132776478-modul-fizik-topik-1-7.pdf

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

TOPIK 1

FIZIK DAN PENGUKURAN DALAM KEHIDUPAN HARIAN

Sinopsis Sains fizik adalah berasaskan beberapa prinsip dan melibatkan perkembangan konsep. Aplikasi prinsip-prinsip dan konsep-konsep biasanya melibatkan melibatkan satu atau lebih kuantiti-kuantiti fizik. Hampir seluruh dunia menggunakan sistem metrik dalam kehidupan harian. Satu adaptasi sistem metrik digunakan oleh untuk kegunaan sains, perdagangan dan komunikasi. Sistem ini dikenali sebagai sistem SI (System International) Hasil Pembelajaran 1. Menukarkan kuantiti fizik dari satu unit ke unit yang lain 2. Menulis kuantiti fizik yang sangat besar atau sangat kecil ke dalam bentuk piawai 3. Menulis kuantiti fizik kepada angka bererti yang sesuai 4. Menyatakan teknik-teknik pengukuran yang sesuai Gambaran Keseluruhan

Rajah 1.1 Gambaran Keseluruhan Isi kandungan

Isi Kandungan 1.1 Pertukaran Unit Seperti sistem nombor, sistem metrik adalah satu sistem perpuluhan. Imbuhan digunakan untuk menukar unit SI dalam kuasa sepuluh. Contohnya, satu persepuluh meter adalah satu desimeter, satu per seratus meter adalah sentimeter.

1

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Unit metrik untuk semua kuantiti menggunakan imbuhan yang sama. Contohnya, satu per seribu gram adalah satu miligram, dan satu ribu gram adalah satu kilogram. Oleh itu, untuk menggunakan unit-unit SI dengan berkesan, adalah penting untuk mengetahui maksud imbuhan-imbuhan seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 1.1. Jadual 1.1 Imbuhan

Nilai

Bentuk Piawai

Simbol

Tera

1 000 000 000 000

1012

T

Giga

1 000 000 000

109

G

Mega

1 000 000

106

M

Kilo

1 000

103

k

Desi

0.1

10-1

d

Senti

0.01

10-2

c

Mili

0.001

10-3

m

Mikro

0.000 001

10-6

µ

Nano

0.000 000 001

10-9

n

Piko

0.000 000 000 001

10-12

p

Melayari Internet (1 jam)

Layari laman web berikut untuk mengumpul maklumat mengenai Unit SI dan sejarah perkembangan Unit SI. Sediakan satu rumusan terhadap kefahaman anda mengenai Unit SI dalam buku nota refleksi. http://www.bipm.org/en/si/ http://en.wikipedia.org/wiki/SI

2

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Contoh: Apakah nilai yang sama dengan 500 milimeter dalam meter? Jawapan: Dari Jadual 1.1, kita lihat faktor pertukaran adalah 1 milimeter = 1 x 10-3 meter Maka, 500mm adalah 1  10 3 m = 500 x 10-3 m = 5 x 10-1 m. 1mm

(500 mm)

Latihan

1. Tukarkan setiap pengukuran panjang yang diberi kepada nilai yang setara dalam meter. . a. 1.1 cm b. 56.2 pm c. 2.1 km d. 0.123 Mm 2. Tukarkan setiap pengukuran jisim berikut kepada nilai setara dalam kilogram a. 147 g

b. 11 µg

c. 7.23 Mg

d. 478 mg

1.2 Bentuk Piawai Kajian dalam sains biasanya melibatkan kuantiti-kuantiti yang sangat besar atau sangat kecil. Sebagai contoh, jisim bumi adalah lebih kurang 6 000 000 000 000 000 000 000 000 kilogram dan jisim elektron adalah 0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 911 kilogram Kuantiti-kuantiti yang ditulis dalam bentuk ini mengambil ruang yang sangat besar dan sukar digunakan untuk pengiraan. Oleh itu, untuk memudahkan pengiraan dilakukan dengan nombor-nombor sebegini, kita tulis dalam bentuk yang lebih ringkas dengan menggantikan nombor perpuluhan dengan nombor kuasa asas sepuluh. Bentuk piawai adalah M x 10n dengan 1≤ M < 10 dan n adalah integer 3

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Dengan itu, jisim bumi boleh di tulis sebagai 6.0 x 10 24 kg dan jisim elektron sebagai 9.11 x 10-31 kg. Magnitud sesuatu kuantiti fizik biasanya dibundarkan kapada tiga atau empat angka bererti.

1.3 Angka Bererti Oleh kerana kepekaan alat-alat pengukur adalah terhad, bilangan angka yang sah bagi mana-mana pengukuran adalah terhad. Angka yang sah ini di panggil angka bererti. Bilangan angka bererti dalam satu pengukuran boleh ditentukan dengan merujuk kepada pernyataan-pernyataan di bawah: 1. 2. 3. 4.

Angka bukan kosong adalah sentiasa bererti. Semua kosong terakhir selepas titik perpuluhan adalah bererti. Kosong di antara dua angka bererti adalah sentiasa bererti. Kosong yang digunakan semata-mata untuk memberi ruang kepada titik perpuluhan adalah tidak bererti.

Berfikir (1 jam)

Bagaimanakah kamu melakukan hasil tambah, hasil tolak dan hasil darab

terhadap

nombor-nombor

angka

bererti?

Rujuk

kaedah

matematik untuk melakukan operasi ini.

1.4 Kejituan dan kepersisan Kepersisan adalah darjah kebolehan pengukuran untuk menghasilkan bacaan yang konsisten dengan sisihan relatif yang kecil. Sebagai contoh, jika seorang pelajar menjalankan eksperimen untuk mengukur halaju cahaya, dia akan mengulanginya beberapa kali. Beberapa cubaan dilakukan dan menghasilkan nilai-nilai antara 3.000 x 108 m/s kepada 3.002 x 108 m/s di mana nilai puratanya adalah 3.001 x 108 m/s dan sisihan min adalah 0.001 x 108 m/s. Sisihan relatif dikira menggunakan rumus berikut:Sisihan relatif = sisihan min x 100% Nilai purata Dia mendapati nilai sisihan relatif adalah 0.033%. Dia membuat kesimpulan bahawa halaju cahaya adalah 3.001 x 10 8 m/s. Daripada pengukuran pelajar ini, halaju cahaya adalah dalam julat antara 3.000 x 10 8 m/s dan 3.002 x 108 m/s. 4

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Oleh yang demikian, kepersisan pengukuran adalah tinggi kerana nilai sisihan relatif adalah kecil. Kepersisan alat pengukur adalah terhad kepada bacaan terkecil pada alat pengukur. Kejituan adalah sejauh manakah nilai yang diukur hampir kepada nilai sebenar. Dalam eksperimen mengukur halaju cahaya, kejituan adalah perbezaan antara nilai-nilai yang diukur oleh pelajar yang mempunyai kepersisan yang sama. Sebagai contoh, ukuran pelajar adalah 2.998 x 10 8 m/s dibandingkan dengan nilai sebenar iaitu 3.002 x 108 m/s. Oleh itu, kejituan pengukuran adalah 0.004 x 108 m/s. Oleh itu, kejituan satu alat pengukur bergantung kepada betapa hampir nilai yang diukurnya dengan nilai sebenar.

