Pembahasan soal OSN fisika SMP tingkat kabupaten/kota – Muatan listrik, gaya listrik

Muatan listrik

1. Soal Olimpiade Sains Nasional SMP Tingkat Kabupaten/Kota Tahun 2011 No.57
Dua buah muatan identik masing-masing dengan massa m = 9√3 x 10^-4 kg digantung pada satu titik yang sama menggunakan tali yang panjangnya l = 1 meter. Jika kedua muatan tersebut terpisah sejauh a = 1 meter maka besar masing-masing muatan adalah….
A. 4 mikrocoulomb
B. 2 mikrocoulomb
C. 1 mikrocoulomb
D. 0,5 mikrocoulomb
Pembahasan
Diketahui :
Dua buah muatan identik artinya dua buah muatan sejenis, di mana muatan sejenis saling tolak menolak.
Panjang tali (l) = 1 meter
Jarak antara kedua muatan (r) = 1 meter
Massa muatan (m) = 9√3 x 10^-4 kg
Percepatan gravitasi (g) = 10 m/s²
Gaya berat (w) = m g = (9√3 x 10^-4 kg)(10 m/s²) = 9√3 x 10^-3 Newton
Ditanya : Besar masing-masing muatan (q)
Jawab :
Keterangan gambar :
F = Gaya listrik tolak menolak antara beban 1 dan 2
w₁ = Gaya berat bola 1
w₂ = Gaya berat bola 2
T₁ = Gaya tegangan tali 1
T_1x = Komponen gaya tegangan tali 1 pada sumbu x
T_1y = Komponen gaya tegangan tali 1 pada sumbu y
T₂ = Gaya tegangan tali 2
T_2x = Komponen gaya tegangan tali 2 pada sumbu x
T_2y = Komponen gaya tegangan tali 2 pada sumbu y
l₁ = panjang tali 1
l_1x = komponen panjang tali pada sumbu x
l_1y = komponen panjang tali pada sumbu y

Hitung nilai cos θ :

Hitung gaya tegangan tali (T₁) :

Hitung nilai sin θ :

Hitung komponen gaya tegangan tali pada sumbu x (T_1x) :

Kedua bola setimbang sehingga T_1x = F = 9 x 10^-3 Newton

Hitung muatan masing-masing bola menggunakan rumus hukum Coulomb :

Besar masing-masing muatan adalah 1 x 10^-6 Coulomb atau 1 mikroCoulomb.
Jawaban yang benar adalah C.

Menjadikan benda bermuatan listrik

1. Soal Olimpiade Sains Nasional SMP Tingkat Kabupaten/Kota Tahun 2010 No.50
Dua cara pemberian muatan listrik pada suatu benda adalah….
A. Gosokan dan elektromagnetisasi
B. Induksi dan elektromagnetisasi
C. Gosokan dan induksi
D. Induksi dan magnetisasi
Pembahasan
Dua cara pemberian muatan listrik pada suatu benda adalah gosokan dan induksi.
Gosokan adalah cara menjadikan suatu benda bermuatan listrik positif atau bermuatan listrik negatif dengan menggosokkan benda tersebut dengan benda lainnya, misalnya menggosokan batang kaca dengan kain wol atau menggosokan sisir plastik dengan rambut kering. Selama bergesekan, elektron berpindah dari suatu benda ke benda lainnya sehingga salah satu benda berkelebihan elektron (berkekurangan proton) lalu menjadi bermuatan negatif dan benda lainnya berkekurangan elektron (berkelebihan proton) lalu menjadi bermuatan positif.
Induksi adalah cara menjadikan suatu benda bermuatan dengan mendekatkan benda bermuatan listrik dengan bola logam netral tetapi keduanya tidak saling bersentuhan. Benda yang dijadikan bermuatan listrik harus mempunyai elektron bebas karena elektron bebas-elektron bebas tersebut dapat berpindah tempat ketika diinduksi oleh benda bermuatan listrik. Benda-benda yang terbuat dari logam pada umumnya mempunyai elektron bebas. Benda seperti kaca, plastik atau kayu tidak bisa dijadikan bermuatan listrik dengan cara induksi karena benda-benda seperti ini tidak mempunyai elektron bebas.
Jawaban yang benar adalah C.

Jenis muatan listrik

2. Soal Olimpiade Sains Nasional SMP Tingkat Kabupaten/Kota Tahun 2010 No.49
Empat buah benda bermuatan (P, Q, R dan S) berkelakuan sebagai berikut. P dan Q saling menolak, P dan R saling menarik, R dan S saling menolak. Pernyataan berikut ini yang benar adalah….
A. jika P bermuatan negatif, maka S bermuatan negatif
B. jika Q bermuatan negatif, maka S bermuatan negatif
C. jika R bermuatan negatif, maka P bermuatan negatif
D. jika S bermuatan negatif, maka P bermuatan positif
Pembahasan
P dan Q saling menolak karenanya P dan Q mempunyai muatan sejenis
P dan R saling menarik karenanya P dan R mempunyai muatan tak sejenis
R dan S saling menolak karenanya R dan S mempunyai muatan sejenis

Jadi jika P dan Q bermuatan positif maka R dan S bermuatan negatif atau jika P dan Q bermuatan negatif maka R dan S bermuatan positif.
Jawaban yang benar adalah D.

