PEMROGRAMAN I - Aplikasi Console Untuk Menghitung 5 Rumus Dasar Materi Fisika Menggunakan Bahasa Pemrograman Java

Berikut adalah 5 materi fisika dasar yang akan dibahas beserta dengan output program yang menyertai contoh-contoh soal sebagai implementasi program yang telah kami buat:

1.)                DAYA LISTRIK

2.)                ENERGI LISTRIK

3.)                SUHU

4.)                ENERGI KINETIK

5.)                USAHA

 1.)        DAYA LISTRIK

Daya Listrik – Masih ingatkah kamu konsep daya saat belajar di kelas VIII? Pengertian daya pada mekanika menjadi dasar penurunan daya pada listrik dinamik. Pada mekanika, yang dimaksud dengan daya adalah kecepatan melakukan usaha. Adapun, pada listrik dinamik, daya listrik adalah jumlah energi listrik yang digunakan tiap detik. Besar daya listrik dirumuskan sebagai berikut.

Karena W = VIt, maka persamaan daya listrik dapat ditulis sebagai berikut.

dengan:

P = daya listrik satuannya watt (W)
V= tegangan listrik satuannya volt (V)
I = kuat arus listrik satuannya ampere (A)

Satuan daya listrik dalam SI adalah watt (W). Untuk daya listrik yang besar menggunakan satuan kilowatt (kW) atau megawatt (MW), dimana

1 kW = 1.000 watt = 10³ watt

1 MW= 1.000.000 watt = 10⁶ watt

Contoh Soal Daya Listrik

1. Lampu dipasang pada tegangan 220 V mengalir arus listrik 500 mA. Tentukan besar daya pada lampu.

Penyelesaian:

Diketahui:

V = 220 volt

I = 500 mA = 0,50 A

Ditanyakan: P= … ?

Jawab:

P = V x I
P = 220 u0,5
P = 110 watt

2.)        ENERGI LISTRIK

Energi Listrik – Energi listrik dapat berubah menjadi bentuk energi lain. Untuk mengubah energi listrik menjadi energi lain diperlukan alat listrik. Setrika merupakan alat listrik yang memiliki hambatan, jika digunakan memerlukan tegangan, arus listrik, dan waktu penggunaan. Hambatan, tegangan, kuat arus, dan waktu itulah yang memengaruhi besar energi listrik. Bagaimanakah merumuskan hubungan energi listrik dengan hambatan, tegangan, kuat arus, dan waktu? Untuk menjawab pertanyaan di atas lakukan Kegiatan 10.1 secara berkelompok. Sebelumnya bentuklah satu kelompok yang terdiri 4 siswa; 2 laki-laki dan 2 perempuan.

Kegiatan : Mengamatai Gejala Energi Listrik

Tujuan:

1. Mengamati hubungan energi listrik dengan hambatan, tegangan, kuat arus, dan waktu

2. Menunjukkan perubahan energi listrik menjadi energi bentuk lain (panas)

Alat dan Bahan:

– Baterai 6 buah

– Reostat

– Amperemeter

– Kawat nikelin

– Sakelar

– Termometer

– Voltmeter

– Stopwatch

Cara Kerja:

1. Lilitkan kawat nikelin pada badan termometer kemudian susunlah alat seperti gambar.

2. Pasang dua baterai dan catatlah suhu awal termometer ke dalam tabel.

3. Hidupkan sakelar bersamaan menghidupkan stopwatch dan catat kenaikan suhu setiap 5 menit.

4. Catat kuat arus dan tegangan yang terukur pada amperemeter dan voltmeter.

5. Matikan sakelar dan ulangi langkah 1 s.d 4 sesuai data dalamtabel pengamatan.

6. Catatlah hasil pengamatan kelompokmu pada sebuah tabel di buku kerjamu.

Pertanyaan:

1. Bagaimanakah pengaruh tegangan, kuat arus, jumlah lilitan dan waktu terhadap kenaikan suhu termometer?

2. Nyatakan kesimpulan kelompokmu dalam buku kerjamu.

3. Diskusikan hasilnya dengan kelompokmu. Kemudian bandingkan dengan hasil diskusi kelompok lain.

Jika kegiatan tersebut kamu lakukan dengan cermat, akan kamu peroleh hubungan antara tegangan, kuat arus, jumlah lilitan, dan waktu terhadap kenaikan suhu. Kenaikan suhu makin besar jika tegangan membesar, kuat arus membesar, dan waktu makin lama. Dengan demikian, besar energi listrik dapat ditulis dalam bentuk persamaan berikut.