Rajah 1.2 Alat-alat untuk mengukur panjang

1.5 Teknik-teknik pengukuran yang baik Dalam kajian fizik secara eksperimen, pengukuran yang jitu dan persis harus diberi keutamaan. Pertimbangan-pertimbangan berikut harus dititik beratkan: 1. Pemilihan alat pengukuran yang sesuai untuk satu pengukuran (a) Ralat 0.1 cm dalam pengukuran 100.0 cm adalah kurang serius berbanding dengan 0.1 cm dalam 10.0 cm. (b) Pengukuran kuantiti besar seperti panjang dawai tidak memerlukan alat yang peka manakala pengukuran kuantiti yang kecil seperti diameter dawai memerlukan alat yang peka. 2. Pengukuran alat pengukuran yang tepat (a) Sentiasa mematuhi arahan penggendalian alat. (b) Sikap cermat dan berhati-hati ketika membuat pengukuran. (c) Mengenalpasti pelbagai jenis ralat yang mungkin timbul.

5

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Perbincangan ( 1 jam)

Bincangkan alat-alat pengukur yang sesuai bagi mengukur kuantiti-kuantiti fizik berikut; panjang tali, ketebalan satu keping kertas, ketebalan cermin tingkap, ketebalan sebuah buku dan lebar meja

Rujukan http://www.bipm.org/en/si/ http://en.wikipedia.org/wiki/SI (Sistem International)

6

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

TOPIK 2

GERAKAN – DALAM ARAH MANA?

Sinopsis Dalam kehidupan harian, pergerakan objek diwakilkan dengan perkataan seperti jarak dan laju. Dalam fizik, kita menggunakan perkataan seperti sesaran, halaju dan pecutan untuk mewakili pergerakan. Perbezaan antara jarak dan sesaran adalah dari segi kuantitinya. Jarak adalah kuantiti skalar kerana ia mempunyai magnitud sahaja manakala sesaran pula adalah kuantiti vektor kerana ia mempunyai magnitud dan arah. Hasil Pembelajaran 1. Menyatakan cara mewakilkan kuantiti vektor 2. Melakukan hasil tambah dan hasil tolak vektor menggunakan kaedah grafik 3. Menyatakan halaju relatif 4. Menyatakan komponen-komponen vektor 5. Melakukan hasil tambah vektor secara algebra Gambaran Keseluruhan

Gerakan

Kuantiti vektor

Hasil tambah dan hasil tolak vektor

Kuantiti skalar

Komponen vektor

Grafik Halaju relatif

Algebra

Rajah 2.1 Gambaran keseluruhan isi kandungan 7

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Isi kandungan

2.1 Mewakilkan kuantiti vektor

Satu kuantiti vektor diwakili oleh satu garis yang mempunyai anak panah dihujungnya. Panjang garis dilukis mengikut skala untuk mewakili magnitud kuantiti tersebut. Arah anak panah menunjukkan arah kuantiti tersebut. Selain mewakilkan vektor secara grafik, kita juga boleh mencari hasil tambah dua vektor secara algebra. Vektor diwakilkan dengan huruf-huruf A, B dan sebagainya.

2.2 Hasil tambah vektor Hasil tambah vektor dalam satu dimensi Jika seorang kanak-kanak bergerak 200 m ke timur, dan seterusnya 400 m ke timur, jumlah sesarannya dicari dengan menambahkan dua vektor tersebut. A dan B dilukis mengikut skala seperti ditunjukkan dalam Rajah 13.2(a). Oleh itu magnitud paduan daya, R = A + B atau, R = 200m + 400m =600 m, dan arah paduan daya adalah ke timur. Oleh itu paduan daya, A dan B adalah 600m ke timur. Perhatikan rajah (b) dan (c). Fikirkan bagaimana kamu boleh memperoleh paduan daya secara grafik bagi rajah-rajah tersebut.

Rajah 2.2 8

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Hasil tambah vektor dalam dua dimensi Langkah 1: Lukis segiempat selari

A B

Langkah 2 : Lukis vektor paduan

Skala: 1 cm mewakili 20N

Rajah 2.3 Apakah magnitud vektor paduan, R? Rujukan http://phet.colorado.edu/sims/vector-addition/vectoraddition_en.html 2.3 Hasil tolak vektor dalam satu dimensi Untuk mencari hasil tolak dua vektor, kamu hanya perlu mencari hasil tambah dua vektor yang bertentangan arah (Rajah 2.2c). A + (-B) = R

2.4 Halaju relatif : beberapa aplikasi Kadang kala objek bergerak dalam medium yang bergerak relatif kepada pemerhati. Satu kapal terbang yang bergerak pada satu arah akan mengalami perubahan arah dan halaju.

Halaju kapal terbang + halaju angin = Halaju paduan Halaju relatif = 100 km/j + 25 km/j = 125 km/j Apakah halaja relatif kapal terbang ini pada arah-arah angin di bawah? 25 km/j ke arah utara? 25 km/j ke arah barat ? 9

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Bacaan

Sila rujuk lama web berikut untuk melihat beberapa aplikasi vektor untuk mencari halaju relatif http://physics.bu.edu/~duffy/java/RelV2.html

2.5 Komponen-komponen vektor Komponen vektor bermaksud bahagian-bahagian dalam vektor. Dalam kebanyakan situasi, komponen vektor yang penting adalah komponen-x dan komponen-y.

F = 316N

35◦

Rajah 2.3

Warna merah pada Rajah 2.3 menunjukkan komponen-x vektor F, dan warna hitam menunjukkan komponen-y bagi vektor F.

2.6 Melakukan hasil tambah vektor secara algebra Hasil tambah dua vektor boleh dilakukan dengan menggunakan trigonometri, yang mengaitkan sudut dalam segi tiga dengan sisi-sisi segi tiga. Dua kaedah matematik yang digunakan adalah:

10

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Contoh: Cari hasil tambah vektor bagi dua vektor di bawah

Jawapan: Langkah 1 : Melengkapkan segi tiga bersudut tepat

Langkah 2: Menggunakan teorem Pythagoras untuk mencari magnitud vektor paduan.

Langkah 3: ϴ

Menggunakan trigometri untuk mencari sudut arah vektor paduan,

11

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Rujukan: http://physicslearningsite.com/vectors.html (hasil tambah dan hasil tolak vektor) http://id.mind.net/~zona/mstm/physics/mechanics/vectors/findingComponents/fin dingComponents.htm (komponen vektor) http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/Phys/Class/vectors/u3l1f.html http://physics.bu.edu/~duffy/java/RelV2.html (halaju relatif)

12

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

TOPIK3

GERAKAN DALAM SATU DIMENSI

Sinopsis Gerakan objek akan menyebabkan perubahan kedudukan mereka. Peruabahan kedudukan adalah disebabkan daya yang dikenakan ke atas objek. Gerakan biasanya dinyatakan dalam sebutan halaju, pecutan, sesaran dan masa. Halaju objek tidak berubah kecuali jika terdapat daya bertindak keatasnya. Terdapat pelbagai jenis daya yang bertindak ke atas satu jasad bergerak, samada memecut, menyahpecut atau kekal pegun. Dalam bahagian ini, anda akan mempelajari jenis-jenis daya yang bertindak dalam ke atas suatu objek dan melukis daya-daya tersebut dalam satu rajah jasad bebas.

