PEMBAHASAN SOAL UN FISIKA TENTANG GAYA COULOMB

Posted by on 09 February 2018 - 11:42 AM

Edutafsi.com - Gaya Coulomb. Pembahasan soal ujian nasional bidang studi fisika tentang gaya listrik untuk tingkat menengah atas. Gaya listrik atau gaya Coulomb merupakan gaya interaksi antara dua muatan yang terpisah pada jarak tertentu. Interaksi tersebut bisa berupa gaya tarik-menarik atau gaya tolak-menolak tergantung jenis muatannya. Dari beberapa ujian nasional sebelumnya, setidaknya selalu ada satu atau dua soal tentang gaya listrik. Pada kesempatan ini, edutafsi akan membahas beberapa soal gaya Coulomb yang pernah keluar dalam ujian nasional sebagai gambaran bagi murid untuk menghadapi ujian nasional tahun ini.

Soal 1 : Pengaruh Jarak Terhadap Gaya Coulomb

Dua muatan listrik P dan Q yang terpisah sejauh 10 cm mengalami gaya tarik-menarik sebesar 8 N. Jika muatan Q digeser 5 cm mendekati muatan P, maka gaya listrik yang terjadi adalah ....
A. F = 56  N
B. F = 40 N
C. F = 32 N
D. F = 16 N
E. F = 8 N

Pembahasan :
Dik : r1 = 10 cm, r2 = 10 - 5 = 5 cm, F1 = 8 N
Dit : F2 = .... ?

Gaya Coulomb disebut juga sebagai gaya elektrostatis. Gaya listrik ini dialami sebuah muatan jika muatan tersebut berada di daerah medan listrik. Ketika dua buah muatan terpisah pada jarak r, maka besar gaya listrik yang dialami oleh muatan tersebut dapat dihitung dengan rumus berikut:
F = k q1 . q2
r2

Keterangan :
F = besar gaya tarik atau gaya tolak yang dialami muatan (N)
k = konstanta (9 x 109 N.m2/C2)
q1 = muatan listrik pertama (Coulomb)
q2 = muatan listrik kedua (Coulomb)
r = jarak antara kedua muatan (m).

Interaksi antara kedua muatan bisa berupa tolak-menolak atau tarik-menarik. Jika kedua muatan sejenis, maka interaksinya adalah tolak-menolak. Sedangkan jika kedua muatan berbeda jenis, maka gayanya adalah tarik-menarik. Pada soal disebutkan terjadi gaya tarik-menarik, berarti kedua muatan berbeda jenis.

Gaya Coulomb saat jaraknya 10 cm :
⇒ F1 = (k. q1.q2) / r12
⇒ 8 = {(9 x 109) . (q1.q2)} / (0,1)2
⇒ 8 = {(9 x 109) . (q1.q2)} / (0,01)
⇒ 8 = (9 x 109)(102) . (q1.q2)
⇒ q1.q2 = 8 / (9 x 1011)
⇒ q1.q2 = 8/9 x 10-11 C

Gaya Coulomb saat jaraknya 5 cm :
⇒ F2 = (k. q1.q2) / r22
⇒ F2 = {(9 x 109) . (8/9 x 10-11)} / (5 x 10-2)2
⇒ F2 = {(9 x 109) . (8/9 x 10-11)} / (25 x 10-4)
⇒ F2 = (8 x 10-2) / (2,5 x 10-3)
⇒ F2 = 3,2 x 10-2+3
⇒ F2 = 3,2 x 10
⇒ F2 = 32 N

Penyelesaian ringkas :
Karena muatan P dan Q tetap, dan hanya jaraknya yang berubah, maka perubahan besar gaya tarik keduanya hanya dipengaruhi oleh jarak sehingga berlaku perbandingan sebagai berikut:
F2 = r12
F1 r22
⇒ F2/F1 = (r1/r2)2
⇒ F2 = (r1/r2)2 . F1
⇒ F2 = (10/5)2 . 8
⇒ F2 = (2)2 . 8
⇒ F2 = 32 N

Perhatikan rumus di atas, ingat bahwa gaya listrik (F) berbanding terbalik dengan kuadrat jara (r2). Jadi, jika F2 di ruas kiri berada di atas, maka r22 di ruas kanan berada di bawah. Sebaliknya, karena F1 berada di bawah, maka r12 berada di atas.
Jawaban : C

Soal 2 : Gaya Coulomb pada Sistem Muatan Segitiga

Tiga buah muatan listrik berada pada posisi di titik sudut segitiga siku-siku ABC (siku-siku di B). Jika panjang sisi AB = BC = 20 cm dan besar ketiga muatan sama (q = 2 μC), maka besar gaya listrik yang bekerja di titik B adalah ....
A. 0,9√3 N
B. 0,9√2 N
C. 0,9 N
D. 0,81 N
E. 0,4 N

Pembahasan :
Dik : r = 20 cm = 2 x 10-1 m, q = 2 x 10-6 C
Dit : FB = .... ?

