Langkau ke kandungan
Fizik · Tingkatan 6 (STPM Physics) · Oscillations

20.3 Systems in simple harmonic motion

Unit ini menerbitkan dan menggunakan rumus tempoh ayunan sistem spring-jisim (spring-mass) T = 2π√(m/k) dan bandul ringkas (simple pendulum) T = 2π√(l/g).

  • STPM
  • 1 SP
  • 12 latihan
  • Percuma

SP 20.3.1Derive and use the expressions, T = 2π sqrt(m/k) and T = 2π sqrt(l/g), for the period of oscillations for spring-mass and simple pendulum systems respectively.

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

Untuk guru: kata tugas Derive (Menerbitkan) and use

Calon perlu menerbitkan T = 2π√(m/k) bagi sistem spring-jisim dan T = 2π√(l/g) bagi bandul ringkas (sudut kecil), dan menggunakannya.

  1. IsiSpring-jisim
    Huraian

    Hukum Hooke F = −kx dan F = ma memberi a = −(k/m)x, maka ω = √(k/m) dan T = 2π√(m/k).

    Contoh

    m = 0.40 kg, k = 10 N m⁻¹: T = 2π√0.040 = 1.26 s.

  2. IsiBandul ringkas
    Huraian

    Komponen berat −mg sin θ ≈ −(mg/l)x bagi θ kecil, maka ω = √(g/l) dan T = 2π√(l/g); T tidak bergantung pada jisim ladung.

    Contoh

    l = 1.00 m, g = 9.81 m s⁻²: T = 2.01 s.

  3. IsiPenggunaan nisbah
    Huraian

    T ∝ √m bagi spring dan T ∝ √l bagi bandul.

    Contoh

    Jisim spring × 4 menjadikan T × 2; bandul dibawa ke Bulan (g kecil) menjadikan T bertambah.

Peta alirTerbitan tempoh sistem spring-jisim

  1. Hukum Hooke: daya pemulih F = −kx.
  2. Hukum Newton kedua: ma = −kx, maka a = −(k/m)x.
  3. Bandingkan dengan a = −ω²x: ω² = k/m, ω = √(k/m).
  4. T = 2π/ω = 2π√(m/k).
SP 20.3.1

Peta alirTerbitan tempoh bandul ringkas

  1. Komponen berat sepanjang lengkok: F = −mg sin θ.
  2. Untuk sudut kecil (θ < 10°), sin θ ≈ θ = x/l, maka F = −(mg/l)x.
  3. a = −(g/l)x, maka ω² = g/l.
  4. T = 2π/ω = 2π√(l/g).
SP 20.3.1

Peta alirContoh pengiraan tempoh (g = 9.81 m s⁻²)

  1. Spring: m = 0.40 kg, k = 10 N m⁻¹. T = 2π√(0.40/10) s = 2π × 0.20 s = 1.26 s.
  2. Bandul: l = 1.00 m. T = 2π√(1.00/9.81) s = 2π × 0.319 s = 2.01 s.
  3. Semak: T bandul tidak bergantung pada jisim ladung; T spring tidak bergantung pada g.
SP 20.3.1

JadualRingkasan rumus tempoh

SistemDaya pemulihωT
Spring-jisimF = −kx√(k/m)2π√(m/k)
Bandul ringkas (θ kecil)F = −(mg/l)x√(g/l)2π√(l/g)
SP 20.3.1

Peta buih bergandaSpring-jisim berbanding bandul ringkas

Sistem spring-jisimDaya pemulih daripada spring F = −kxT = 2π√(m/k)T bergantung pada jisim
PersamaanGerakan harmonik ringkas a = −ω²xTempoh tidak bergantung pada amplitud (bagi bandul: sudut kecil)T = 2π/ω
Bandul ringkasDaya pemulih daripada komponen berat −mg sin θT = 2π√(l/g)T tidak bergantung pada jisim ladung
SP 20.3.1

Ingat: mnemonik & kad imbas

Mnemonik

MKLG
M atas K (spring: √(m/k)), L atas G (bandul: √(l/g)); kedua-duanya didarab 2π.

Kad imbas

Tempoh sistem spring-jisim
T = 2π√(m/k)
Tempoh bandul ringkas
T = 2π√(l/g)
Andaian terbitan bandul ringkas
Sudut kecil: sin θ ≈ θ (radian)
ω bagi spring-jisim
ω = √(k/m)
Kesan jisim ladung pada T bandul
Tiada kesan

Semak kefahaman

  1. Hitung tempoh ayunan jisim 0.10 kg pada spring dengan k = 40 N m⁻¹. (SP 20.3.1)

    Lihat jawapan

    T = 2π√(m/k) = 2π√(0.10/40) = 2π × 0.050 = 0.31 s.

12 soalan latihan pelbagai aras, kad imbas dan Kad Tahniah ada dalam mod interaktif.

Untuk guru: cadangan aktiviti ikut aras kognitif (5)
  1. Mengingat

    Aktiviti: Murid menulis rumus T = 2π√(m/k) dan T = 2π√(l/g) serta menyatakan pemboleh ubah yang mempengaruhi T dalam 8 minit.

    Bukti hasil kerja: Kad semakan; semak pemboleh ubah; semak ketepatan dan kelengkapan oleh guru.

    SP disasar: 20.3.1 · Latihan sepadan: aras Mengingat
  2. Memahami

    Aktiviti: Dalam pasangan, murid menerbitkan T = 2π√(l/g) bagi bandul ringkas untuk sudut kecil daripada hukum Newton.

    Bukti hasil kerja: Terbitan bertulis; semak ketepatan dan kelengkapan oleh guru.

    SP disasar: 20.3.1 · Latihan sepadan: aras Memahami
  3. Mengaplikasi

    Aktiviti: Murid menjalankan eksperimen bandul ringkas dengan panjang berbeza, memplot T² melawan l dan menentukan g daripada kecerunan.

    Bukti hasil kerja: Jadual data, graf dan nilai g.

    SP disasar: 20.3.1 · Latihan sepadan: aras Mengaplikasi
  4. Menganalisis

    Aktiviti: Dalam kumpulan, murid menganalisis eksperimen spring-jisim, memplot T² melawan m dan menentukan pemalar spring k.

    Bukti hasil kerja: Graf, kecerunan dan nilai k; semak ketepatan dan kelengkapan oleh guru.

    SP disasar: 20.3.1 · Latihan sepadan: aras Menganalisis
  5. Menilai

    Aktiviti: Murid menilai sumber ralat eksperimen bandul (sudut besar, rintangan udara, penentuan masa) dan menjustifikasi penambahbaikan.

    Bukti hasil kerja: Ulasan ralat dan cadangan; semak ketepatan dan kelengkapan oleh guru.

    SP disasar: 20.3.1 · Latihan sepadan: aras Menilai

Cadangan ini mengikut aras kognitif hasil pembelajaran (bukan TP DSKP kerana STPM tiada TP). Buka unit dan latihan

Siapkan unit ini dalam mod interaktif untuk mendapat bintang, anggaran TP dan Kad Tahniah. Siapkan semua 109 unit Fizik STPM untuk Sijil Penghargaan SistemGuru.My.

Unit lain dalam Oscillations

  1. 20.1 Simple harmonic motion
  2. 20.2 Energy in simple harmonic motion
  3. 20.3 Systems in simple harmonic motion
  4. 20.4 Damped oscillations
  5. 20.5 Forced oscillations and resonance