Langkau ke kandungan
Fizik · Tingkatan 6 (STPM Physics) · Deformation of Solids

9.3 Strain energy

Unit ini menerangkan tenaga terikan (strain energy), menerbitkan U = ½FΔℓ dan mengira tenaga terikan daripada graf daya-pemanjangan atau graf tegasan-terikan.

  • STPM
  • 3 SP
  • 14 latihan
  • Percuma

SP 9.3.1Explain strain energy;

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

Untuk guru: kata tugas Explain (Menerangkan)

Calon perlu menerangkan tenaga terikan sebagai tenaga keupayaan yang tersimpan dalam bahan yang diubah bentuk.

  1. IsiMaksud
    Huraian

    Tenaga terikan ialah tenaga keupayaan yang tersimpan dalam bahan apabila diregang atau dimampatkan; ia sama dengan kerja oleh daya luar untuk mengubah bentuk bahan.

    Contoh

    Lastik yang ditarik menyimpan tenaga terikan.

  2. IsiKenyal lawan plastik
    Huraian

    Dalam kawasan kenyal tenaga boleh diperoleh semula sepenuhnya; dalam kawasan plastik sebahagian tenaga menjadi haba dan tidak dapat diperoleh semula.

    Contoh

    Dawai yang dibengkok berulang kali menjadi panas.

NotaTenaga terikan (strain energy)

Tenaga terikan ialah tenaga keupayaan yang tersimpan dalam bahan apabila ia diubah bentuk (diregang atau dimampatkan). Ia sama dengan kerja yang dilakukan oleh daya luar untuk meregangkan bahan. Dalam kawasan kenyal, tenaga ini boleh diperoleh semula sepenuhnya apabila daya dialihkan; dalam kawasan plastik sebahagiannya hilang sebagai haba.

SP 9.3.1

Tahukah andaTahukah anda

Busur panah dan lastik menyimpan tenaga terikan apabila diregang; tenaga itu bertukar menjadi tenaga kinetik anak panah atau batu apabila dilepaskan.

SP 9.3.1

SP 9.3.2Derive and use the formula U = (1/2)FΔℓ for strain energy;

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

Untuk guru: kata tugas Derive and use (Menerbitkan dan menggunakan)

Calon perlu menerbitkan U = ½FΔℓ dan menggunakannya.

  1. IsiTerbitan
    Huraian

    Dalam had kekadaran F′ = kx. dW = kx dx; W = ∫₀^Δℓ kx dx = ½k(Δℓ)² = ½FΔℓ dengan F = kΔℓ daya akhir.

    Contoh

    U ialah luas segi tiga di bawah graf F melawan Δℓ.

  2. IsiPenggunaan
    Huraian

    U = ½FΔℓ = ½k(Δℓ)² = F²/2k. Gandakan pemanjangan, U menjadi empat kali.

    Contoh

    Daya akhir 40 N, pemanjangan 0.020 m: U = 0.40 J.

Peta alirTerbitan U = ½FΔℓ (derivation)

  1. Dalam had kekadaran, daya bertambah secara linear: F' = kx, dengan x pemanjangan semasa.
  2. Kerja kecil untuk pemanjangan dx: dW = F' dx = kx dx
  3. Kerja jumlah dari 0 hingga Δℓ: W = ∫ kx dx = ½k(Δℓ)²
  4. Gantikan F = kΔℓ (daya akhir): W = ½FΔℓ
  5. Kerja ini tersimpan sebagai tenaga terikan: U = ½FΔℓ
  6. Secara grafik, U ialah luas segi tiga di bawah graf F melawan Δℓ.
SP 9.3.2

SP 9.3.3Calculate strain energy from force against extension graph or stress against strain graph.

Huraian SPApa yang perlu dikuasai

Untuk guru: kata tugas Calculate (Mengira)

Calon perlu mengira tenaga terikan daripada graf daya melawan pemanjangan atau graf tegasan melawan terikan.

  1. IsiGraf F melawan Δℓ
    Huraian

    Tenaga terikan = luas di bawah graf (J). Bahagian melengkung dianggar dengan mengira petak atau trapezium.

    Contoh

    Graf lurus ke (2.0 mm, 60 N): U = ½ × 60 × 2.0 × 10⁻³ = 0.060 J.

  2. IsiGraf σ melawan ε
    Huraian

    Luas = tenaga terikan per unit isi padu (J m⁻³) = ½σε bagi bahagian linear. Darab dengan isi padu dawai.