Untuk mengerjakan soal seperti ini, kita dapat merlukis ilustrasi untuk melihat arah gaya Coulomb dari masing-masing muatan yang dialami oleh muatan B. Perhatikan arah gaya Coulomb yang bekerja di titik B pada gambar di bawah ini.

Pembahasan UNBK Fisika tentang gaya Coulomb

Gaya Coulomb oleh muatan A :
⇒ FBA = k.qA.qB / r2
⇒ FBA = (9 x 109)(2 x 10-6)(2 x 10-6) / (2 x 10-1)2
⇒ FBA = (36 x 10-3) / (4 x 10-2)
⇒ FBA = 9 x 10-1
⇒ FBA = 0,9 N

Gaya Coulomb oleh muatan C :
⇒ FBC = k.qC.qB / r2
⇒ FBC = (9 x 109)(2 x 10-6)(2 x 10-6) / (2 x 10-1)2
⇒ FBC = (36 x 10-3) / (4 x 10-2)
⇒ FBC = 9 x 10-1
⇒ FBC = 0,9 N

Resultan gaya yang dialami muatan B :
⇒ FB = √FBA2 + FBC2 + 2 FBA.FBC. cos 90o
⇒ FB = √(0,9)2 + (0,9)2 + 2 (0,9)(0,9).(0)
⇒ FB = √0,81 + 0,81 + 0
⇒ FB = √2 x 0,81
⇒ FB = 0,9√2 N

Penyelesaian ringkas :
Karena besar muatan identik dan jaraknya sama, maka gaya Coulomb yang dialami muatan B oleh muatan A sama dengan gaya Coulomb yang dialami muatan B oleh muatan C, sehingga berlaku:
⇒ FBA = FBC = F = 0,9 N

Berdasarkan konsep dalil Pythagoras:
⇒ FB = √FBA2 + FBC2
⇒ FB = √F2 + F2
⇒ FB = √2F2
⇒ FB = F√2
⇒ FB = 0,9√2 N

Jadi, resultan gaya yang dialami oleh muatan B adalah 09√2 N.
Jawaban : B

Soal 3 : Menentukan Perbandingan Gaya Coulomb

Tiga buah muatan listrik diletakkan terpisah seperti gambar (1) di bawah ini. Resultan gaya yang bekerja pada muatan +q adalah F1. Jika muatan -2q digeser menjauhi muatan +q sejauh a, maka resultan gaya yang bekerja pada muatan +q menjadi F2. Nilai perbandingan F1 dengan F2 adalah ....
A. F1 : F2 = 2 : 5
B. F1 : F2 = 5 : 2
C. F1 : F2 = 5 : 8
D. F1 : F2 = 8 : 1
E. F1 : F2 = 8 : 5

Pembahasan :
Misalkan muatan pertama adalah +2q, muatan kedua adalah +q, dan ketiga adalah -2q.
Dik : r12 = a, r23 = a, r12' = a, r23' = 2a
Dit : F1 : F2 = .... ?

Pembahasan UN Fisika gaya listrik

Pada kondisi mula-mula:
Perhatikan pada gambar di atas, dapat dilihat bahwa arah gaya Coulomb yang dialami muatan kedua akibat muatan pertama dan muatan ketiga searah (sama-sama ke kanan). Dengan demikian, resultan gaya yang dialami muatan +q :
⇒ F1 = F21 + F23
⇒ F1 = {(k. 2q . q) / a2} + {(k. q . 2q) / a2}
⇒ F1 = {(2kq2) / a2} + {(2kq2) / a2}
⇒ F1 = 2 {(2kq2) / a2}

Pada kondisi kedua :
Karena muatan ketiga digeser menjauhi muatan kedua, maka jaraknya menjadi berubah dan besar gaya tariknya juga berubah. Resultan gaya yang dialami muatan kedua pada kondisi kedua ini adalah sebagai berikut:
⇒ F2 = F21' + F23'
⇒ F2 = {(k. 2q . q) / a2} + {(k. q . 2q) / (2a)2}
⇒ F2 = {(2kq2) / a2} + {(2kq2) / 4a2}
⇒ F2 = {(2kq2) / a2} + ¼{(2kq2) / a2}
⇒ F2 =  (1 + ¼) . {(2kq2) / a2}
⇒ F2 = 5/4 {(2kq2) / a2}

Perbandingan kondisi pertama dan kondisi kedua:
F1 = 2 {(2kq2) / a2}
F2 5/4 {(2kq2) / a2}
⇒ F1/F2 = 2/(5/4)
⇒ F1/F2 = 2 x 4/5
⇒ F1 : F2 = 8 : 5

Penyelesaian ringkas :
F1 = F21 + F23
F2 F21' + F23'
⇒ F1/F2 = 2F/(F + ¼F)
⇒ F1/F2 = 2F/(5/4F)
⇒ F1/F2 = 8/5
⇒ F1 : F2 = 8 : 5

Jadi, perbandingan antara adalah 8 : 5.
Jawaban : E

Soal 4 : Menentukan Besar dan Arah Gaya Coulomb

Perhatikan gambar di bawah ini!