W = V × I × t

Dengan:

W= besar energi listrik (joule)

V= besar tegangan listrik (volt)

I = besar kuat arus listrik (ampere)

t = selang waktu (sekon)

Berdasarkan rumus di atas dapat dikatakan bahwa besar energi listrik bergantung oleh tegangan listrik, kuat arus listrik, dan waktu listrik mengalir. Energi listrik akan makin besar, jika tegangan dan kuat arus makin besar serta selang waktu makin lama. Karena menurut Hukum Ohm V = IR, maka persamaan tersebut dapat diturunkan menjadi persamaan berikut.

Dapatkah kamu membuktikan kebenaran penurunan rumus di atas? Satuan energi listrik dalam SI adalah joule (J). Adapun, satuan energi listrik yang sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari adalah kWh (kilowatt hour atau kilowatt jam). Dalam hal ini

1 kWh = 1 kilo × 1 watt × 1 jam

= 1.000 × 1 watt × 3.600 sekon

= 3.600.000 watt sekon

= 3,6 ×10⁶ joule

Selain itu dalam kehidupan sehari-hari, energi listrik sering dimanfaatkan sebagai pemanas (misalnya setrika, solder, atau heater)

Contoh Soal Energi Listrik

1. Lampu yang dipasang di ruang tamu rumah Bapak Budi tegangannya 220 V mengalir arus listrik 2 A selama 5 menit. Tentukan besar energi listrik yang diperlukan lampu untuk menyala dengan baik.

Penyelesaian:

Diketahui:

V= 220 V

I = 2 A

t = 5 menit = 300 s

Ditanyakan:

W = … ?

Jawab:

W = V × I × t

W = 220 × 2 × 300
W = 132.000 J = 132 kJ

3.)        SUHU

Suhu atau biasa disebut juga dengan temperatur merupakan derajat panas atau dingin dari suatu benda. Suhu suatu benda tergantung pada energi kinetik (gerak) dari molekul-molekul benda yang ada di dalamnya. Suhu suatu benda biasanya dinyatakan dalam satuan derajat Celcius. Dan, untuk mengukur suhu kita dapat menggunakan alat yang disebut termometer.

Ada beberapa skala satuan suhu, misalnya Celcius (C), Reamur (R), Fahrenheit (F), dan Kelvin (K). Diantara skala satuan suhu tersebut, skala Celcius merupakan skala yang paling banyak dipakai di berbagai negara di seluruh dunia, kecuali negara-negara yang berbahasa Inggris, mereka umumnya menggunakan skala Fahrenheit.

Satuan Celcius ditetapkan oleh seorang ilmuwan Swedia bernama Celcius yang melakukan pengukuran dengan mengambil es yang sedang mencair sebagai titik bawah yang disebut 0 derajat Celcius, sedangkan titik atasnya adalah suhu air yang sedang mendidih pada tekanan 76 cmHg yang disebut 100 derajat Celcius. Dari skala Celcius tersebut, suhu suatu benda dapat dinyatakan (dikonversi) ke dalam skala lainnya dengan rumus (formula) tertentu yang sudah ditetapkan.

1.      Termometer skala Celcius
Merupakan termometer yang menggunakan skala Celcius (C).

Titik didih air: 100 derajat Celcius (100 C)
Titik beku: 0 derajat Celcius (0 C)

Dari 0 derajat Celcius sampai 100 derajar Celcius dibagi dalam 100 skala.

2.      Termometer skala Reamur
Merupakan termometer yang menggunakan skala Reamur (R).

Titik didih air: 80 derajat Reamur (80 R)
Titik bekunya: 0 derajat Reamur (0 R)

Dari 0 derajat Reamur sampai 80 derajar Reamur dibagi dalam 80 skala.

