Fisika Ko 2014 MEXT Monbukagakusho

 

Jawaban: (1) 4,2 m/s², (2) 28 N.PenjelasanGunakan hukum Newton untuk sistem katrol: $a = \frac{(m_1 - m_2)g}{m_1 + m_2}$Substitusi nilai: $a = \frac{(5,0 - 2,0) \times 9,8}{5,0 + 2,0} = \frac{3,0 \times 9,8}{7,0} = \frac{29,4}{7,0} = 4,2$ m/s².Hitung tegangan tali $T$ menggunakan persamaan $T = m_1(g - a)$ atau $T = m_2(g + a)$$T = 2,0 \times (9,8 + 4,2) = 2,0 \times 14,0 = 28$ N.

(1) Energi potensial di A adalah $mgl$. Di titik B, seluruh energi potensial berubah menjadi energi kinetik ($EK_B = mgl$). Jawaban: $mgl$(2) $EK_B = \frac{1}{2}mv_B^2 = mgl$. Maka, $v_B^2 = 2gl \implies v_B = \sqrt{2gl}$. Jawaban: $\sqrt{2gl}$(3) Ketinggian titik C dari titik terendah B adalah $h_C = l - l \cos(60^\circ) = l - 0,5l = 0,5l$. Hukum kekekalan energi: $mgl = \frac{1}{2}mv_C^2 + mg(0,5l)$. Maka, $0,5mgl = \frac{1}{2}mv_C^2 \implies v_C = \sqrt{gl}$. Jawaban: $\sqrt{gl}$(4) Gaya sentripetal di C: $T - mg \cos(60^\circ) = \frac{mv_C^2}{l}$. Substitusi $v_C^2 = gl$: $T - 0,5mg = \frac{m(gl)}{l} = mg$. Maka, $T = mg + 0,5mg = 1,5mg$. Jawaban: $1,5mg$

Jawaban: (1) 68,0 cm; (2) 0,3 cm; (3) 500 Hz.PenjelasanJarak antara dua resonansi berturut-turut adalah setengah panjang gelombang ($\lambda/2$). Maka, $\lambda/2 = 50,7\text{ cm} - 16,7\text{ cm} = 34,0\text{ cm}$. Jadi, $\lambda = 68,0\text{ cm}$Resonansi pertama terjadi pada $L_1 = \lambda/4 - x$, di mana $x$ adalah koreksi ujung. $16,7 = 68,0/4 - x \Rightarrow 16,7 = 17,0 - x \Rightarrow x = 0,3\text{ cm}$Menggunakan rumus $v = f\lambda$. Dengan $v = 340\text{ m/s} = 34000\text{ cm/s}$ dan $\lambda = 68,0\text{ cm}$, maka $f = 34000 / 68,0 = 500\text{ Hz}$

(1) 350 N/C, (2) 120 V, (3) 3,6 × 10⁻⁶ JPenjelasanMenghitung medan listrik di titik A. Jarak $r = 0,30$ m. Medan listrik dari satu muatan $E_1 = kQ/r^2 = (9,0 \times 10^9)(2,0 \times 10^{-9}) / (0,30)^2 = 200$ N/C. Karena segitiga sama sisi, sudut antara dua vektor medan adalah 60°. Resultan $E = \sqrt{E_1^2 + E_1^2 + 2E_1^2 \cos(60^\circ)} = E_1\sqrt{3} = 200 \times 1,73 = 346$

N/C. Dibulatkan menjadi 350 N/C.Menghitung potensial listrik di A ($V_A$) dan B ($V_B$).$V_A = 2 \times (kQ/r) = 2 \times (9,0 \times 10^9 \times 2,0 \times 10^{-9} / 0,30) = 120$ V.Jarak dari muatan ke B adalah $r' = 0,15$ m.$V_B = 2 \times (kQ/r') = 2 \times (9,0 \times 10^9 \times 2,0 \times 10^{-9} / 0,15) = 240$ V.Beda potensial $V_B - V_A = 240 - 120 = 120$ V.Menghitung energi kinetik ($K$) di B. Perubahan energi kinetik sama dengan usaha oleh medan listrik: $K = -q(V_B - V_A)$$K = -(-3,0 \times 10^{-8} \text{ C}) \times 120 \text{ V} = 3,6 \times 10^{-6}$

