Contoh Assessment Fis Moderen [PDF]

Citation preview

CONTOH ASSESSMENT FISIKA MODEREN



Kode Mata Kuliah Nama Mata Kuliah Sks Prodi / Semester Prasyarat Co



: MAP 61108 : Fisika Moderen : 3 SKS : S1/3 : : Unggul P. Juswono, ( UPJ) Chomsin S. W., (CHO) Ahmad Hidayat (AH)



PEO 1. Menguasai pengetahuan dan metodologi sain fisika, dan mampu menerapkannya untuk pemecahan masalah dalam pekerjaan mereka.



Beban Capaian PLO Untuk MK Fisika Moderen PLO 1:



Mampu mengidentifikasi persoalan fisika suatu sistem dengan menggunakan prinsip-prinsip pokok fisika (klasik dan modern). (KEY WORD: mengidentifikasi) PLO 4: Mampu menyelesaikan persoalan fisika menggunakan matematika, perangkat komputasi, atau eksperimen. (KEY WORD: problem solving, aplikasi dan menghitung) PLO 5: Dapat menggunakan dasar pengetahuan fisika untuk kajian lebih lanjut dalam beberapa disiplin ilmu fisika, sehingga mampu memecahkan persoalan-persoalan fisika secara lebih mendalam dan komprehensif. (KEY WORD: analisis lebih lanjut) PLO 6: Mampu menerapkan pengetahuan fisika sebagai dasar untuk kajian interdisipliner, khususnya dalam bidang medis dan lingkungan. (KEY WORD: aplikasi fisika,medis dan lingkungan). PLO 11: Mampu menerapkan pengetahuan fisika untuk mengambil keputusan yang tepat guna memberi solusi terhadap permasalahan yang ada. (KEY WORD: menerapkan, aplikasi).



DESKRIPSI SINGKAT : Mata kuliah ini berisikan bahasan tentang konsep dasar teori relativitas, struktur atom, dualisme partikel gelombang, teori kuantum atom hidrogren, dan atom berelektron banyak dan merupakan dasar untuk mengenal bahasan teori fisika moderen lanjutan. Mata kuliah ini juga mendasari matakuliah lanjutan seperti fisika inti dan kuantum



CLO 1: Mahasiswa akan dapat mengidentifikasi terjadinya perubahan panjang benda dan waktu paruh unsur radioaktif dengan menggunakan teori relativitas. {support ke PLO 1}  LLO 1. Mahasiswa dapat menjelaskan konsep gerak relatif konsep relativitas khusus.  LLO 2. Mahasiswa dapat mengidentifikasi adanya dilatasi waktu dan kontraksi panjang dengan menggunakan konsep relativitas khusus. CLO 2: Mahasiswa akan dapat menjelaskan teori dasar struktur atom dan menghitung besar energi transisi antar kulit untuk produksi radiasi Gel Elektromagnet (khususnya untuk proses terjadinya sinar X). {support ke PLO 1 dan 6} LLO 3. Mahasiswa dapat mengidentifikasi adanya sifat dualisme partikel gelombang. LLO 4. Mahasiswa menjelaskan struktur dasar atom. LLO 5. Mahasiswa dapat mengidentifikasi dan menentukan konfigurasi elektron yang stabil pada suatu atom. LLO 6. Mahasiswa menjelaskan struktur dan tingkat tingkat energi atom hidrogen dan atom berelektron banyak serta menghitung besar energi transisi antar kulit (contoh kasus atom Wolfram) LLO 7. Mahasiswa dapat menjelaskan teori dasar radiasi benda hitam. CLO 3: Mahasiswa akan dapat mengidentifikasi peristiwa interaksi radiasi dengan materi dan menghitung besar energi radiasi yang terjadi serta menentukan fungsi kerja dari suatu logam. {support ke PLO 1 dan 4}  LLO 8. Mahasiswa dapat menjelaskan konsep dan menentukan arah hambur serta energi partikel pada peristiwa efek compton.