Hasil Pembelajaran 1. Menerangkan daya-daya berikut; geseran, normal, tegangan, julangan dan berat dan membincangkan tindakan daya-daya dalam konteks yang berlainan 2. Membina rajah jasad bebas dalam pelbagai konteks; halaju seragam, memecut, jatuh bebas dan sebagainya

13

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Gambaran Keseluruhan

Rajah 3.1 Gambaran Keseluruhan Isi Kandungan Isi kandungan 3.1 Jenis-jenis Daya Daya adalah tolakan atau tarikan ke atas suatu objek yang mengakibatkan interaksi objek ini dengan objek yang satu lagi. Bila interaksi ini berkurangan, objek ini tidak lagi merasai daya. Daya hanya wujud hasil daripada interaksi. Daya diukur dalam unit SI Newton. Satu Newton adalah bersamaan dengan 1kgms-2. Daya adalah satu kuantiti vektor. Ia mempunyai kedua-dua magnitud dan arah. Beberapa daya antara objek yang akan dibincangkan adalah: Jenis-jenis daya Daya geseran Daya graviti (berat) Daya normal Daya tegangan Daya Julangan 14

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Daya geseran Daya geseran adalah daya yang dikenakan oleh satu permukaan apabila satu cuba bergerak melaluinya. Ia biasanya bertindak pada arah yang bertentangan dengan arah gerakan. Terdapat dua jenis daya geseran iaitu daya geseran statik dan daya geseran menggelongsor. Geseran dihasilkan oleh dua permukaan ditekankan bersama, menyebabkan daya tarikan molekul antara molekul dari permukaan berbeza. Geseran bergantung kepada jenis permukaan dan sekuat mana bahan ditekan. Geseran maksimum boleh dikira menggunakan rumus berikut: Fgeseran˂ µ x Fnormal di mana µ = koefisien geseran Daya graviti Graviti adalah satu daya yang menarik objek-objek ke bawah ke arah bumi. Objek yang jatuh ke bumi tanpa pengaruh daya-daya luar (seperti rintangan udara) dikatakan sebagai jatuh bebas. Objek yang jatuh bebas akan mengalami pecutan yang dikenali sebagai pecutan graviti. Berat adalah daya tarikan bumi terhadap objek itu. Jika jisim objek adalah m, pecutan graviti adalah g, maka Berat = mg. Daya normal Daya normal adalah daya sokongan pada objek apabila ia bersentuh dangan satu permukaan. Sebagai contoh, jika satu buku terletak di atas meja, permukaan mengenakan satu daya ke atas untuk menyokong berat buku itu (Rajah 3.2a). Ia juga boleh wujud secara mengufuk antara dua objek yang bersentuh. Misalnya, seorang yang bersandar pada suatu dinding akan mengenakan satu daya ufuk ke atas dinding. Maka dinding akan mengenakan satu daya normal ufuk ke atasnya (Rajah 3.2b).

(a)

(b) Rajah 3.2 15

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Daya tegangan Daya tegangan adalah daya yang dipindahkan melalui tali, benang, kabel atau wayar yang ditarik dengan tegang pada daya yang dikenakan pada kedua-dua hujungnya. Daya Julangan Daya julangan adalah daya yang menolak objek ke atas dan menyebabkan ia kelihatan kehilangan berat dalam bendalir (cecair atau gas). Ia juga boleh menyebabkan kapal terbang bergerak melalui udara.

3.2 Membina rajah jasad bebas yang melibatkan daya-daya diatas dalam pelbagai konteks Rajah jasad bebas adalah rajah-rajah yang digunakan untuk menunjukkan magnitud relatif dan arah semua daya-daya yang bertindak ke atas suatu objek dalam suatu situasi. Rajah harus mengandungi komponen-komponen berikut: (1) Anak panah: saiz anak panah mewakili magnitud daya arah anak panah mewakili arah daya (2) Label daya yang bertindak: daya dilabel untuk mewakili jenis daya Contoh Ffric = daya geseran Fgrav = daya graviti Fnorm = daya normal Ftens = daya tegangan (3) Objek diwakili dengan titik atau kotak, dan daya-daya dilukis daripada pusat titik atau kotak itu Contoh: Fnorm : daya normal Fap : daya aplikasi Ffric atau Fgeseran : daya geseran Fgrav : daya graviti

16

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Contoh-contoh: Sebuah buku berada di atas permukaan meja

Seorang budak perempuan duduk di atas buaian

Sabuah buku ditolak ke kanan di atas meja supaya ia bergerak dengan pecutan

Sebuah kereta yang bergerak kekanan atas permukaan jalan yang kasar sedang dinyahpecut

Latihan Lukis rajah jasad bebas bagi situasi-situasi di bawah: (a) Seorang budak sedang duduk di atas kerusi (b) Sebiji telur sedang jatuh ke lantai (c) Sebuah baldi berisi penuh dengan air ditarik keluar daripada perigi (d) Sebuah budak mengayuh basikal dengan laju yang bertambah

17

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

3.4 Rujukan http://www.physicsclassroom.com/Class/1DKin/ http://www.glenbrook.k12.il.us/GBSSCI/PHYS/Class/newtlaws/u2l2a.html http://www.zephyrus.co.uk/forcetypes.html

Bacaan

Sila rujuk lama web berikut untuk melihat beberapa jenis daya dan aplikasinya di http://www.glenbrook.k12.il.us/GBSSCI/PHYS/Class/newtlaws/u2l2a.html http://www.zephyrus.co.uk/forcetypes.html

18

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

TOPIK 4

GERAKAN DALAM DUA DIMENSI

Sinopsis Gerakan adalah sesuatu yang biasa anda perhatikan dalam kehidupan seharian. Ia dihasilkan apabila daya dikenakan kepada suatu objek. Biasanya daya dalam suatu hala tertentu misalnya ufuk akan menghasilkan suatu gerakan dalam arah ufuk juga. Ia dinamakan sebagai gerakan dalam satu dimensi. Jika satu lagi daya yang sama tetapi bertentangan arah dengan daya ufuk tadi dikenakan pada objek, dua daya itu dikatakan dalam keadaan seimbang. Dengan itu tiada gerakan akan dihasilkan. Daya dalam dua arah berlainan dan tidak seimbang menghasilkan gerakan dalam dua dimensi. Suatu objek yang terletak pada suatu satah condong akan mengalami beberapa daya yang berlainan untuk menghasilkan gerakan dua dimensi. Dalam topik ini, anda akan didedahkan kepada konsep keseimbangan antara daya bagi daya dalam dua dimensi dan aplikasinya dalam satah condong serta gerakan projektil. Hasil Pembelajaran 1. Menyatakan syarat untuk keseimbangan untuk objek dikenakan daya-daya 2. Mengenalpasti daya yang dapat mewujudkan keseimbangan dalam situasi yang melibatkan tiga daya 3. Menghurai gerakan objek pada suatu satah condong. 4. Menghurai gerakan projektil.

