SEMESTER 1 : BACHELOR PENDIDIKAN (SAINS RENDAH) 2012 TAJUK KURSUS : Fizik dalam Konteks Kehidupan Harian KOD KURSUS SCE3105 MATA KREDIT : 3 (2 + 1) PENGENALAN Kursus ini meneroka idea dan amalan fizik dalam konteks kehidupan peribadi, tempatan dan industri dan ia akan menekankan kerelevanan fizik dalam dunia sebenar. Topik-topik yang dipilih akan meliputi yang berikut: fizik dan pengukuran, gerakan, kerja dan mesin, termometri dan thermometer, daya dalam bendalir, fizik dalam muzik, menggunakan cahaya dalam instrument optic, kelektrikan, kemagnetan dan elektronik. Ia akan membantu mengembangkan kecekapan pelajar didalam menyiasat dan kemahiran menyelesaikan masalah yang berkaitan hubungan fizik di dalam kehidupan harian. Ini di tambah, melalui Ilmu Pedagogi Kandungan Kurikulum Sains Sekolah Rendah, konsepsi pelajar dan pengetahuan pedagogi bidang pembelajaran Kerja dan Mesin, Daya dalam Bendalir dan Termometri dan Termometer akan di pertingkatkan. HASIL PEMBELAJARAN 1. Membuat pengukuran yang jitu dan persis menggunakan unit dan instrumen yang sesuai. 2. Menentukan jumlah vektor secara grafik dan algebra. 3. Demonstrasi pengetahuan konsep asas kerja, termometri, hukum gerakan Newton dan hukum kegravitian semesta. 4. Demonstrasi pemahaman resonan, instrumen optik, litar siri dan selari, motor elektrik dan monitor TV. 5. Aplikasi Prinsip Archimedes dan Bernoulli di dalam kehidupan harian. 6. Menjelaskan bagaimana elektrik dijana dan bagaimana ia di hantar dari satu tempat ke satu tempat yang lain 7. Menjelaskan fungsi-fungsi diod dan transistor dalam komunikasi elektronik. 8. Menerangkan hubungan antara teori, pengetahuan dan penyiasatan amali dalam Fizik. dalam Konteks Kehidupan Harian melalui melalui Pedagogi Pengetahuan Isi Kandungan Kurikulum Sains Sekolah Rendah. 1. FIZIK DAN PENGUKURAN DALAM KEHIDUPAN HARIAN 1.1 Pertukaran unit 1.2 Imbuhan 1.3 Ketepatan dan kepersisan 1.4 Bentuk piawai 1.5 Teknik-teknik pengukuran yang baik 1.6 Contoh soalan dan latihan 1.7 Rujukan 2. GERAKAN PADA ARAH MANA? 2.1 Mewakilkan kuantiti vektor 2.2 Hasil tambah vektor secara grafik
2.3 Hasil tolak vektor 2.4 Halaju relatif: Beberapa aplikasi 2.5 Komponen-komponen vektor 2.6 Hasiltambah vektor secara algebra 2.7 Contoh soalan dan latihan 2.8 Rujukan 3. GERAKAN DALAN SATU DIMENSI 3.1 Jenis-jenis daya : geseran, normal, tegangan, julangan dan berat 3.2 Membina rajah jasad bebas yang melibatkan daya-daya diatas dalam pelnbagai konteks 3.3 Contoh soalan dan latihan 3.4 Rujukan 4. GERAKAN DALAN DUA DIMENSI 4.1 Keseimbangan dan pengimbang (equilibrant) 4.2 Gerakan pada satah condong 4.3 Gerakan projektil 4.4 Contoh soalan dan latihan 4.5 Rujukan 5. APLIKASI HUKUM-HUKUM NEWTON DALAM KEHIDUPAN HARIAN 5.1 Menggunakan hukum-hukum pertama, kedua dan ketiga Newton untuk menyelesaikan masalah. 5.2 Contoh soalan dan latihan 5.3 Rujukan 6. KERJA DAN MESIN 6.1 Kerja 6.2 Mesin ringkas dan mesin majmuk 6.3 Keupayaan mekanik dan kecekapan 6.4 Mesin manusia berjalan 6.5 Contoh soalan dan latihan 5.3 Rujukan 7. DAYA-DAYA DALAM BENDALIR 7.1 Terapung dan tenggelam 7.2 Menyelesaikan masalah melibatkan ketumpatan dan Prinsip Archimedes. 7.3 Aplikasi Prinsip Bernoulli 7.4 Contoh soalan dan latihan 7.5 Rujukan 8. GERAKAN PLANET DAN SATELIT 8.1 Hukum-hukum Kepler 8.2 Kegravitian semesta