 LLO 9. Mahasiswa menjelaskan konsep / peristiwa efek fotolistrik dan menghitung / menentukan besar fungsi kerja dari suatu logam.  LLO 10. Mahasiswa dapat menjelaskan konsep / peristiwa produksi pasangan serta menentukan besar energi dari partikel yang terbentuk. CLO 4: Mahasiswa akan dapat menerapkan konsep serapan radiasi dan dapat menghitung besar tebal paruh dari interaksi radiasi dengan materi untuk menentukan tebal perisai proteksi radiasi di bidang radiologi. {support ke PLO 6 dan 11}.  LLO 11. Mahasiswa dapat menjelaskan konsep serapan radiasi dan dapat menghitung besar tebal paruh dari interaksi radiasi dengan materi. CLO 5: Mahasiswa akan dapat menerapkan konsep prinsip ketidakpastian Heisenberg dan menghitung ketidakpastian dari pengukuran suatu besaran fisis. {support ke PLO 11}.  LLO 12. Mahasiswa dapat menerapkan konsep prinsip ketidakpastian Heisenberg dan menghitung ketidakpastian dari pengukuran suatu besaran fisis. CLO 6: Mahasiswa akan dapat menjelaskan spektrum molekul dan menghitung besar energi radiasi hasil transisi elektron efek zeman (normal dan anomali) dan mengidentifikasi jenis radikal bebas. {support ke PLO 1, 5 dan 11}.  LLO 13. Mahasiswa dapat menghitung besar energi radiasi hasil transisi elektron efek zeman (normal dan anomali) serta mengidentifikasi jenis radikal bebas.  LLO 14. Mahasiswa dapat menjelaskan spektrum molekul.



CONTOH SOAL LLO 1. Mahasiswa dapat menjelaskan konsep gerak relatif. a) Seorang anak dalam sebuah kereta api melempar sebuah bola kearah depan dengan laju 20 mil/jam. Jika kereta api itu bergerak dengan laju 80 mil/jam, berapakah laju bola itu bila diukur oleh orang yang berada di tanah ?



b) Seorang kondektur yang berdiri di peron sebuah stasiun kereta api menyinkronkan (synchronize) jamnya dengan teknisi di depan sebuah kereta api yang sedang bergerak dengan laju 60 mil/jam. Panjang kereta api itu ¼ mil. Dua menit setelah kereta api meninggalkan peron, tukang rem dalam kereta menyalakan rokoknya. Berapakah koordinat-koordinat tukang rem itu menurut teknisi dan kondektur, pada saat rokoknya dinyalakan ? c) Seorang yang sedang duduk dalam sebuah kereta api menyalakan dua buah rokok, salah satunya sepuluh menit setelah yang lainnya. Kereta api sedang bergerak sepanjang garis lurus dengan laju 20 m/det. Berapakah jarak antara kedua penyalaan rokok itu menurut pengamat di tanah ?



LLO 2. Mahasiswa dapat menerapkan konsep relativitas khusus. a) Pilot sebuah roket yang bergerak dengan kecepatan 0,8c relatif terhadap bumi mengamati bahwa roket kedua yang mendekatinya dalam arah berlawanan bergerak dengan kecepatan 0,7c. Tentukan kecepatan roket kedua menurut pengukuran pengamat di bumi. b) Sebuah tabung pejal dengan massa diam 10 kg, luas penampang 5 cm 2 dan panjang 1m bergerak dengan kecepatan 0,5C searah dengan panjang tabung. Hitung perbedaan massa jenis dari tabung tersebut (antara keadaan diam dan bergerak). c) Sebuah partikel bermassa diam mo dan bergerak dengan kelajuan 0,6c menumbuk dan menempel pada partikel sejenis lainnya yang mula-mula diam. Berapakah massa diam dan kecepatan partikel gabungan itu? d) Seorang astronot pada saat berumur 30 tahun diberi tugas mengemudikan pesawat ruang angkasa berkecepatan 0.5 C selama 1 tahun meng-angkasa. Berapa perbedaan umur yang dirasakan oleh pengamat di bumi dan umur yang dirasakan astronot.



LLO 3. Mahasiswa dapat menjelaskan dan menerapkan sifat sifat dualisme partikel gelombang. a) Pada energi kinetik berapakah dari suatu proton sehingga perhitungan nonrelativistik memberikan kesalahan perhitungan sebesar 5%? b) Jelaskan dan rumuskan besarnya tingkat energi dari suatu proton yang terjebak dalam suatu kotak selebar 1Ao. c) Hitung berapa besar energi minimum yang dimiliki proton yang terjebak dalam suatu kotak selebar 1Ao tersebut? d) Sebuah elektron mempunyai energi kinetik sebesar 1 GeV, hitunglah kecepatan, momentum, massa dan panjang gelombang dari elektron tersebut. e) Suatu partikel dengan massa 0.1 miligram terjebak dalam kotak selebar 20mm. Hitung energi tingkat 3 dari partikel tersebut.