3. Soal Olimpiade Sains Nasional SMP Tingkat Kabupaten/Kota Tahun 2011 No.59
Sebuah benda dikatakan bermuatan positif apabila….
A. Benda menerima proton
B. Benda melepaskan proton
C. Benda menerima elektron
D. Benda melepaskan elektron
Pembahasan
Proton bermuatan positif sedangkan elektron bermuatan negatif. Proton berada di pusat atom sehingga proton tidak bisa berpindah dari suatu benda ke benda lainnya, sebaliknya elektron berada di permukaan atom sehingga bisa berpindah dari suatu benda ke benda lainnya. Benda menjadi bermuatan listrik karena benda melepaskan elektron atau benda menerima elektron. Apabila suatu benda menerima elektron maka benda berkelebihan elektron (kekurangan proton) sehingga benda bermuatan negatif. Jika suatu benda melepaskan elektron maka benda berkekurangan elektron (kelebihan proton) sehingga benda bermuatan positif.
Jadi berdasarkan soal di atas, sebuah benda dikatakan bermuatan positif apabila benda melepaskan elektron.
Jawaban yang benar adalah D.

Gaya listrik

4. Soal Olimpiade Sains Nasional SMP Tingkat Kabupaten/Kota Tahun 2010 No.48
Dua buah muatan listrik masing-masing Q₁ dan Q₂ berada pada jarak R memiliki gaya tolak menolak sebesar 100 N. Jika jarak antara kedua muatan diperkecil menjadi 1/3 R, maka gaya tolak-menolak muatan listrik menjadi….
A. 33,33 N
B. 100 N
C. 300 N
D. 900 N
Pembahasan
Diketahui :
Muatan listrik 1 = Q₁
Muatan listrik 2 = Q₂
Jarak antara kedua muatan = R
Gaya tolak menolak antara kedua muatan (F) = 100 Newton
Gaya tolak menolak artinya kedua muatan listrik berjenis sama, keduanya positif atau keduanya negatif.
Ditanya : Apabila jarak antara kedua muatan diperkecil menjadi 1/3 R, maka gaya tolak menolak muatan listrik menjadi…..
Jawab :
Rumus hukum Coulomb :
F = k Q₁ Q₂ / R₂
Misalkan R = 1 maka nilai Q₁.Q₂ dapat dihitung :

Apabila jarak antara kedua muatan diperkecil menjadi 1/3 R, maka gaya tolak menolak muatan listrik (F) menjadi :

Jawaban yang benar adalah D.

5. Soal Olimpiade Sains Nasional SMP Tingkat Kabupaten/Kota Tahun 2011 No.53
Muatan titik Q₁ = +4e dan muatan titik Q₂ = -3e ditahan tetap pada jarak 0,3 m satu sama lain, seperti pada gambar di bawah ini. Agar gaya listrik yang bekerja pada muatan Q₂ adalah nol, muatan titik Q₃ = +16e harus diletakkan di….A. 0,3 m di sebelah kiri Q₁
B. 0,6 m di sebelah kanan Q₁
C. 0,6 m di sebelah kanan Q₂
D. 0,9 m di sebelah kiri Q₂
Pembahasan
Diketahui :
Muatan sebuah elektron (-e) atau proton (+e) = 1,60 x 10^-19 Coulomb
Muatan titik Q₁ = +4e
Muatan titik Q₂ = -3e
Muatan titik Q₃ = +16e
Jarak antara muatan titik Q₁ dan muatan titik Q₂ = 0,3 meter
Ditanya : Agar gaya listrik yang bekerja pada muatan Q₂ adalah nol, muatan titik Q₃ = +16e harus diletakkan di….
Jawab :
Gaya listrik antara muatan Q₁ dan muatan Q₂ :

Muatan Q₁ positif dan muatan Q₂ negatif sehingga arah gaya listrik F₁₂ ke kiri (menuju muatan Q₁).

Agar resultan gaya listrik yang bekerja pada muatan Q₂ adalah nol maka besar gaya listrik antara muatan Q₂ dan muatan Q₃ (F₃₂) = besar gaya listrik antara muatan Q₁ dan muatan Q₂ (F₁₂) dan arah F₃₂ harus berlawanan dengan arah F₁₂. Arah F₁₂ ke kiri karenanya arah F₃₂ harus ke kanan. Mengingat Q₃ adalah positif dan Q₂ adalah muatan negatif, agar arah F₃₂ ke kanan maka muatan Q₃harus diletakkan sebelah kanan Q₂

Jarak antara muatan Q₂ dan muatan Q₃ dihitung menggunakan rumus hukum Coulomb :

Jawaban yang benar adalah C.