 45 N. Jika muatan A digeser ke kanan sejauh 1 cm dan k = 9.109 N.m2.C−2 maka gaya tarik-menarik yang bekerja pada kedua muatan sekarang adalah ....

A.   45 N
B.   60 N
C.   80 N
D.   90 N
E.   120 N




Pembahasan

Pada jarak 4 cm, besar gaya tarik-menarik antarmuatan atau gaya Coulomb sebesar 45 N. 

r1 = 4 cm 
F1 = 45 N

Kemudian muatan A digeser ke kanan sejauh 1 cm sehingga jarak kedua muatan menjadi 3 cm. 

r2 = 3 cm 
F2 = ?

Artinya, kita disuruh mencari hubungan antara perubahan jarak terhadap perubahan gaya Coulomb. Rumus yang berlaku untuk hubungan tersebut adalah

Rumus gaya Coulomb antara muatan A dan B yang berjarak r

k adalah konstanta, sedangkan QA dan QB pada keadaan (1) dan (2) nilainya sama sehingga hubungan F dan r adalah

Hubungan antara gaya Coulomb dengan jarak muatan
       = 80

Jadi, gaya Coulomb yang bekerja setelah jaraknya digeser 1 cm adalah 80 N (C).   

Soal Gaya Coulomb UN 2015

Perhatikan gambar berikut!

Gaya Coulomb antarmuatan

Letak muatan ketiga agar muatan ketiga tersebut tidak mengalami gaya Coulomb adalah ... (k = 9.109 N.m2.C−2 dan μC = 10−6 ).

A.   2,4 dari muatan A
B.   2,4 dari muatan B
C.   4,8 dari muatan A
D.   4,8 dari muatan B
E.   5,0 dari muatan B



Pembahasan

Perhatikan gaya Coulomb yang terjadi pada muatan-muatan berikut ini!

Gaya Coulomb yang terjadi pada muatan ketiga

Misal muatan ketiga tersebut adalah C. Jika tidak disebutkan dalam soal maka muatan C adalah positif.

Antara muatan C dan A terjadi gaya tolak-menolak sehingga di titik C arah gayanya ke kanan, kita sebut FA. Antara muatan C dan B juga terjadi gaya tolak-menolak sehingga di titik C arah gayanya ke kiri, kita sebut FB.

Agar muatan C tidak mengalami gaya Coulomb, maka besar gaya Coulomb ke kanan yang dialaminya harus sama dengan besar gaya Coulomb ke kiri. 

FA = FB

Sementara itu, gaya Coulomb yang terjadi antarmuatan dirumuskan sebagai

Rumus gaya Coulomb yang terjadi antarmuatan

Berdasarkan rumus di atas, diperoleh:

Penghitungan jarak muatan ketiga terhadap muatan A, gaya Coulomb di C = 0
          2x = 24 − 3x  [dikalikan silang]
          5x = 24
            x = 4,8

Jadi, letak muatan ketiga tersebut adalah 4,8 cm dari titik A (C).

Soal gaya Coulomb UN 2011

Perhatikan gambar di bawah ini!

3 muatan terletak segaris

Ketiga muatan listrik q1, q, dan q2 adalah segaris. Bila q = 5,0 μC dan d = 30 cm maka besar dan arah gaya listrik yang bekerja pada muatan q adalah … (k = 9 × 109 Nm2/C2)

A.   7,5 N menuju q1
B.   7,5 N menuju q2
C.   15 N menuju q1
D.   22,5 N menuju q1
E.   22,5 N menuju q2




Pembahasan

Diketahui: 

q = 5,0 μC
   = 5×10−6 C 

q1 = 30 μC
    = 3×10−5 C 

q2 = 60 μC
    = 6×10−5 C 

r1 = d = 30 cm
          = 3×10−1 m 

r2 = 2d = 60 cm
            = 6×10−1 m 

k = 9 × 109 Nm2/C

Perhatikan gambar gaya-gaya yang terjadi pada muatan q berikut ini!

Gaya-gaya yang bekerja pada muatan q

Pada muatan q terjadi gaya tolak-menolak antara q dan q1 sehingga arah gaya di q ke kanan (F1). Di samping itu juga terjadi gaya tolak-menolak antara q dan q2 sehingga arah gaya di q ke kiri (F2).

Besar gaya F1 dan F2 adalah

Besar gaya-gaya yang bekerja pada muatan q

Misalkan gaya ke arah kanan bernilai positif dan ke arah kiri bernilai negatif maka resultan gaya Coulomb yang bekerja pada muatan q adalah

F = F1 + F2
   = +15 N − 7,5 N
   = +7,5 N (7,5 N ke kanan)

Jadi, besar dan arah gaya listrik yang bekerja pada muatan q adalah 7,5 N menuju q2 (B).