Jawaban: (1) 0 V, (2) 40 μC, (3) 20 V, (4) 1,3 μF.PenjelasanAnalisis rangkaian. Rangkaian ini adalah jembatan Wheatstone. Cabang atas: $C_2$ dan $C_3$ seri ($C_{atas} = \frac{1 \cdot 2}{1+2} = 0,67 \mu F$). Cabang bawah: $C_4$ dan $C_5$ seri ($C_{bawah} = \frac{1 \cdot 2}{1+2} = 0,67 \mu F$). Karena $C_2/C_3 = C_4/C_5$ ($1/2 = 1/2$), jembatan seimbang, tidak ada arus melalui $C_1$Potensial di $C_1$. Karena jembatan seimbang, beda potensial antara titik tengah cabang atas dan bawah adalah nol. Maka, $V_{C1} = 0$ V.Muatan pada $C_2$. $C_2$ dan $C_3$ seri dengan total $0,67 \mu F$. Muatan $Q = C_{eq} \cdot V = 0,67 \mu F \cdot 60 V = 40 \mu C$. Karena seri, $Q_{C2} = 40 \mu C$Potensial pada $C_5$. Tegangan pada cabang bawah terbagi antara $C_4$ dan $C_5$. $V_{C5} = V \cdot \frac{C_4}{C_4+C_5} = 60 \cdot \frac{1}{1+2} = 20$ V.Kapasitansi ekuivalen. $C_{eq} = C_{atas} + C_{bawah} = 0,67 + 0,67 = 1,33 \mu F$. Dibulatkan menjadi $1,3 \mu F$

Menggunakan Hukum Pertama Termodinamika $\Delta U = Q - W$. Untuk lintasan AEB: $\Delta U = 100\text{ J} - 60\text{ J} = 40\text{ J}$. Jawaban: 40.Karena $\Delta U$ adalah fungsi keadaan, $\Delta U_{ACB} = \Delta U_{AEB} = 40\text{ J}$. Dengan $W_{ACB} = 90\text{ J}$, maka $Q = \Delta U + W = 40\text{ J} + 90\text{ J} = 130\text{ J}$. Jawaban: 130.Untuk proses isobarik CB, $W_{CB} = P_C(V_B - V_C)$. Karena AC isokhorik ($V_C = V_A$) dan DB isokhorik ($V_D = V_B$), maka $W_{CB} = P_C(V_D - V_A)$. Dari data $W_{ACB} = W_{AC} + W_{CB} = 0 + W_{CB} = 90\text{ J}$. Maka $Q_{CB} = \Delta U_{CB} + W_{CB} = 20\text{ J} + 90\text{ J} = 110\text{ J}$. Jawaban: 110.Proses ADB terdiri dari AD (isobarik, $P_A$) dan DB (isokhorik, $W=0$). $W_{ADB} = W_{AD} = P_A(V_D - V_A)$. Diketahui $W_{CB} = P_C(V_D - V_A) = 90\text{ J}$. Dengan $P_C = 2P_A$, maka $2P_A(V_D - V_A) = 90\text{ J}$, sehingga $W_{AD} = 45\text{ J}$. $\Delta U_{ADB} = \Delta U_{AD} + \Delta U_{DB} = \Delta U_{AB} = 40\text{ J}$. Maka $Q_{ADB} = \Delta U_{ADB} + W_{ADB} = 40\text{ J} + 45\text{ J} = 85\text{ J}$. Jawaban: 85.