    Contoh

    σ = 2.0 × 10⁸ Pa, ε = 1.0 × 10⁻³, V = 2.0 × 10⁻⁶ m³: U = 0.20 J.

JadualTenaga terikan daripada graf

GrafLuas di bawah graf mewakiliRumus (bahagian linear)
F melawan ΔℓTenaga terikan U (J)U = ½FΔℓ
σ melawan εTenaga terikan per unit isi padu (J m⁻³)U/V = ½σε
Bahagian tidak linearTetap luas di bawah grafAnggar dengan mengira petak atau trapezium
SP 9.3.3

Peta alirContoh: daripada graf tegasan-terikan

  1. Dawai isi padu 2.0 × 10⁻⁶ m² × 1.0 m = 2.0 × 10⁻⁶ m³ diregang hingga σ = 2.0 × 10⁸ Pa dan ε = 1.0 × 10⁻³ (linear).
  2. Tenaga per unit isi padu = ½σε = ½ × 2.0 × 10⁸ Pa × 1.0 × 10⁻³ = 1.0 × 10⁵ J m⁻³
  3. U = (1.0 × 10⁵ J m⁻³) × (2.0 × 10⁻⁶ m³) = 0.20 J
SP 9.3.3

Ingat: mnemonik & kad imbas

Mnemonik

KLG
Kerja = Luas di bawah Graf daya-pemanjangan = tenaga terikan.

Kad imbas

Tenaga terikan
Tenaga keupayaan tersimpan dalam bahan yang diubah bentuk
Rumus tenaga terikan (linear)
U = ½FΔℓ = ½k(Δℓ)²
Luas di bawah graf F melawan Δℓ
Tenaga terikan
Luas di bawah graf σ melawan ε
Tenaga terikan per unit isi padu, ½σε
Mengapa ada faktor ½?
Daya bertambah linear dari 0 hingga F; daya purata = F/2

Semak kefahaman

  1. Terangkan maksud tenaga terikan (strain energy). (SP 9.3.1)

    Lihat jawapan

    Tenaga terikan ialah tenaga keupayaan yang tersimpan dalam bahan apabila diregang atau dimampatkan, sama dengan kerja yang dilakukan untuk mengubah bentuk bahan itu.

  2. Terbitkan U = ½FΔℓ dengan menyatakan kamiran yang digunakan. (SP 9.3.2)

    Lihat jawapan

    Dalam had kekadaran F′ = kx; U = ∫ kx dx dari 0 hingga Δℓ = ½k(Δℓ)² = ½FΔℓ kerana F = kΔℓ.

  3. Graf daya melawan pemanjangan ialah garis lurus dari asalan ke titik (4.0 mm, 80 N). Hitung tenaga terikan. (SP 9.3.3)

    Lihat jawapan

    U = luas segi tiga = ½ × 80 × 4.0 × 10⁻³ = 0.16 J.

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

Untuk guru: cadangan aktiviti ikut aras kognitif (4)
  1. Mengingat

    Aktiviti: Murid menulis takrif tenaga terikan dan unit joule serta menyatakan bahawa tenaga disimpan dalam bahan kenyal dalam 8 minit.

    Bukti hasil kerja: Takrif ringkas; semak ketepatan dan kelengkapan oleh guru.

    SP disasar: 9.3.1 · Latihan sepadan: aras Mengingat
  2. Memahami

    Aktiviti: Dalam pasangan, murid menerbitkan U = ½FΔℓ daripada kerja oleh daya berubah dengan luas segi tiga bawah graf F-Δℓ.

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

    SP disasar: 9.3.2 · Latihan sepadan: aras Memahami
  3. Mengaplikasi

    Aktiviti: Murid mengira tenaga terikan wayar daripada graf F-Δℓ dan daripada tegasan-terikan dengan isi padu wayar.

    Bukti hasil kerja: Lembaran pengiraan berunit; semak ketepatan dan kelengkapan oleh guru.

    SP disasar: 9.3.2, 9.3.3 · Latihan sepadan: aras Mengaplikasi
  4. Menganalisis

    Aktiviti: Dalam kumpulan, murid menganalisis graf bukan linear dan menganggar tenaga terikan dengan kaedah kiraan petak, kemudian membandingkan dengan ½FΔℓ.

    Bukti hasil kerja: Jadual anggaran dan perbandingan; semak ketepatan dan kelengkapan oleh guru.

    SP disasar: 9.3.3 · Latihan sepadan: aras Menganalisis

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 Deformation of Solids

  1. 9.1 Stress and strain
  2. 9.2 Force against extension graph and stress against strain graph
  3. 9.3 Strain energy