Soal Gaya Coulomb UN 2012

Tiga muatan listrik disusun seperti gambar.

Susunan tiga muatan listrik

Besar dan arah gaya coulomb pada muatan B adalah … (k = 9.109 N.m2.C−2 dan μC = 10−6 ).

A.   2,5 kQ2 r−2 ke kiri
B.   2,5 kQ2 r−2 ke kanan
C.   2 kQ2 r−2 ke kiri
D.   2 kQ2 r−2 ke kanan
E.   1 kQ2 r−2 ke kiri

Pembahasan

Diketahui: 

QA = Q
QB = −2Q
QC = −Q
rBA = r
rBC = 2r
 
Sekarang perhatikan gaya Coulomb yang bekerja pada muatan B berikut ini!

Gaya Coulomb yang bekerja pada muatan B

Antara muatan A dan B terjadi tarik-menarik sehingga arah gaya di B ke kiri (FBA). Antara muatan B dan C terjadi tolak-menolak sehingga arah gaya di B juga ke kiri (FBC).

Besar gaya Coulomb pada muatan B

Karena FBA dan FBC searah (ke kiri) maka arah resultan gaya pada muatan B adalah ke kiri dan besarnya merupakan jumlah dari dua gaya tersebut. 

FB = FBA + FBC
     = 2 kQ2 r−2 + 0,5 kQ2 r−2
     = 2,5 kQ2 r−2

Jadi, besar dan arah gaya Coulomb pada muatan B adalah 2,5 kQ2 r−2 ke kiri (A).

Soal Gaya Coulomb UN 2014

Tiga muatan titik membentuk posisi segitiga sama sisi seperti pada gambar berikut ini.

Tiga muatan titik pada segitiga sama sisi

Jarak antara ketiga muatan masing-masing 30 cm. Jika Q1 = −10 μC, Q2 = Q3 = 4 μC, dan k = 9.109 N.m2.C−2 maka besar resultan gaya Coulomb pada muatan Q1 adalah ... (1 μ = 10−6).

A.   √12 N
B.   √32 N
C.   √40 N
D.   √48 N
E.   √64 N

Pembahasan

Diketahui: 

Q1 = −10 μC
     = −10−5 C 

Q2 = Q3 = 4 μC
             = 4×10−5 C 

k = 9.109 N.m2.C−2 

r12 = r13 = 30 cm
              = 3×10−1 m

Perhatikan gaya Coulomb yang terjadi pada muatan Q1 berikut ini!

Gaya Coulomb yang terjadi pada muatan Q1

Muatan Q1 mendapat interaksi gaya dari Q2 dan Q3. Antara Q1 dan Q2 terjadi gaya tarik menarik (muatan tak sejenis) sehingga di titik Q1 arah gaya Coulomb menuju Q2, kita sebut F12.

Antara Q1 dan Q3 juga terjadi gaya tarik-menarik sehingga arah gaya Coulomb di Q1 menuju Q3, kita sebut F13.

Besar gaya Coulomb F12 dan F13 adalah sama. Hal ini karena muatan Q2 = Q3 dan jarak r12 = r13 (segitiga sama sisi).

Gaya Coulomb yang bekerja pada Q1
                     = 4 N

Sudut yang dibentuk F12 dan F13 adalah 60° (karena segitiga sama sisi). Sehingga resultan gaya pada muatan Q1 adalah

Resultan gaya Coulomb pada muatan Q1
       = √48

Jadi, resultan gaya Coulomb pada muatan Q1 adalah √48 N (D).

Dapatkan pembahasan soal dalam file pdf  di sini.

Pembahasan soal Gaya Coulomb yang lain bisa dilihat di:
Pembahasan Fisika UN 2014 No. 26
Pembahasan Fisika UN 2015 No. 32
Pembahasan Fisika UN 2016 No. 31

Simak juga, Pembahasan Fisika UN: Medan dan Potensial Listrik.

Demikian, berbagi pengetahuan dengan Kak Ajaz. Silakan bertanya di kolom komentar apabila ada pembahasan yang kurang jelas. Semoga berkah.



No comments:

Post a Comment

Maaf, komentar yang tidak berhubungan dengan konten, banyak mengandung singkatan kata, atau mengandung link aktif, tidak kami tayangkan.

Komentar Anda akan kami moderasi sebelum kami tayangkan. Centang 'Notify me' agar Anda mendapat pemberitahuan lewat email bahwa komentar Anda sudah ditayangkan