Gambaran Keseluruhan

Rajah 4.1 Gambaran keseluruhan Isi Kandungan

19

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Isi kandungan 4.1 Keadaan Keseimbangan dan Daya Pengimbang Suatu objek adalah dalam keadaan keseimbangan apabila daya bersih yang bertindak ke atasnya adalah sifar. Dalam keadaan seimbang, objek akan menjadi pegun atau bergerak dengan halaju seragam. Keadaan keseimbangan juga akan berlaku apabila daya paduan untuk tiga atau lebih daya yang bertindak ke atas suatu objek adalah sifar. Rajah 4.1(a) menunjukkan tiga daya yang bertindak ke atas suatu objek berbentuk titik. Apakah paduan daya A, B dan C yang bertindak pada objek tersebut? Rajah 4.1(b) menunjukkan hasil tambah tiga daya A, B dan C. Perhatikan bahawa ketiga-tiga daya itu membentuk satu segitiga tertutup. Ini bermakna tiada daya bersih ke atas objek tersebut, jadi hasil tambah ketiga-tiga daya itu adalah sifar. Objek itu adalah dalam keadaan keseimbangan.

(a)

(b)

Rajah 4.2 Objek adalah dalam keadaan seimbang jika kesemua daya yang bertindak ke atasnya mempunyai paduan atau hasil tambah sama dengan sifar. (Punca: Physics: Principles and Problem)

20

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Katakan terdapat dua daya, L dan M(Rajah 4.3(a)) bertindak ke atas sesuatu objek dan hasil tambah dua daya bukan sifar. Bagaimanakah anda mencari satu daya apabila ditambah kepada dua daya tersebut supaya menghasilkan suatu daya paduan yang sifar? Daya tersebut dikenali sebagai daya pengimbang (equilibrant). Untuk mencari daya keseimbangan, anda perlu mencari hasil tambah dua daya L dan M dahulu. Hasil tambah dua daya atau paduan dua daya, R,(Rajah 4.3(b)) adalah satu daya yang mempunyai kesan serupa dengan gabungan dua daya L dan M. Daya pengimbang adalah daya yang mempunyai magnitud yang sama tetapi dengan arah bertentangan dengan R.(Rajah 4.3 (c) (a)

(b)

(c)

Rajah 4.3 Daya pengimbang mempunyai magnitud yang sama dengan daya paduan tetapi bertindak pada arah yang bertentangan.

Latihan

Layari internet untuk mencuba soalan berkaitan dengan daya Keseimbangan. Berikut adalah suatu sumber web yang anda boleh membuat latihan secara interaktif dalam topik daya keseimbangan http://glencoe.mcgrawhill.com/sites/0078807220/student_view0/chapter5/interactive_tutor.html

21

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

4.2 Gerakan Pada Suatu Satah Condong Semua objek pada permukaan bumi mengalami satu daya tarikan graviti yang menghala ke pusat bumi. Bagi suatu objek yang berada pada lereng bukit, apakah daya-daya lain yang bertindak ke atasnya selain daya graviti, W? Rajah 4.4 menunjukkan daya yang bertindak ke atas objek itu.

Rajah 4.4 Tindakan daya Dalam Rajah 4.4, N adalah daya normal yang bertindak secara serenjang kepada satah lereng bukit dan F adalah daya geseran yang bertindak secara selari dengan satah lereng bukit. Arah tindakan daya geseran F adalah berlawanan dengan arah gerakan objek. Apabila objek itu adalah dalam keadaan pegun, daya-daya yang bertindak pada objek itu adalah seperti ditunjukkan dalam Rajah 4.5.

Rajah 4.5 Untuk memudahkan kajian gerakan objek pada satah condong, satu sistem koordinat yang bersesuaian untuk arah gerakan digunakan. Komponen daya paksi-x selari dengan satah lereng bukit dan komponen daya pada paksi-y adalah serenjang dengan satah lereng. Dalam sistem koordinat ini, daya normal dan daya geseran tidak perlu ditukar manakala daya tarikan graviti perlu dileraikan kepada dua komponen daya, satu mengikut paksi-x dan satu lagi mengikut paksi-y.

22

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Rajah 4.6 4.3 Gerakan Projektil Dalam 2-D, objek bergerak dalam kedua-dua arah x dan y. (Pertimbangkan gerakan x dan y sebagai dua kes yang berlainan i.e. pertimbangkan hanya satu arah pada satu masa). Contoh yang paling biasa objek yang bergerak dalam 2 dimensi adalah projektil.

Rajah 4.7 Sebarang objek yang dibaling mengunjur (projected) di udara dinamakan projektil. Lauan parabolik projektil dinamakan trajektori.

23

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Contoh contoh projektil (Rajah 4.8) • Suatu objek dijatuhkan dari keadaan rehat. • Objek yang dibaling ke atas. • Objek yang dibaling ke atas pada sudut dengan ufuk.

Rajah 4.8 Dalam gerakan projektil, hanya daya graviti sahaja yang bertindak. Graviti bertindak untuk mempengaruhi gerakan menegak projektil, maka menyebabkan pecutan menegak. Gerakan mengufuk projektil adalah hasil kecenderungan objek yang bergerak untuk mengekalkan gerakan pada halaju tetap. Disebabkan ketiadaan daya pada arah mengufuk, projektil mengekalkan gerakan dengan halaju mengufuk yang tetap. Daya mengufuk TIDAK DIPERLUKAN untuk mengekalkan projektil bergerak mengufuk. Hanya satu daya sahaja yang bertindak ke atas projektil iaitu GRAVITI.

24

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Langkah-langkah menyelesaikan masalah gerakan projektil 1. Pisahkan gerakan kepada bahagian x (mengufuk) dan bahagian y (menegak). 2. Pertimbang setiap bahagian berasingan menggunakan persamaan yang sesuai.

Persamaan gerakan menjadi, (a) Gerakan x(ax=0): vx = vxo = constant x = vx0t

(b) Gerakan y ( ay = - g ): vy = vyo - gt y = vyot - 1/2at 2 vy2 = vy02 - 2gy.

Contoh soalan 1. Sebuah kapalterbang menjatuhkan bungkusan makanan kepada sekumpulan peneroka yang terkandas. Kapalterbang bergerak mengufuk 40.0 m/s pada 100m dari tanah. Cari a) Dimanakah bungkusan makanan mula menyentuh tanah relatif kepada tempat mula ia dijatuhkan. b) Halaju bungkusan makanan sebelum ia menyentuh tanah.

25

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Penyelesaian 1(a). Langkah 1: Pisah dan jadualkan gerakan dalam komponen x dan y. Gerakan-x

Gerakan –y

x =?

y = - 100 m

v0x = 40 m/s

v0y = 0

ax = 0

ay = - 9.8 m/s 2

Langkah 2: Mula2 cari masa di udara daripada gerakan – y . y

=

voyt +

- 100

=

(- 9.8)t

t

=

4.5 s.

ayt

2

2

Langkah 3: Kemudian, cari x daripada: x

=

vx0t + axt 2

x

=

40(4.5) + 0

=

180 m.