3.      Termometer skala Fahrenheit
Merupakan termometer yang menggunakan skala Fahrenheit (F).

Titik didih air: 212 derajat Fahrenheit (212 F)
Titik bekunya: 32 derajat Fahrenheit (32 F)

Dari 32 derajat Fahrenheit sampai 212 derajar Fahrenheit dibagi dalam 180 skala.

4.      Termometer skala Kelvin
Merupakan termometer yang menggunakan skala Kelvin (K).

Titik didih air: 373 Kelvin (373 K)
Titik bekunya: 273 Kelvin (273 K)

Dari 273 Kelvin sampai 373 Kelvin dibagi dalam 100 skala.

Konversi Suhu

Konversi suhu merupakan cara untuk menyatakan suhu suatu benda dari satu skala ke dalam skala lainnya. Jadi, suhu suatu benda dalam Celcius dapat dikonversi (diubah) ke dalam skala lainnya yaitu Reamur, Fahrenheit, dan Kelvin. Untuk mengonversi (mengubah) suhu dari satu skala ke skala lain, dapat menggunakan rumus atau formula tertentu yang sudah ditetapkan.

§  Konversi Suhu dari Celcius (C) ke Reamur (R)

Rumusnya adalah :

R = (4/5) C

R = suhu dalam skala Reamur
C = suhu dalam skala Celcius

Contoh: Suhu suatu benda dalam skala Celcius menunjukkan 100 C. Bila dikonversi ke dalam skala Reamur (R) adalah:

R = (4/5) C
R = (4/5) 100 = 80 R

Jadi, suhu benda yang menunjukkan angka 100 dalam skala Celcius (C) sama dengan 80 dalam skala Reamur (R).

§  Konversi Suhu dari Celcius (C) ke Fahrenheit (F)

Rumusnya adalah:

F = (9/5) C + 32

F = suhu dalam skala Fahrenheit
C = suhu dalam skala Celcius

Contoh: Suhu suatu benda dalam skala Celcius menunjukkan 100 C. Bila dikonversi ke dalam skala Fahrenheit (F) adalah:

F = (9/5) C + 32
F = (9/5) 100 + 32 = 212 F

Jadi, suhu benda yang menunjukkan angka 100 dalam skala Celcius (C) sama dengan 212 dalam skala Fahrenheit (F).

§  Konversi Suhu dari Celcius (C) ke Kelvin (K)

Rumusnya adalah:

K = C + 273

K = suhu dalam Kelvin
C = suhu dalam Celcius

Contoh: Suhu suatu benda dalam skala Celcius menunjukkan 100 C. Bila dikonversi ke dalam Kelvin (K) adalah:

K = C + 273
K = 100 + 273 = 373 K

Jadi, suhu benda yang menunjukkan angka 100 dalam skala Celcius (C) sama dengan 373 dalam skala Kelvin (K).

Tak hanya dari skala Celcius (C), konversi juga dapat dilakukan dari skala lainnya yaitu Reamur (R), Fahrenheit (F), dan Kelvin (K).

Secara ringkas, rumus untuk mengkonversi suhu dari skala satu ke skala lainnya adalah:

§  Konversi suhu dari Celcius (C) ke Reamur (R), Fahrenheit (F), dan Kelvin (K) adalah:

R = (4/5) C
F = (9/5) C + 32
K = C + 273

§  Konversi suhu dari Reamur (R) ke Celcius (C), Fahrenheit (F), dan Kelvin (K) adalah:

C = (5/4) R
F = (9/4) R + 32
K = C + 273 = (5/4) R + 273

§  Konversi suhu dari Fahrenheit (F) ke Celcius (C), Reamur (R), dan Kelvin (K) adalah:

C = 5/9 (F-32)
R = 4/9 (F-32)
K = 5/9 (F-32) + 273 

§  Konversi suhu dari Kelvin (K) ke Celcius (C), Reamur (R), Fahrenheit (F) adalah:

C = K – 273
R = 4/5 (K-273)
F = 9/5 (K-273) + 32 

4.)        ENERGI KINETIK

Setiap benda yang bergerak memiliki energi. Ketapel yang ditarik lalu dilepaskan sehingga batu yang berada di dalam ketapel meluncur dengan kecepatan tertentu. Batu yang bergerak tersebut memiliki energi. Jika diarahkan pada ayam tetangga maka kemungkinan besar ayam tersebut lemas tak berdaya akibat dihajar batu. Pada contoh ini batu melakukan kerja pada ayam ;) Kendaraan beroda yang bergerak dengan laju tertentu di jalan raya juga memiliki energi kinetik. Ketika dua buah kendaraan yang sedang bergerak saling bertabrakan, maka bisa dipastikan kendaraan akan digiring ke bengkel untuk diperbaiki. Kerusakan akibat tabrakan terjadi karena kedua mobil yang pada mulanya bergerak melakukan usaha / kerja satu terhadap lainnya. Ketika tukang bangunan memukul paku menggunakan martil, martil yang digerakan tukang bangunan melakukan kerja pada paku.

Setiap benda yang bergerak memberikan gaya pada benda lain dan memindahkannya sejauh jarak tertentu. Benda yang bergerak memiliki kemampuan untuk melakukan kerja, karenanya dapat dikatakan memiliki energi. Energi pada benda yang bergerak disebut energi kinetik. Kata kinetik berasal dari bahasa yunani, kinetikos, yang artinya “gerak”. ketika benda bergerak, benda pasti memiliki kecepatan. Dengan demikian, kita dapat menyimpulkan bahwa energi kinetik merupakan energi yang dimiliki benda karena gerakannya atau kecepatannya.

Sekarang mari kita turunkan persamaan Energi Kinetik.

Untuk menurunkan persamaan energi kinetik, bayangkanlah sebuah benda bermassa m sedang bergerak pada lintasan lurus dengan laju awal vo.

Agar benda dipercepat beraturan sampai bergerak dengan laju v maka pada benda tersebut harus diberikan gaya total yang konstan dan searah dengan arah gerak benda sejauh s. Untuk itu dilakukan usaha alias kerja pada benda tersebut sebesar W = F s. Besar gaya F = m a.

Karena benda memiliki laju awal vo, laju akhir vt dan bergerak sejauh s, maka untuk menghitung nilai percepatan a, kita menggunakan persamaan vt2 = vo2 + 2as.

Kita subtitusikan nilai percepatan a ke dalam persamaan gaya F = m a, untuk menentukan besar usaha :

Persamaan ini menjelaskan usaha total yang dikerjakan pada benda. Karena W = EK maka kita dapat menyimpulkan bahwa besar energi kinetik translasi pada benda tersebut adalah :

W = EK = ½ mv2 —– persamaan 2

Persamaan 1 di atas dapat kita tulis kembali menjadi :

Persamaan 3 menyatakan bahwa usaha total yang bekerja pada sebuah benda sama dengan perubahan energi kinetiknya. Pernyataan ini merupakan prinsip usaha-energi. Prinsip usaha-energi berlaku jika W adalah usaha total yang dilakukan oleh setiap gaya yang bekerja pada benda. Jika usaha positif (W) bekerja pada suatu benda, maka energi kinetiknya bertambah sesuai dengan besar usaha positif tersebut (W). Jika usaha (W) yang dilakukan pada benda bernilai negatif, maka energi kinetik benda tersebut berkurang sebesar W. Dapat dikatakan bahwa gaya total yang diberikan pada benda di mana arahnya berlawanan dengan arah gerak benda, maka gaya total tersebut mengurangi laju dan energi kinetik benda. Jika besar usaha total yang dilakukan pada benda adalah nol, maka besar energi kinetik benda tetap (laju benda konstan).