8.3 Menggunakan hukum kegaravitian semesta Newton 8.4 Gerakan planet dan satelit 8.5 Berat dan tanpa berat 8.6 Medan graviti 8.7 Contoh soalan dan latihan 8.8 Rujukan 9. FIZIK DALAM MUZIK 9.1 Bunyi dan gelombang membujur 9.2 Keamatan dan kekuatan 9.3 Frekuensi dan kelangsingan 9.4 Resonan 9.5 Mengesan gelombang tekanan 9.6 Kualiti bunyi 9.7 Menghasilkan bunyi 9.8 Contoh soalan dan latihan 9.9 Rujukan 10. TERMOMETRI DAN TERMOMETER 10.1 Keseimbangan terma dan termometri 10.2 Skala suhu: Celcius dan Kelvin 10.3 Beberapa jenis termometer 10.4 Contoh soalan dan latihan 10.5 Rujukan 11. MENGGUNAKAN CAHAYA 11.1 Pantulan dan cermin 11.2 Pembiasan dan kanta 11.3 Mikroskop dan teleskop 11.4 Contoh soalan dan latihan 11.5 Rujukan 12. LITAR ELEKTRIK DI RUMAH 12.1 Gabungan litar sesiri dan selari 12.2 Hukum Ohm 12.3 Aplikasi litar 12.4 Keselamatan dalam litar 12.5 Contoh soalan dan latihan 12.6 Rujukan 13. KELEKTRIKAN DAN KEELEKTROMAGNETAN 13.1 Daya atas arus dan medan magnet 13.2 Motor elektrik 13.3 Daya atas satu zarah bercas 13.4 Skrin TV 13.5 Contoh soalan dan latihan
13.6 Rujukan 14. PENJANAAN DAN PENGHANTARAN TENAGA ELEKTRIK 14.1 Hukum Faraday 14.2 Daya elektromotif 14.3 Menjana tenaga elektrik 14.4 Hukum Lenz 14.5 Swainduktans 14.6 Transformer 14.7 Contoh soalan dan latihan 14.8 Rujukan 15. KEGUNAAN ELEKTRONIK DAN SEMIKONDUKTOR 15.1 Isyarat elektronik 15.2 Komunikasi elektronik 15.3 Komputer 15.4 Persepaduan teknologi: super lebuhraya maklumat maklumat (information super highway) 15.5 Contoh soalan dan latihan 15.6 Rujukan
TAJUK 1 FIZIK DAN PENGUKURAN DALAM KEHIDUPAN HARIAN Fizik pengukuran dalam kehidupan harian Pertukaran unit Bentuk piawai Kejituan dan kepersisan Angka bererti Teknik-teknik pengukuran yang baik 1.1 Pertukaran Unit 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. Unit metrik untuk semua kuantiti menggunakan imbuhan yang sama. Contohnya, satu per seribu gram adalah satu miligram, dan satu ribu gram adalah satu kilogram. Jadual 1.1 Imbuhan Nilai Bentuk Piawai Simbol Tera 1 000 000 000 000 10 12 T Giga 1 000 000 000 10 9 G Mega 1 000 000 10 6 M Kilo 1 000 10 3 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
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 1.2 Bentuk Piawai (500 mm) 3 110 m = 500 x 10-3 m = 5 x 10-1 m. 1mm 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 tulisnya dalam bentuk yang lebih pendek dengan menggantikan nombor perpuluhan dengan nombor kuasa asas sepuluh. Bentuk piawai adalah M x 10 n, dengan 1 M 10 dan n adalah integer Jisim bumi boleh di tulis sebagai 6.0 x 10 24 kg. Jisim elektron ditulis 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. Angka bukan kosong adalah sentiasa bererti. 2. Semua kosong terakhir selepas titik perpuluhan adalah bererti. 3. Kosong di antara dua angka bererti adalah sentiasa bererti. 4. Kosong yang digunakan semata-mata untuk memberi ruang kepada titik perpuluhan adalah tidak bererti.