Penyelesaian 1(b): Cari vy daripada, v

y

=

v + at

=

0 - 9.8(4.5) = - 44.1 m/s.

y0

Tanda negatif menunjukkan bungkusan makanan jatuh ke bawah. Oleh kerana ax = 0 , maka vx = v0x = 40 m/s . Kita boleh gabung dua komponen halaju untuk mencari,

26

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

v

= = 59.5 m/s

  tan 1

44.1  40 40

Fikir Layari laman web berikut yang menunjukkan satu animasi yang berkaitan dengan daya yang bertindak ke atas seorang pemain ski http://glencoe.com/sec/science/physics/ppp_09/animation/Chap ter%205/Motion%20Along%20an%20Inclined%20Plane.swf Cuba kaji dengan teliti tayangan berkenaan dan bina sebuah gambarajah untuk menyatakan daya yang bertindak pada seorang yang sedang bergerak turun suatu satah condong seperti dalam pemainan gelongsor.

4.4 Rujukan http://glencoe.mcgraw-hill.com/sites/0078807220/student_view0/chapter5/ (daya dalam dua dimensi) Zitzewitz,P.W.(2002) Physics: Principles and Problems. Ohio: Glencoe/McGraw-Hill.

27

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

TOPIK 5

APLIKASI HUKUM-HUKUM NEWTON DALAM KEHIDUPAN HARIAN

Sinopsis Daya merupakan sesuatu yang kerap digunakan dalam kehidupan anda seharian. Daya-daya boleh diklasifikasi kepada daya sentuhan dan daya yang bertindak dari jarak jauh tanpa sentuhan. Daya memainkan peranan yang utama dalam perkembangan manusia sejak purba kala dan alhi sains yang terkenal sekali, Isaac Newton telah membentukkan tiga Hukum tentang daya. Dalam topik ini, anda akan didedahkan kepada Hukum-hukum gerakan Newton dan aplikasinya untuk membantu anda memahami banyak peritiwa melibatkan penggunaan daya dalam kehidupan seharian. Hasil Pembelajaran 1. Menakrifkan daya serta membeza antara daya sentuhan dan daya tanpa sentuhan 2. Menerang makna Hukum gerakan Newton yang pertama. 3. Mengenali keistimewaan Hukum gerakan Newton yang kedua 4. Menyelesaikan masalah dengan kegunaan Hukum gerakan Newton yang kedua

Gambaran Keseluruhan

Rajah 5.1 Gambaran Keseluruhan Isi Kandungan

28

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Isi Kandungan 5.1 Jenis Daya Daya boleh diklasifikasikan kepada 2 jenis iaitu daya bersentuhan dan daya bertindak secara jauh. Daya bersentuhan bertindak dalam situasi dimana satu sentuhan berlaku antara objek dengan daya itu seperti daya geseran yang bertindak apabila dua permukaan bersentuhan. Daya secara jauh bertindak tanpa sentuhan antara daya dengan objek berkenaan seperti daya magnet dan graviti.

Hukum gerakan Newton pertama Suatu objek yang berada dalam keadaan pegun atau bergerak dengan laju seragam akan terus kekal dalam keadaan yang sama sekiranya tiada daya luar bertindak ke atas objek itu. Hukum ini juga dikenali sebagai Hukum inersia. Inersia adalah kecenderungan suatu objek untuk menentang sebarang perubahan dalam keadaannya.

Duit syiling jatuh ke dalam gelas apabila kadbod disentap

Pemandu tercampak keluar kereta apabila kereta di brek.

(i)

(ii) Rajah 5.2

Rajah 5.2(i) menunjukkan seorang pemandu yang tidak memakai tali pinggang keledar. Apabila kereta dibrek, pemandu itu tercampak keluar daripada kereta. Hal ini demikian kerana inersia badan beliau cuba mengekalkan keadaan asalnya yang bergerak Walaupun kereta telah berhenti, badannya masih bergerak kehadapan dan menyebabkannya tercampak keluar kereta. Rajah 5.2(ii) menunjukkan suatu duit syiling diletakkan di atas sekeping kadbod yang berada pada permukaan gelas. Apabila kadbod disentap, duit syiling itu 29

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

tidak akan bergerak bersama-sama dengan kadbod, tetapi jatuh ke dalam gelas. Ini kerana inersia duit syiling cuba mengekalkan kedaaan asal yang pegun, lalu ia jatuh ke bawah kerana tarikan graviti. Kedua-dua contoh di atas menunjukkan aplikasi-aplikasi hukum Newton pertama di mana objek yang bergerak atau pegun akan mengekalkan keadaan asalnya yang bergerak atau pegun selagi tiada daya luar bertindak ke atasnya

Hukum gerakan Newton kedua Hukum gerakan Newton kedua menyatakan bahawa kadar perubahan momentum adalah berkadar terus dengan daya paduan yang bertindak ke atas objek itu. Perubahan momentum adalah dalam arah yang sama dengan arah tindakan daya paduan itu. Persamaan yang dihasilkan dari hukum gerakan Newton kedua adalah Daya paduan (F) = Jisim x Pecutan (m x a) atau F = ma Contoh: Lebih mudah menarik batu yang kecil daripada batu yang besar dengan menggunakan daya yang sama.

Rajah 5.3 Persamaan ini menunjukkan: (i) Apabila jisim, m sesuatu objek besar , daya yang lebih besar diperlukan untuk menggerakkan atau memberhentikan objek tersebut. (ii) Apabila jisim objek bertambah pada daya yang sama, pecutannya berkurang

30

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Hukum gerakan Newton ketiga Hukum ini menyatakan bahawa untuk setiap daya tindakan terdapat satu daya tindakbalas yang bermagnitud sama tetapi bertindak pada arah yang bertentangan. Contoh: Tindakan belon adalah naik ke atas apabila udara di dalamnya dilepaskan. Udara akan mengenakan daya tindakan ke arah bawah. Tindak balas adalah gerakan belon ke atas. Bila anda berjalan di atas rumput, anda mengenakan daya kepada kasut ke arah ke belakang kepada rumput. Rumput mengenakan daya tindakan kepada anda ke hadapan. Daya-daya tindakan dan tindak balas adalah akibat daya geseran antara tapak kasut dengan rumput . Menurut hukum Newton ketiga, rumput menolak ke hadapan kepada tapak kasut untuk membenarkan anda bergerak ke hadapan. Apabila dua pelajar berada di atas kasut roda dan megenakan daya tolakan antara satu sama lain (tindakan), kaki mereka akan bergerak pada arah bertentangan (tindakbalas). Hal ini demikian kerana daya tindakan yang sama magnitudnya terhasil pada arah yang bertentangan akibat daya tolakan itu.