Contoh soal 1 :

Sebuah bola sepak bermassa 150 gram ditendang oleh Ronaldo dan bola tersebut bergerak lurus menuju gawang dengan laju 30 m/s. Hitunglah :

a) energi kinetik bola tersebut

b) berapa usaha yang dilakukan Ronaldo pada bola untuk mencapai laju ini, jika bola mulai bergerak dari keadaan diam ?

panduan jawaban :

a) Energi Kinetik bola

EK= ½ mv2 = ½ (0,15 kg) (30 m/s2)2 = 67,5 Joule

b) Usaha total

W = EK2 – EK1

EK2 = 67,5 Joule

EK1 = ½ mv2 = ½ m (0) = 0 — laju awal bola (vo) = 0

Dengan demikian, usaha total :

W = 67,5 Joule – 0 = 67,5 Joule 


Contoh soal 2 :

Berapa usaha yang diperlukan untuk mempercepat gerak sepeda motor bermassa 200 kg dari 5 m/s sampai 20 m/s ?

Panduan jawaban :

Pertanyaan soal di atas adalah berapa usaha total yang diperlukan untuk mempercepat gerak motor.

W = EK2 – EK1

Sekarang kita hitung terlebih dahulu EK1 dan EK2

EK1 = ½ mv12 = ½ (200 kg) (5 m/s)2 = 2500 J

EK2 = ½ mv22 = ½ (200 kg) (20 m/s)2 = 40.000 J

Energi total :

W = 40.000 J – 2.500 J

W = 37.500 J

5.)        USAHA

Usaha adalah besarnya energi yang diberikan oleh suatu gaya untuk merubah posisi suatu benda sehingga benda tersebut dikatakan bergerak. Dalam ilmu fisika, usaha pada umumnya dilambangkan dengan huruf W, merupakan singkatan dari bahasa Inggriswork yang artinya kerja. Secara sederhana, usaha merupakan hasil kali gaya dengan perpindahan. Usaha merupakan besaran skalar namun dapat bernilai positif atau negatif bergantung pada arah gaya dan perpindahan. Jika gaya yang menghasilkan usaha melawan arah gerak atau arah perindahan, maka gaya dikatakan melakukan usaha negatif. Sebaliknya, jika gaya yang melakukan usaha searah dengan arah gerak atau arah perpindahan, maka usaha yang dilakukan adalah usaha positif.

Rumus Dasar Usaha

Dari uraian di atas maka usaha dapat dibedakan menjadi dua jenis yaitu :

Usaha Positif

Usaha positif merupakan sebuah usaha bernilai positif. Usaha seperti ini dilakukan oleh gaya yang arahnya searah dengan arah perpindahan atau membentuk sudut 0o. Untuk gaya yang searah, maka rumus usaha adalah W = F. s. Contoh usaha positif antara lain seorang anak mendorong meja, usaha mesin mobil saat menghidupkan mobil sehingga memiliki kecepatan, usaha mengangkat buku ke atas dan lain sebagainya.

Contoh

Seorang murid mendorong sebuah meja untuk meluruskan susunannya. Jika ia mendorong meja tersebut dengan gaya 80 N dan meja berpindah sejauh 200 cm, berapakah usaha yang dilakukan murid tersebut ?

Pembahasan

Dik :

F=80N

s=200cm=0,2m

Jawab :

W=F.s

W=80(0,2)

W = 16 Joule.

Usaha Negatif

Usaha negatif merupakan usaha yang dilakukan oleh gaya yang arahnya berlawanan dengan arah perpindahan atau membentuk sudut 180o. Contoh usaha negatif antara lain usaha yang dilakukan oleh rem untuk menghentikan mobil, usaha yang dilakukan gaya gesekan, dan lain sebagainya.

Contoh

Sebuah mobil yang sedang bergerak dengan kecepatan awal v. Bila pada jarak 20 m di depan mobil terdapat lampu merah, tentukan usaha yang dilakukan rem mobil untuk menghentikan mobil. Gaya pengereman yang dibutuhkan adalah 240 N.

Pembahasan

Dik :

F = 240 N

s = 20 m

Karena gaya yang dilakukan oleh rem berlawanan arah dengan arah gerak atau perpindahan, maka sudut yang dibentuk oleh gaya terhadap perpindahan adalah 180o. Karena cos 180o = -1, maka :

W = - F s.

W = - 240 (20)

W = - 4800 Joule.