1.4 Kepersisan Kepersisan adalah kebolehan alat mengukur sesuatu kuantiti secara konsisten dengan sedikit atau tiada sisihan relatif antara bacaan-bacaan yang diperolehi. Contoh Siapa lebih persis mengukur sebuah buku yang mempunyai panjang sebenar 17.0 cm? Syazana 17.0 cm, 16.0 cm 18.0 cm, 15.0 cm atau Liyana? 15.5 cm, 15.0 cm, 15.2 cm, 15.3 cm Jawapan: Liyana 1.5 Kejituan Kejituan adalah betapa hampir suatu nilai pengukuran kepada nilai sebenar. Contoh Siapa lebih jitu mengukur sebuah buku yang mempunyai panjang sebenar 17.0 cm? Syazana 17.0 cm, 16.0 cm 18.0 cm, 15.0 cm atau Liyana? 15.5 cm, 15.0 cm, 15.2 cm, 15.3 cm Jawapan: Syazana Kejituan satu alat pengukur bergantung kepada betapa baik nilai yang diukurnya dibandingkan dengan nilai piawai. Rajah 1.2 Alat-alat untuk mengukur panjang
1.6 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 yang kunatiti 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) Memahami sebab pelbagai jenis ralat yang mungkin timbul. 1.6 Contoh soalan dan 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 3. Nyatakan bilangan angka bererti untuk yang berikut:- a. 1.0070 m b. 320 ml c. 0.0054 cm d. 3.29 x 10 3 s e. 100,890 L 1.7 Rujukan 1. http://www.bipm.org/en/si/ 2. http://en.wikipedia.org/wiki/si 3. http://www.bipm.org/en/si/ 4. http://en.wikipedia.org/wiki/si
TAJUK 2 GERAKAN PADA ARAH MANA? Gerakan Vektor Skalar Hasil tambah dan hasil tolak vektor Komponen (Leraian vektor) Grafik Algebra Halaju relatif 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 grafik. 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 2.1(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 2.1 Hasil tambah vektor dalam dua dimensi lukis segiempat selari A B Paduan vektor Rajah 2.2 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 2.1c). 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? 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 biru menunjukkan komponen-y bagi vektor F. 2.6 Melakukan hasil tambah vektor secara algebra Hasil tambah dua boleh dilakukan dengan menggunakan trigonometri, yang mengaitkan sudut dalam segi tiga dengan sisi-sisi segi tiga. Dua kaedah matematik yang digunakan adalah:
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: Menggunakan trigometri untuk mencari sudut arah vektor paduan, ϴ
2.7 Contoh soalan dan latihan 1. Rajah 2.4 dibawah menunjukkan 3 daya F 1, F 2 dan F 3 yang bertindak pada titik O. Kira daya paduan. F 2= 7N 120 F 3= 4N 100 O F 1= 6N Rajah 2.4 2. Sebuah kapal terbang terbang pada 200 km/j. Apakah halaju paduan kapal terbang itu? a. jika ia berhadapan 50 km/j tail wind? b. jika ia berhadapan 50 km/j head wind? 3. Seorang nelayan yang berada di atas sebuah bot mahu menyeberangi sungai dari titik A ke titik B yang bertentangan (Rajah 2.5). Bot boleh bergerak pada laju tetap 7.0 ms -1 relatif kepada air tenang. Sungai mengalir pada laju 2.5 ms -1. Tentukan a. halaju bot pada arah dari A ke B. b. sudut θ. c. masa yang diambil untuk bot bergerak dari A ke B. B 100 m θ Rajah 2.5 Bot A
2.8 Rujukan 1. http://phet.colorado.edu/sims/vector-addition/vector-addition_en.html 2. http://physics.bu.edu/~duffy/java/relv2.html 3. http://physicslearningsite.com/vectors.html (hasil tambah dan hasil tolak vektor) 4. http://id.mind.net/~zona/mstm/physics/mechanics/vectors/findingcomponents/findingco mponents.htm (komponen vektor) 5. http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/class/vectors/u3l1f.htmlhttp://physics.bu.edu/ ~duffy/java/relv2.html (halaju relatif)
TOPIK3 GERAKAN DALAM SATU DIMENSI Gerakan dalam satu dimensi Kinematik Dinamik Daya Pemerihalan gerakan Daya sentuhan Daya tindakan dari jarak tertentu Perkataan Daya geseran Daya graviti Graf Daya tegangan Rajah Daya normal Rumus Daya julangan 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
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: F geseran µ x F normal 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 3.1a). 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 3.1b). Daya normal, F R (a) Rajah 3.1 (b)
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. Saiz anak panah mewakili magnitud daya Arah anak panah mewakili arah daya Setiap daya dilabel untuk mewakili jenis daya Objek diwakili dengan titik atau kotak, dan daya-daya dilukis daripada pusat titik atau kotak itu Contoh: F norm : daya normal F ap : daya aplikasi F fric atau F geseran : daya geseran F grav : daya graviti
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 3.3 Contoh soalan dan 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 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