LLO 4. Mahasiswa menjelaskan struktur dasar atom.



a) Jelaskan tentang struktur dan konfigurasi elektron dalam suatu atom. b) Rumuskan tentang gaya, kecepatan, jari jari orbit dari elektron pada kulit atom dan tentukan bilangan kuantumnya.



LLO 5. Mahasiswa dapat menentukan konfigurasi elektron yang stabil pada suatu atom. a) Hitung besarnya energi dan jari jari orbit elektron (ke 2) dari otom oksigen. b) Tuliskan kemungkinan bilangan kuantum dari elektron yang berada pada kulit 3d.



LLO 6. Mahasiswa menjelaskan sruktur dan tingkat tingkat energi atom hidrogen dan atom berelektron banyak dan menghitung besar energi transisi antar kulit. a) Sebuah elektron beredar pada suatu kulit atom hidrogen dan mempunyai energi sebesar -13,6 eV, hitunglah jari jari orbit, kecepatan, momentum dan panjang gelombang dari elektron tersebut. b) Besarnya energi yang dihasilkan oleh deeksitasi elektron dari atom hidrogen adalah 1,9 eV. Tentukanlah asal kulit transisinya dan masuk dalam deret apa.



LLO 7. Mahasiswa dapat menjelaskan teori dasar radiasi benda hitam. a) Jelaskan konsep dasar dari radiasi benda hitam. LLO 8. Mahasiswa dapat menjelaskan konsep dan menentukan arah hambur serta energi partikel pada peristiwa efek compton. a) Berapakah perbandingan panjang gelombang Compton dan De Broglie dari sebuah partikel? b) Turunkan persamaan Compton λ’ – λ = (h/moc)(1-cos ). c) Dalam hamburan Compton, foton dan elektron yang terhambur diamati. Didapatkan bahwa elektron memiliki energi kinetik 75 keV dan foton memiliki energi 200 keV. Berapakah panjang gelombang awal foton? d) Tentukan sudut hamburan foton dan elektron dari soal di atas!



e) Hitunglah energi maksimum dalam elektron volt, yang dialihkan ke sebuah elektron dalam suatu percobaan Compton, apabila kuanta yang datang adalah sinar X dengan panjang gelombang 0,50Ao. f) Sebuah elektron yang mengalami tumbukan ”lurus” (head on) dengan sebuah foton sinar X memiliki potensial henti 70 kV. Jika elektron mula-mulanya diam, berapakah panjang gelombang foton sinar X awal dan yang terhambur?



LLO 9. Mahasiswa menjelaskan konsep / peristiwa efek fotolistrik dan menghitung / menentukan besar fungsi kerja dari suatu logam. a) Jelaskan syarat syarat terjadinya efek fotolistrik b) Cahaya dengan panjang gelombang 4500Ao datang pada dua buah tabung efek fotolistrik. Tabung fotolistrik pertama mempunyai fungsi kerja sepadan dengan energi gelombang 6500Ao, sedangkan fungsi kerja dari tabung fotolistrik ke dua besarnya dua kali fungsi kerja tabung fotolistrik pertama. Carilah potensial penghenti untuk masing masing tabung jika disinari cahaya dengan panjang gelombang 4500Ao tersebut. c) Bila suatu percobaan fotolistrik dilakukan dengan menggunakan kalsium sebagai emitter, maka didapatkan potensialpotensial henti berikut : d)



Ao



2536 1,18 1,95



3132 0,958 0,98



3650 0,822 0,50



4047 0,741 0,14



Tentukan tetapan planck dari data-data ini. d) Andaikan sebuah foton yang panjang gelombangnya 600Ao diserap oleh sebuah atom hidrogen yang energi ionisasinya 13,6 eV. Berapakah energi kinetik elektron yang dipancarkan?



LLO 10. Mahasiswa dapat menjelaskan konsep / peristiwa produksi pasangan serta menentukan besar energi dari partikel yang terbentuk.



a) Sebuah elektron berkecepatan 0.8 C musnah bersama positron yang awalnya dalam keadaan diam dan menghasilkan dua buah foton. Satu foton teramati bergerak dengan arah tegak lurus dengan arah elektron datang. Tentukan besar energi dari foton foton tersebut b) Sebuah foton 0,0005 angstrom menghasilkan suatu pasangan positron-elektron dan memiliki energi yang sama. Tentukan energi kinetik dari masing masing partikel tersebut. c) Setelah pemusnahan pasangan, dua foton 1 MeV teramati bergerak dalam arah-arah yang berlawanan. Jika electron dan positron kedua-duanya memiliki energi kinetic yang sama, tentukan besarnya. d) Tentukan panjang gelombang ambang dalam penciptaan proton-antiproton. Massa diam proton (atau antiproton) adalah 938 MeV.



