Nota Fizik Tingkatan 4 Bab 2: Daya Dan Gerakan I
RINGKASAN
Ringkasan (Nota Fizik Tingkatan 4 Bab 2: Daya Dan Gerakan I)
Dokumen ini menghuraikan konsep asas gerakan linear, gerakan jatuh bebas, dan inersia. Gerakan linear, atau pergerakan dalam satu lintasan lurus, dihuraikan melalui kuantiti fizik seperti jarak, sesaran, laju, halaju, dan pecutan. Jarak ialah kuantiti skalar yang mewakili panjang lintasan yang dilalui, manakala sesaran ialah kuantiti vektor yang merupakan jarak terpendek antara titik awal dan akhir pada arah tertentu. Laju ialah kadar perubahan jarak, dan halaju ialah kadar perubahan sesaran. Pecutan pula ialah kadar perubahan halaju.
Untuk mengkaji gerakan linear di makmal, peralatan seperti jangka masa detik dan sistem photogate bersama pemasa elektronik digunakan. Jangka masa detik yang berfrekuensi 50 Hz menghasilkan 50 titik sesaat pada pita detik, dengan sela masa antara dua titik berturutan (1 detik) bersamaan 0.02 saat. Sistem photogate menawarkan kejituan yang lebih tinggi. Data daripada eksperimen ini boleh digunakan untuk memplot graf gerakan linear. Graf sesaran-masa, halaju-masa, dan pecutan-masa adalah alat penting untuk menganalisis gerakan. Kecerunan graf sesaran-masa memberikan halaju, manakala kecerunan graf halaju-masa memberikan pecutan, dan luas di bawah graf halaju-masa memberikan sesaran. Empat persamaan gerakan linear digunakan untuk menyelesaikan masalah yang melibatkan pecutan seragam.
Gerakan jatuh bebas berlaku apabila pergerakan suatu objek hanya dipengaruhi oleh daya graviti, tanpa rintangan udara atau geseran. Dalam vakum, semua objek, tanpa mengira jisimnya, jatuh dengan pecutan yang sama, iaitu pecutan graviti (g). Nilai purata pecutan graviti di permukaan Bumi ialah 9.81 m s⁻².
Konsep inersia diterangkan oleh Hukum Gerakan Newton Pertama, yang menyatakan bahawa suatu objek akan kekal dalam keadaan asalnya (pegun atau bergerak dengan halaju malar) jika tiada daya luar bertindak ke atasnya. Inersia ialah kecenderungan objek untuk menentang sebarang perubahan dalam keadaan gerakannya. Jisim suatu objek berkadar terus dengan inersianya; semakin besar jisim, semakin besar inersia. Konsep ini mempunyai pelbagai aplikasi dan kesan dalam kehidupan harian, seperti kepentingan memakai tali pinggang keledar di dalam kenderaan.
GLOSARI
| Istilah | Definisi |
| Gerakan Linear | Pergerakan dalam satu lintasan yang lurus. |
| Pegun | Keadaan di mana kedudukan suatu objek tidak berubah dengan masa. |
| Jarak | Panjang lintasan yang dilalui oleh pergerakan suatu objek. Ia adalah kuantiti skalar. |
| Sesaran | Jarak terpendek antara kedudukan awal dengan kedudukan akhir pergerakan suatu objek pada satu arah tertentu. Ia adalah kuantiti vektor. |
| Laju | Kadar perubahan jarak. Formula: v = d/t. |
| Halaju | Kadar perubahan sesaran. Formula: v = s/t. |
| Pecutan | Kadar perubahan halaju. Formula: a = (v – u) / t. |
| Nyahpecutan | Keadaan pengurangan halaju gerakan satu objek. |
| Kuantiti Skalar | Kuantiti yang mempunyai magnitud sahaja. |
| Kuantiti Vektor | Kuantiti yang mempunyai magnitud dan arah. |
| Jangka Masa Detik | Alat yang digunakan untuk mengkaji gerakan linear di makmal, biasanya beroperasi pada frekuensi 50 Hz. |
| Detik | Sela masa antara dua titik berturutan yang dibuat oleh jangka masa detik. 1 detik = 0.02 s. |
| Gerakan Jatuh Bebas | Pergerakan objek yang dipengaruhi oleh daya graviti sahaja, tanpa rintangan udara atau geseran. |
| Pecutan Graviti (g) | Pecutan objek yang jatuh bebas disebabkan oleh daya tarikan graviti. Nilai purata di Bumi ialah 9.81 m s⁻². |
| Vakum | Ruang yang tidak mengandungi jirim, termasuk udara. Dalam vakum, tiada rintangan udara. |
| Inersia | Kecenderungan suatu objek untuk kekal dalam keadaan asalnya, sama ada pegun atau bergerak dalam garisan lurus dengan halaju malar. |
| Hukum Gerakan Newton Pertama | Menyatakan bahawa sesuatu objek akan kekal dalam keadaan pegun atau bergerak dengan halaju malar jika tiada daya luar bertindak ke atasnya. |
| Neraca Inersia | Alat yang digunakan untuk mengukur inersia suatu objek berdasarkan tempoh ayunannya. |
CONTOH SOALAN KBAT
Soalan KBAT (Kemahiran Berfikir Aras Tinggi)
1. Soalan: Dalam Aktiviti 2.5, sehelai kertas A4 yang rata dan sebiji bola pingpong dijatuhkan serentak. Didapati bola pingpong sampai ke lantai terlebih dahulu. Walau bagaimanapun, apabila kertas itu direnyukkan menjadi bebola, kedua-dua objek sampai ke lantai pada masa yang hampir sama. Jelaskan pemerhatian ini dengan menghubungkaitkannya dengan konsep gerakan jatuh bebas dan rintangan udara.