31

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

5.2

Aplikasi Hukum-hukum Newton

Contoh 1. Seekor gajah Afrika boleh mencapai ketinggian sehingga 4 meter dan jisim sehingga 6000kg. Kirakan berat gajah Afrika pada ketinggian dan jisim tersebut. Dari Hukum Newton kedua, F = ma Berat = mg = 6000 kg x 10 ms-2 = 60 000N 2. (a) Tentukan daya bersih yang diperlukan untuk memecutkan satu kereta berjisim 540 kg dari 0 ke 27 m/s dalam masa 10.0 saat. (b) Tentukan daya bersih yang diperlukan untuk memecutkan satu kereta berjisim 2160 kg dari 0 ke 27 m/s dalam masa 10.0 saat.

a

v  u 27  0   2.7m / s 2 t 10

(a)

F = ma = 540kg x 2.7m/s = 1458 N

(b)

F = ma = 2160kg x 2.7m/s = 5832 N

5.3 Soalan Latihan Ana dan Sara mengeksperimen kesan jisim dan daya bersih ke atas pecutan satu troli. Mereka menentukan daya bersih yang diperlukan untuk memecutkan troli berjsim M adalah 48 cm/s2. Tentukan pecutan troli dengan jisim dan daya berikut. a. jisim M dikenakan daya bersih 2F? b. jisim 2M dikenakan daya bersih F? c. jisim 2M dikenakan daya bersih 2F? d. jisim 4M dikenakan daya bersih 2F? e. jisim 2M dikenakan daya bersih 4F? Jawapan: a. 96 cm/s2 b. 24 cm/s2 c. 48 cm/s2 d. 24 cm/s2

32

e. 96 cm/s2

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Fikir Layari laman web berikut yang menunjukkan satu animasi berkaitan dengan berat ketara seorang menaiki lif http://glencoe.com/sec/science/physics/ppp_09/animation/Cha pter%204/Apparent%20Weight.swf Cuba kaji dengan teliti tayangan berkenaan dan buat nota untuk mengaitkan Hukum Gerakan Newton dengan konsep berat ketara..

5.4 Rujukan: Zitzewitz,P.W.(2002) Physics: Principles and Problems. Ohio: Glencoe/McGrawHill. (Chapter 6 Forces) http://glencoe.com/sec/science/physics/ppp_09/animation/Chapter%204/Apparen t%20Weight.swf (Konsep berat ketara ’concept of apparent weight’) http://www.physicsclassroom.com/Class/newtlaws/index.cfm (Hukum-hukum Gerakan Newton –nota dan tutorial)

33

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

TOPIK 6

Kerja Dan Mesin Ringkas

Sinopsis Topik ini bertumpu kepada kerja dan mesin ringkas di mana anda akan didedahkan kepada contoh-contoh kerja, pengiraan kerja, contoh-contoh mesin ringkas dan mesin majmuk serta pengiraan faedah mekanikal dan kecekapan setiap mesin ringkas. Selain itu anda akan didedahkan kepada aplikasi mesin dalam kehidupan seharian serta mesin manusia berjalan.

Hasil Pembelajaran 1. 2. 3. 4.

Mendefinisi kerja dan mesin ringkas. Memberi contoh-contoh mesin ringkas dan mesin majmuk. Menerangkan faedah mekanikal dan kecekapan mesin. Membandingkan antara mesin ringkas dan mesin majmuk dan juga antara faedah mekanikal dan kecekapan. 5. Membina mesin ringkas dan mesin majmuk dan mencadangkan bagaimana untuk menambahbaik faedah mekanikal dan kecekapannya. 6. Menerangkan mesin manusia berjalan. Gambaran Keseluruhan

Rajah 6.1 Gambaran Keseluruhan Isi Kandungan

34

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Isi Kandungan 6.1 Kerja Kerja didefinisikan sebagai daya yang bertindak ke atas objek untuk mengakibatkan sesaran. Kerja yang dilakukan ke atas objek oleh satu daya tetap adalah hasil komponen daya yang selari dengan arah sesaran objek, darab dengan magnitud sesaran. Kerja dan tenaga diukur dalam unit yang sama, Joule (J). Kerja yang dilakukan (Joule, J) = Daya (Newton, N) x Sesaran (meter, m) W=

F.s cos Θ

Contoh-contoh kerja Seekor kuda menarik beban melalui padang. Seorang pelajar mengangkat buku-buku ke atas bahunya. Seorang ahli sukan melontar lontar peluru.

Kerja berhubung dengan jarak daya yang mengerakkan objek dan bukan masa yang diambil untuk mengerakkan objek. Sudut yang diukur didefinisikan sebagai sudut antara daya dan sesaran.

35

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Senario A Satu daya bertindak ke arah kanan ke atas objek yang tersesar ke kanan. Vektor daya dan vektor sesaran adalah pada arah yang sama. Maka, sudut antara F dan d adalah 0 darjah.

darjah Senario B Satu daya bertindak arah kiri ke atas objek yang tersesar ke kanan. Vektor daya dan vektor sesaran adalah dalam arah bertentangan. Jadi sudut antara F dan d adalah 180 darjah.

darjah Senario C Satu daya bertindak ke atas ke atas objek yang tersesar ke kanan. Vektor daya dan vektor sesaran adalah pada sudut 90 darjah.

darjah Contoh soalan Seorang pelayar menarik sebuah bot sepanjang dok menggunakan tali pada sudut 600 dengan ufuk. Berapakah kerja yang dilakukan oleh pelayar itu jika dia mengenakan daya 255N ke atas tali dan menarik tali sepanjang 30.0 m?

6.2 Mesin ringkas dan mesin majmuk Mesin ringkas ialah alat yang memudahkan kita melakukan kerja. Ia membantu kita dengan mengubah jumlah daya yang dikenakan ke atas objek dan mengubah arah daya. Jenis-jenis mesin ringkas A. Tuas dibuat daripada papan atau bar yang diletakkan di atas fulkrum. Digunakan untuk mengangkat berat. Contoh tuas: Jongkang jongkit, pengumpil, kayu besbol, pencakar tanah.

36

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Ada tiga jenis tuas iaitu tuas kelas pertama, tuas kelas kedua dan tuas kelas ketiga.

Daya usaha

Daya usaha

Daya usaha

Beban

Beban

Beban

Kelas pertama

Kelas kedua

Kelas ketiga

B. Satah condong merupakan permukaan sendeng untuk memudahkan kerja. Contoh: Cerun dan tangga C. Baji adalah dua satah condong digunakan untuk mengangkat dan memisahkan objek. Contoh: Pisau, baji pintu dan kapak. D. Skru ialah satah condong disekeliling paku atau shaf untuk memegang bahan-bahan bersama-sama atau menebuk lubang. Contoh: Gerudi kecil dan skru E. Roda dan gandar merupakan roda yang berputar yang membantu mengerakkan barang dengan mudah dan cepat. Contoh: Roda stering, tombol pintu dan pemutar skru. F. Takal ialah roda yang mempunyai alur(groove) dihujungnya memegang tali dan kabel. Contoh: Tiang bendera, penyidai baju, pancing ikan dan kren.

untuk

Takal bekerja dengan dua cara iaitu dengan mengubah arah daya atau mengubah jumlah daya. Takal ada dua jenis iaitu takal tetap dan takal bergerak. Sistem takal terdiri daripada kombinasi takal-takal tetap dan bergerak. Faedah mekanikal takal adalah sama dengan bilangan tali sokongan (supporting ropes).

37

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Mesin majmuk merupakan gabungan Contohnya, basikal dan kereta.

beberapa

jenis

mesin

ringkas.