Pembahasan Ujian nasional tentang gaya Coulomb

Ketiga muatan listrik q1, q, dan q2 adalah segaris. Jika q = 5,0 μC, q1 = 30 μC, q2 = 60 μC dan d = 30 cm, maka besar dan arah gaya listrik yang bekerja pada muatan q adalah .... (k = 9 x 109 N m2C-2)
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 :
Dik : r1 = 30 cm, r2 = 60 cm, q1 = 3 x 10-5 C, q2 = 6 x 10-5 C, q = 5 x 10-6 C
Dit : F = .... ?

Karena ketiga muatan tersebut sejenis, maka akan terjadi gaya tolak-menolak. Arah gaya lisrtik yang dialami oleh muatan q oleh dua muatan lainnya ditunjukkan oleh gambar di bawah ini. Dapat dilihat bahwa arah gayanya saling berlawanan arah (satu ke kanan dan satu ke kiri).

Pembahasan un fisika tentang gaya listrik

Gaya Coulomb oleh muatan q1 :
⇒ F1 = k.q1.q / r12
⇒ F1 = (9 x 109).(3 x 10-6).(5 x 10-5) / (3 x 10-1)2
⇒ F1 = (135 x 10-2) / (9 x 10-2)
⇒ F1 = 15 N ke kanan.

Gaya Coulomb oleh muatan q2 :
⇒ F2 = k.q2.q / r22
⇒ F2 = (9 x 109).(6 x 10-6).(5 x 10-5) / (6 x 10-1)2
⇒ F2 = (270 x 10-2) / (36 x 10-2)
⇒ F2 = 7,5 N ke kiri.

Dengan demikian, resultan gaya yang dialami muatan q adalah:
⇒ F = F1 − F2
⇒ F = 15 - 7,5
⇒ F = 7,5 N ke kanan.

Karena F1 lebih besar dari F2, dan arah F1 ke kanan, maka besar resultan gaya yang bekerja pada muatan q adalah 7,5 N ke kanan (menuju muatan q2).
Jawaban : B

Soal 5 : Menentukan Besar Gaya Listrik yang Dialami Muatan

Tiga buah muatan A, B, dan C terletak segaris dengan B berada di antara A dan C. Jarak antara A dan B sama dengan jarak antara B dan C, yaitu 0,1 meter. Jika muatan A, B, dan C berturut-turut adalah 10 μC, 10 μC, dan 20 μC, maka gaya Coulomb yang dialami oleh muatan B adalah ..... (k = 9 x 109 N m2C-2, 1 μC = 10-6 C).
A. 90 N ke muatan C
B. 90 N ke muatan A
C. 180 N ke muatan C
D. 180 N ke muatan A
E. 360 N ke muatan C

Pembahasan :
Dik : rab = 0,1 m, rbc = 0,1 m, qa = 10-5 C, qb = 10-5 C, qc = 2 x 10-5 C
Dit : Fb = .... ?

Pembahasan UNBK Fisika tentang listrik statis

Gaya Coulomb oleh muatan A :
⇒ Fba = k.qa.qb / rab2
⇒ Fba = (9 x 109)(10-5)(10-5) / (10-1)2
⇒ Fba = (9 x 10-1) / (10-2)
⇒ Fba = 9 x 10
⇒ Fba = 90 N ke kanan

Gaya Coulomb oleh muatan C :
⇒ Fbc = k.qc.qb / rbc2
⇒ Fbc = (9 x 109)(2 x 10-5)(10-5) / (10-1)2
⇒ Fbc = (18 x 10-1) / (10-2)
⇒ Fbc = 18 x 10
⇒ Fbc = 180 N ke kiri

Resultan gaya yang dialami muatan B :
⇒ Fb = Fbc − Fba
⇒ Fb = 180 − 90
⇒ Fb = 90 N ke kiri.

Karena gaya Fbc lebih besar dari gaya Fba dan gaya Fbc arahnya ke kiri (menuju muatan A), maka resultan gaya yang dialami oleh muatan B adalah 90 N ke muatan A.
Jawaban : B

Demikianlah pembahasan beberapa soal ujian nasional bidang studi fisika tentang gaya listrik atau gaya Coulomb. Jika pembahasan soal gaya coulomb ini bermanfaat, bantu kami membagikannya kepada teman-teman anda melalui tombol share yang tersedia. Terimakasih.


Edutafsi.com adalah blog bahan belajar sekolah yang ditujukan untuk membantu murid belajar. Dukung edutafsi untuk terus berkembang dengan like laman facebook edutafsi dan follow IG Tafsi Junior. Terimakasih telah berkunjung ke blog ini. Semoga bermanfaat.

Advertisements