Jawapan: Konsep gerakan jatuh bebas menyatakan bahawa semua objek, tanpa mengira jisim, jatuh dengan pecutan graviti yang sama jika tiada daya luar lain seperti rintangan udara. Dalam pemerhatian pertama, kertas A4 yang rata mempunyai luas permukaan yang besar, menyebabkan ia mengalami rintangan udara yang tinggi. Rintangan udara ini menentang gerakan jatuhnya, menyebabkannya jatuh lebih perlahan daripada bola pingpong yang mempunyai rintangan udara lebih kecil. Apabila kertas itu direnyukkan, luas permukaannya menjadi kecil, sama seperti bola pingpong. Ini menyebabkan rintangan udara ke atas kertas yang direnyuk menjadi sangat kecil dan boleh diabaikan. Oleh itu, kedua-dua objek mengalami gerakan yang menghampiri jatuh bebas dan sampai ke lantai pada masa yang hampir sama.
2. Soalan: Lori tangki yang membawa cecair seperti petrol mempunyai beberapa bahagian tangki berasingan di dalamnya dan bukannya satu tangki besar. Terangkan bagaimana reka bentuk ini dapat meningkatkan keselamatan pemanduan dengan menggunakan konsep inersia.
Jawapan: Cecair seperti petrol mempunyai jisim dan inersia yang besar. Jika lori tangki hanya mempunyai satu ruang besar, cecair di dalamnya akan mempunyai satu jisim besar yang bergerak bersama. Apabila lori berhenti secara mendadak, inersia cecair yang besar ini akan menyebabkannya terus bergerak ke hadapan dan menghentam dinding hadapan tangki dengan daya yang sangat kuat. Ini boleh merosakkan tangki atau menyebabkan lori menjadi tidak stabil. Dengan membahagikan tangki kepada beberapa bahagian yang lebih kecil, jisim cecair dalam setiap bahagian adalah lebih kecil. Ini mengurangkan impak inersia keseluruhan minyak petrol. Apabila lori berhenti, hanya jisim cecair yang kecil dalam setiap bahagian yang akan menghentam dinding, mengurangkan daya hentaman dan menjadikan kenderaan lebih stabil dan selamat.
3. Soalan: Bandingkan penggunaan jangka masa detik dengan sistem photogate dan pemasa elektronik untuk menentukan pecutan graviti. Sistem yang manakah memberikan keputusan yang lebih jitu? Jelaskan mengapa.
Jawapan: Sistem photogate dan pemasa elektronik memberikan keputusan yang lebih jitu berbanding jangka masa detik. Kejituan pemasa elektronik boleh mencapai sehingga 0.001 saat, manakala kejituan jangka masa detik dihadkan kepada 0.02 saat. Selain itu, penggunaan jangka masa detik melibatkan geseran antara pita detik dengan jangka masa detik. Geseran ini akan menentang pergerakan objek jatuh, menyebabkan pecutan yang diukur lebih rendah daripada nilai sebenar. Sistem photogate tidak mempunyai sentuhan fizikal dengan objek yang jatuh, jadi tiada geseran tambahan yang mempengaruhi gerakan, membolehkan pengukuran pecutan graviti yang lebih jitu.
4. Soalan: Seorang penghibur ingin menarik alas meja dari bawah set pinggan mangkuk tanpa menyebabkan pinggan mangkuk itu jatuh. Berdasarkan Hukum Gerakan Newton Pertama, apakah syarat yang perlu dipenuhi oleh penghibur itu untuk berjaya? Jelaskan jawapan anda.
Jawapan: Berdasarkan Hukum Gerakan Newton Pertama, sesuatu objek akan kekal dalam keadaan pegun jika tiada daya luar bertindak ke atasnya. Pinggan mangkuk di atas meja berada dalam keadaan pegun dan mempunyai inersia. Untuk berjaya, penghibur itu mesti menyentap alas meja dengan sangat pantas. Apabila alas meja disentap dengan pantas, masa tindakan daya geseran antara alas meja dan pinggan mangkuk adalah sangat singkat. Ini menyebabkan daya luar yang bertindak ke atas pinggan mangkuk adalah minimum dan tidak cukup untuk mengatasi inersianya. Akibatnya, pinggan mangkuk itu akan mengekalkan keadaan pegunnya dan kekal di atas meja. Jika alas meja ditarik perlahan-lahan, daya geseran akan bertindak untuk tempoh yang lebih lama, menyebabkan pinggan mangkuk itu bergerak bersama alas meja dan jatuh.
5. Soalan: Rajah 2.35 menunjukkan graf halaju-masa bagi suatu objek. Huraikan gerakan objek tersebut secara kualitatif bagi setiap peringkat dari O ke D.
Jawapan:
◦ Peringkat OA: Objek bermula dari pegun (halaju sifar) dan bergerak dengan pecutan seragam. Halajunya bertambah secara linear dari 0 ke u dalam masa t₁.
◦ Peringkat AB: Objek bergerak dengan halaju seragam u dari masa t₁ hingga t₂. Pecutannya adalah sifar kerana tiada perubahan halaju.
◦ Peringkat BC: Objek mengalami pecutan seragam sekali lagi. Halajunya bertambah secara linear dari u ke v antara masa t₂ dan t₃.
◦ Peringkat CD: Objek mengalami nyahpecutan seragam (pecutan negatif). Halajunya berkurang secara linear dari v kembali ke halaju u antara masa t₃ dan t₄.