6.3 Faedah mekanikal (MA) dan kecekapan Mesin ringkas unggul tidak mengalami kehilangan yang disebabkan geseran atau kekenyalan. Jadi kecekapannya adalah 100%. Jika wujud geseran atau kekenyalan di dalam sistem, kecekapan akan jadi lebih rendah. Kerja input akan jadi lebih besar daripada kerja output. Ada dua jenis faedah mekanikal iaitu Faedah Mekanikal Unggul (Ideal Mechanical Advantage) dan Faedah Mekanikal Sebenar (Actual Mechanical Advantage) Faedah Mekanikal Unggul (Ideal Mechanical Advantage - IMA) Dalam Fizik, faedah mekanikal unggul adalah untuk mesin unggul. IMA mesin boleh dicari dengan formula berikut:IMA = de ÷ dr dimana – de sama dengan jarak usaha (effort distance) and dr sama dengan jarak rintangan (resistance distance). Faedah Mekanikal Sebenar (Actual Mechanical Advantage - AMA) Dalam fizik, faedah mekanikal sebenar adalah untuk mesin sebenar. AMA untuk mesin boleh dicari dengan menggunakan formula berikut: AMA* = FR ÷ Fe dimana - FR sama dengan daya rintangan (resistance force) and Fe sama dengan daya usaha (effort force) sebenar. * AMA boleh juga ditulis sebagai MA Faedah mekanikal adalah faktor dimana mesin menggandakan daya yang dikenakan. Kebanyakan mesin mempunyai MA>1. Bermakna mesin meningkatkan daya yang dikenakan. Untuk mesin unggul, kecekapan mesin 100%. kerja output = kerja input W o = Wi Frdr = Fede

38

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Untuk mesin sebenar (real) Kecekapan mesin = Wo Wi = Fr

de

Fe

100% =

dr

MA 100% IMA

MA – Takal Takal adalah roda beralur yang digelung dengan tali. Dengan ini arah daya boleh diubah, dengan sedikit kehilangan daya geseran. Walaubagaimanapun, takaltakal boleh digabung untuk membentuk faedah mekanik tambahan dengan mempunyai tali yang digelung ke beberapa takal. – – –

Takal dengan 1 tali (1 takal tetap) mempunyai MA = 1, Takal dengan 2 tali (1 takal bergerak) mempunyai MA = 2. Takal dengan 6 tali (block and tackle) mempunyai MA = 6.

MA – Tuas Tuas: MA = Panjang lengan usaha ÷ panjang lengan rintangan. MA – Roda dan Gandar Roda merupakan tuas dengan satu lengan berjarak antara gandar dengan titik luar roda dan yang lagi satu merupakan jejari gandar. Mempunyai faedah mekanik (MA) yang sangat besar. MA – Satah condong MA = panjang cerun ÷ tinggi cerun Contoh soalan Seorang pelajar menggunakan roda basikal dengan jejari giar 4.00 sm dan jejari roda 35.6 sm. Bila daya 155 N dikenakan ke atas rantai, roda akan bergerak 14.0 cm. Disebabkan geseran, kecekapannya adalah 95.0%. a. b. c. d.

Apakah IMA roda dan giar itu? Apakah MA roda dan giar itu? Apakah bacaan daya pada skala roda itu? Bagaimana pelajar itu menarik rantai?

39

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Penyelesaian

de jejari _ giar 4.00cm    0.112 dr jejari _ roda 35.6cm

a.

IMA 

b.

Oleh kerana kecekapan

=

MA 100% IMA

MA  kecekapan

Fr c.

IMA (95.0%)(0.112)   0.107 100% 100%

MA= F e

 Fr  (MA)( Fe )  (0.107)(155N )  16.6 N d.

IMA 

de  d e  ( IMA)( d f )  (0.112)(14.0cm)  15.7cm df

6.4 Mesin manusia berjalan Sistem tuas di dalam badan kita mempunyai 4 bahagian asas: tulang, sumber daya (pengecutan otot), fulkrum (sendi-sendi boleh gerak diantara tulang temulang) dan rintangan (berat badan atau objek yang diangkat). Bila kita berjalan punggung kita bertindak sebagai fulkrum. Pusat jisim badan bergerak sebagai rintangan disekeliling fulkrum. Panjang jejari bulatan adalah panjang tuas yang dibentuk oleh tualng-tulang kaki. Untuk meningkatkan halaju berjalan, punggung dihayun ke atas untuk meningkatkan jejari.

6.5 Contoh soalan dan latihan 1.

Seorang kerani membawa bungkusan 34 N daripada tingkat bawah ke tingkat lima bangunan pejabat yang ketinggianya 15 m. Berapakah kerja yang dilakukan oleh kerani itu? Jawapan: 510 J 2. Seorang pekerja menggunakan sistem takal untuk menaikkan barang 225 N setinggi 16.5 m. Satu daya 129 N dikenakan dan tali ditarik sejauh 33.0 m. a. Apakah faedah mekanikal sistem takal? b. Apakah kecekapan sistem? Jawapan: a. 1.74 b. 87% 6.6 Rujukan 1. http://www.mrfizix.com/home/worksimplemachines.htm 2.http://atlantis.coe.uh.edu/archive/science/science_lessons/scienceles1/finalho me.htm 3. http://www.physicsclassroom.com/Class/energy/ 40

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

TOPIK 7

Daya Dalam Bendalir

Sinopsis Jisim wujud dalam tiga bentuk iaitu pepejal, cecair dan gas. Topik ini bertumpu kepada bentuk cecair di mana anda akan didedah kepada beberapa prinsip seperti Pascal, Archimedes dan Bernoulli. Selain daripada itu, anda juga didedahkan kepada penggunaan prinsip-prinsip tersebut dalam penyelesaian masalah dalam kehidupan seharian.

Hasil Pembelajaran 1. 2. 3. 4.

Menghubungkaitkan ketumpatan dengan keapungan suatu bahan Menyatakan prinsip-prinsip Pascal dan aplikasinya Menyatakan prinsip-prinsip Archimedes dan aplikasinya Menyatakan prinsip-prinsip Bernoulli dan aplikasinya

Gambaran Keseluruhan

Rajah 7.1 Gambaran Keseluruhan Isi Kandungan

Isi Kandungan 7.1 Terapung dan Tenggelam Keapungan Apakah daya-daya yang bertindak ke atas suatu objek yang terletak dalam suatu cecair? Satu daya bertindak ke atas yang dinamakan daya tujah dan seperti biasa daya tarikan graviti akan menarik objek ke bawah. Daya tujah wujud dalam cecair disebabkan oleh tekanan cecair yang bertambah dengan kedalamannya.

41

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Sama ada objek itu akan terapung atau tenggelam adalah bergantung kepada beza antara dua daya itu.

7.2 Prinsip Archimedes dan Aplikasinya Prinsip Archimedes Prinsip Archimedes menyatakan bahawa apabila satu objek direndam sebahagiannya atau sepenuhnya di dalam suatu bendalir, objek itu mengalami daya tujah ke atas yang sama dengan berat bendalir yang disesarkan.

http://scienceprep.org http://scienceuniverse101.blogspot.com

Rajah 7.2  

Objek di atas mempunyai berat 0.67 N. Bila direndam dalam air, beratnya menjadi 0.40N. Ia kehilangan berat 0.67N – 0.40N = 0.27 N Maka daya julangan = 0.27 N

Aplikasi Prinsip Archimedes Kapal Selam

Kapal selam mempunyai tangki balast yang besar, yang digunakan untuk mengawal kedudukan dan kedalamannya dari permukaan laut.