LLO 11. Mahasiswa dapat menjelaskan konsep serapan radiasi dan dapat menghitung besar tebal paruh dari interaksi radiasi dengan materi. a) Koefisien serap suatu bahan adalah 0,061 mm-1. Jika intensitas berkas data adalah I 0, hitunglah ketebalan bahan yang diperlukan untuk memperkecil berkas menjadi I 0/3. b) Berapakah ketebalan bahan A ( ) yang setara dengan ketebalan 8 mm bahan B ( ). c) Radiasi dengan intensitas sama dari sinar X 0,3Ao ( ) dan sinar X 0,5Ao ( ) dijatuhkan pada suatu bahan. Carilah ketebalan bahan, jika pada radiasi yang keluar, sinar X 0,3 Ao lebih kuat dua kali daripada sinar X 0,5Ao. LLO 12. Mahasiswa dapat menerapkan konsep prinsip ketidakpastian Heisenberg dan menghitung ketidakpastian dari pengukuran suatu besaran fisis. a) Kedudukan dan momentum proton dengan energi kinetik 120 KeV ditentukan secara serentak. Jika kedudukan dapat ditentukan dengan ketidakpastian 1 angstrom, berapa persen ketidakpastian momentum dan kecepatannya. b) Untuk objek berukuran 0,5 Ao, berapaah panjang gelombang terpanjang foton sehingga dengan foton ini objek ini dapat diamati? c) Untuk objek dari soal di atas, berapakah energi terkecil electron yang dapat digunakan untuk melakukan pengukuran? d) Untuk objek dari soal b, berapakah energi terkecil proton yang dapat digunakan untuk melakukan pengukuran? e) Jika sebuah foton berada dalam inti yang berdiameter . Berapakah energi minimumnya?



LLO 13. Mahasiswa dapat menghitung besar energi radiasi hasil transisi elektron efek zeman. a) Jelaskan tentang efek Zeeman normal dan anomali serta aturan aturan transisinya (berikan contoh contohnya). b) Jelaskan tentang electron spin resonance (ESR) dan bagaimana teori tersebut dapat digunakan untuk menentukan jenis radikal bebas. c) Berapakah lebar pemisahan yang terjadi diantara komponen-komponen Zeeman normal yang berdampingan untuk pancaran radiasi 4500 Å dalam medan magnet 0,4 T? d) Perkirakan besar kuat medan magnet yang ditimbulkan oleh gerak orbital elektron yang menghasilkan garis-garis 7664,1 Å dan 7699,0 Å yang teramati dalam transisi L =1 ke L=0 pada kalium. e) Hitung jari jari lintasan sebuah elektron dengan energi 20 MeV yang bergerak tegak lurus melewati medan magnet B sebesar 5T. f) Transisi 2P ke 1S dalam Na memiliki panjang gelombang 5895, 9 A0. Hitung perubahan panjang gelombang yang tampak dalam medan magnet 2T



LLO 14. Mahasiswa dapat menjelaskan spektrum molekul. a) Jarak pisah frekuensi antara garis-garis berurutan dalam spektrum rotasi 35Cl 19F diukur sebesar 11,2 GHz. Tentukan jarak pisah antara atom-atomnya. b) Jarak pisah antar atomik molekul 12C 16O adalah 1,13 Ao. Tentukan hampiran jarak pisah panjang gelombang antara garisgaris spektrum rotasi berurutan yang muncul sebagai akibat transisi-transisi elektronik dalam daerah tampak (5000Ao). c) Tentukan tingkat-tingkat energi rotasi H2 yang jarak pisah setimbangnya adalah 0,74 Ao. d) Molekul-molekul N2 tereksitasi ke tingkat energi vibrasi n=1 dan kemudian ber-deeksitasi dengan memancarkan foton. Tentukan energi foton yang dipancarkan (tinjau saja kelima tingkat energi rotasi yang pertama untuk tiap-tiap tingkat energi vibrasi). Untuk N2, = 2,5 x 10-4eV, .