Sebuah kapal selam tenggelam dengan memasukkan air ke dalam tangki balast supaya beratnya menjadi lebih besar daripada daya julangan (dan sebaliknya). Ia terapung dengan mengurangkan air di dalam tangki balast, sehingga beratnya kurang daripada daya apungan.

42

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Belon panas

Belon panas daripada naik dan terapung kerana daya julangan (udara disekeliling lebih berat daripada beratnya). Ia akan turun apabila berat belon lebih besar daripada daya keapungan. Ia akan pegun apabila berat = daya julangan

Atmosfera mengandungi udara yang mengenakan daya julangan ke atas mana-mana objek. Hidrometer

Ia mengandungi satu tiub dengan bebuli di satu hujungnya. Butiran plumbum diletakkan di dalam bebuli untuk menjadikannya berat ke bawah dan membolehkan hydrometer terapung tegak di dalam cecair.

Hidrometer adalah instrument untuk mengukur ketumpatan relatif cecair. Kapal

Kapal terapung di permukaan air because isipadu air yang disesarkan oleh kapal memadai untuknya mempunyai berat yang sama dengan berat kapal. Kapal dibina supaya ketumpatan keseluruhannya kurang daripada air laut (berongga di dalam). Dengan itu, daya julangan yang bertindak ke atas kapal adalah cukup besar untuk menyokong beratnya. Ketumpatan air laut berubah dengan lokasi. Garis Plimsoll yang ditanda pada badan kapal adalah garis panduan untuk memastikan kapal di masukkan muatan sesuai dengan had keselamatannya. Kapal akan tenggelam lebih dalam di air tawar kerana air tawar kurang tumpat daripada air laut. Ia akan terapung lebih tinggi dalam air sejuk kerana air sejuk mempunyai ketumpatan yang lebih tinggi secara relatifnya.

43

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

7.3 Prinsip Bernoulli dan Aplikasinya Prinsip Bernoulli Prinsip Bernoulli menyatakan bahawa apabila halaju aliran bendalir bertambah, tekanan dalam bendalir itu berkurang. X

Y

Z

Halaju tinggi Tekanan rendah

Halaju rendah Tekanan tinggi

Halaju rendah Tekanan tinggi

Aliran air Rajah 7.3 Rajah 7.3 menunjukkan satu tiub Bernoulli yang dialirkan dengan air. Air pada kawasan X dan Z adalah berhalaju rendah dibandingkan dengan air di kawasan Y. Ini menyebabkan kedua-dua kawasan ini mempunyai tekanan yang lebih tinggi lalu air naik pada paras yang lebih tinggi pada tiub-tiub tersebut. Pada kawasan Y, tiub adalah lebih sempit. Ini menyebabkan halaju air lebih tinggi dan tekanannya rendah. Ini menyebabkan air naik ke tiub dengan paras yang lebih rendah.

Rajah 7.4 Rajah 7.4 menunjukkan seorang budak meniup di atas permukaan kertas. Kertas itu terangkat ke atas. Hal ini berlaku kerana halaju udara di bahagian atas menjadi laju dan menyebabkan tekanan menjadi rendah. Udara di sebelah bawah secara relatifnya lebih rendah daripada udara di atas, menyebabkan kertas tertolak ke atas.

44

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Dengan menggunakan prinsip Bernoulli, terangkan situasi-situasi berikut: -

Dua biji bola ping pong yang digantung tertolak rapat kearah satu sama lain apabila ditiup di antaranya Kapal terbang berangkat ke udara Fikir

Layari internet untuk mencuba soalan berbentuk permainan silang kata berkaitan dengan daya dalam cecair. Berikut adalah suatu sumber web yang anda boleh membuat latihan secara interaktif dalam topik daya dalam cecair http://glencoe.com/olc_games/game_engine/content/gln_sci/p pp_09/ch13_w/index.html

Contoh soalan Sebuah pemberat kerta mempunyai berat, W udara = 6.9 N di udara. Bila direndam sepenuhnya di air, beratnya menjadi W air = 4.3 N. Kirakan isipadu pemberat kertas itu. (Anggap g= 9.8 m/s2, dan ketumpatan air adalah 1.0 x 103 kgm-3) Jawapan: Berat di udara, W udara = 6.9 N Berat di air, W air = 4.3 N Langkah 1 Cari nilai daya julangan Daya julangan, FB = Wudara – W air = 6.9N – 4.3N = 2.6N

Langkah 2 Cari jisim air disesar Daripada Prinsip Archimedes, Daya julangan = Berat air disesar iaitu FB = W air atau W air = 2.6N

Daripada

W air

= m

Wair 2.6   0.265kg mg, g 9 .8

Langkah 3 Mencari isipadu air disesar menggunakan rumus ketumpatan Dari



jisim , m isipadu ,V

45

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

Maka isipadu pemberat= isipadu air di sesar V

m





0.265kg  2.65  10 4 m 3 3 3 1.0  10 kgm

, 7.4 Soalan latihan

Neraca spring

1. Rajah di atas menunjukkan satu blok yang digantung pada satu neraca spring. Berat objek di udara adalah W 1= 50 N sementara beratnya di air W 2 adalah 35N. Isipadu blok adalah 100 m3. Cari: (a) Nyatakan berat objek di air (b) Berat air yang disesar (c) Daya julangan (d) Isipadu cecair yang disesar (e) Isipadu objek 2. Sebiji belon dengan isipadu 5 m3 berada di dalam udara dengan ketumpatan 1.2 kgm3. Berapakah daya tujah keatas yang bertindak pada belon itu? 3. Sebuah kapal laut berjisim 80 000 kg sedang terapung di permukaan laut. Jika ketumpatan air laut ialah 1 250 kg m -3, hitungkan isipadu air laut yang disesarkan oleh kapal itu. 4. Sebili bola dengan jisim 0.40 kg dengan isipadu 5 x 10 -4 m3 dilepaskan di dalam air. Ramalkan gerakan bola itu. [ Ketumpatan air = 1000 kg m-3] (Petunjuk: kira pecutan bola itu naik ke atas)

46

SCE3105 Fizik dalam Konteks Hidupan Harian

7.5 Rujukan http://glencoe.com/sec/science/physics/ppp_09/animation/Chapter%2013/Buoya ncy.swf (keapungan) http://www.mhhe.com/physsci/physical/giambattista/buoyancy/buoyancy.html (Tutorial interaktif untuk keapungan) http://glencoe.com/sec/science/physics/ppp_09/animation/Chapter%2013/Pascal s%20Principle.swf (Prinsip Pascal) http://glencoe.com/olc_games/game_engine/content/gln_sci/ppp_09/ch13_w/ind ex.html (teka-teki silang kata melibatkan terminologi cecair) Zitzewitz,P.W.(2002) Physics: Principles and Problems. Ohio: Glencoe/McGraw Hill. (Chapter 13 States of Matter)

47