Praktikum Virtual Gerak Jatuh Bebas: g dari Gerbang Cahaya

Praktikum virtual gerak jatuh bebas ini sesuai dengan praktikum wajib (required practical) AQA A-level Physics tentang penentuan g dengan metode jatuh bebas. Siswa melepaskan bola baja dari elektromagnet, mengukur waktu jatuhnya sampai gerbang cahaya pada enam ketinggian, dan mengambil tiga pengukuran di setiap ketinggian. Gradien grafik 2h terhadap t̄² adalah g. Pelajaran ini mencakup rata-rata pengulangan, gradien, persentase selisih, serta kesalahan acak dan kesalahan sistematis. Setiap nilai di bawah dibaca dari simulasi.

Keterkaitan dengan kurikulum

• AQA A-level Physics (7408), praktikum wajib 3 (required practical 3): penentuan g dengan metode jatuh bebas.
• AP Physics 1, Unit 1 (Kinematika): gerak dengan percepatan tetap, dianalisis dari data percobaan dan grafik.
• IB Diploma Physics, A.1 Kinematika: persamaan gerak dengan percepatan tetap, melinearkan data untuk menemukan sebuah konstanta.

Simulic tidak berafiliasi dengan AQA, College Board, maupun International Baccalaureate dan tidak didukung oleh mereka.

Sebelum praktikum (5 menit)

Minta siswa menetapkan satu prediksi, di kertas atau sebagai pertanyaan 1 pada tautan kelas:

"Sebuah bola jatuh dari keadaan diam. Anda memindahkan gerbang cahaya sehingga bola jatuh empat kali lebih jauh. Bagaimana waktu jatuhnya berubah?"

Banyak siswa menjawab "empat kali lebih lama".

Langkah kerja dalam simulasi

1. Halaman terbuka di tab Jatuhkan dua benda. Klik tab Laboratorium dan biarkan g dengan gerbang cahaya terpilih.
2. Atur Ketinggian jatuh h ke 0,20 m dengan penggeser, atau geser gerbang cahaya pada gambar. h diukur dari bagian bawah bola sampai berkas cahaya.
3. Tekan Matikan elektromagnet: pewaktu berjalan sejak bola dilepas sampai bola memotong berkas cahaya. Tunggu bola mendarat; ambil tiga pengukuran.
4. Ulangi pada 0,40; 0,60; 0,80; 1,00; dan 1,20 m. Tabel menambahkan t̄, t̄², dan 2h.
5. Karena h = ½gt², maka 2h = g·t²: gradien 2h terhadap t̄² adalah g. Hitung gradien dari baris 0,20 m dan 1,20 m, lalu bandingkan dengan garis kecocokan di bawah grafik.
6. Persentase selisih = |g − 9,81| ÷ 9,81 × 100.

Bacaan pewaktu mengikuti urutan acak yang tetap: pada halaman yang baru dibuka, atau setelah Hapus tabel, tekanan yang sama dengan urutan yang sama memberi bacaan yang sama.

h (m)	t₁ (s)	t₂ (s)	t₃ (s)	t̄ (s)	t̄² (s²)
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20

Hasil yang diharapkan

Percobaan kami, ketinggian dengan urutan di atas pada halaman yang baru dibuka:

h (m)	0,20	0,40	0,60	0,80	1,00	1,20
t̄ (s)	0,2033	0,2853	0,3507	0,4037	0,4510	0,4953
t̄² (s²)	0,0413	0,0814	0,1230	0,1629	0,2034	0,2454

Tiga bacaan pada 0,80 m adalah 0,404 s, 0,404 s, dan 0,403 s.

• Garis kecocokan: gradien g = 9,82 m/s², titik potong −0,003 m, selisih 0,1% dari 9,81 m/s².
• Gradien dua titik: (2,40 − 0,40) ÷ (0,2454 − 0,0413) = 9,80 m/s².
• Hukum akar kuadrat: ketinggian empat kali lipat (0,20 menjadi 0,80 m) hanya menggandakan waktu (0,203 menjadi 0,404 s).

Pertanyaan untuk siswa

1. (Prediksi, ditanyakan lagi setelah praktikum) Bagaimana waktu jatuh berubah jika ketinggian jatuh empat kali lebih besar?
2. Manakah variabel bebasnya?
3. Berapa waktu jatuh rata-rata t̄ pada h = 0,80 m?
4. Hitung gradien 2h terhadap t̄² dari baris 0,20 m dan 1,20 m.
5. Jelaskan kesalahan acak dalam bacaan, bagaimana pengulangan dan grafik menguranginya, dan sebutkan satu kesalahan sistematis yang ditambahkan oleh elektromagnet sungguhan.

Jawaban untuk guru: (1) Menjadi dua kali lipat. (2) Ketinggian jatuh h. (3) Sekitar 0,404 s (terima 0,398–0,410). (4) Sekitar 9,80 m/s² (terima 9,50–10,10). (5) Bacaan pada satu ketinggian berbeda beberapa milidetik: kesalahan acak pada pengukuran waktu, dikurangi dengan merata-ratakan pengulangan dan menggambar garis kecocokan melalui enam titik. Elektromagnet sungguhan melepaskan bola sedikit setelah pewaktu mulai. Akibatnya setiap waktu terlalu lama, dan pengulangan tidak dapat menghilangkannya.

Miskonsepsi umum

• "Benda yang lebih berat jatuh lebih cepat." Di tab Jatuhkan dua benda, hapus centang Hambatan udara: benda 5 kg dan 0,2 kg jatuh berdampingan, dan tampilan memberi satu waktu jatuh, 3,03 s dari 45 m, untuk massa berapa pun.
• "Grafik yang tidak melewati titik asal pasti salah." Jika setiap h diukur sampai bagian atas bola, setiap 2h bertambah dengan jumlah yang sama. Garisnya bergeser ke atas, tetapi gradiennya, g, tidak berubah.

Pengayaan

• Kecepatan terminal dengan filter kopi: pilih Hambatan pada filter kopi, tekan Hapus tabel, lalu Jatuhkan filter dan Catat untuk n = 1, 2, 4, dan 8. Percobaan kami memberi kecepatan terminal 1,11; 1,57; 2,21; dan 3,08 m/s. Massa empat kali lipat hanya menggandakan v_t, jadi gaya hambat ∝ v². Pilih grafik (Kecepatan terminal)² terhadap m: garis yang melalui titik asal memberi c = 0,0090 kg/m.

Pertanyaan umum

Mengapa siswa saya mendapat waktu yang sedikit berbeda?

Setiap bacaan pewaktu memiliki kesalahan acak sekitar 2 ms dari urutan yang tetap, jadi urutan tekanan yang berbeda memberi nilai yang sedikit berbeda. Rentang untuk pertanyaan 3 dan 4 berlaku pada semua 20.000 percobaan model yang kami coba, dan g dari garis kecocokan selalu antara 9,59 dan 10,00 m/s².

Bisakah saya menyiapkan praktikum ini untuk siswa?

Bisa. Pada nilai awal tautan kelas, atur Layar ke Laboratorium dan Percobaan (layar Laboratorium) ke Mengukur g dengan gerbang cahaya. Halaman lalu langsung terbuka pada gerbang cahaya.

Apakah ini menggantikan praktikum wajib?

Tidak. Siswa AQA tetap harus melakukannya secara langsung. Gunakan simulasi untuk berlatih analisisnya. Lihat laboratorium virtual vs laboratorium fisik.

Simulasi dan panduan terkait

Mengukur g dengan bandul sederhana Gerak parabola – lintasan dan hambatan udara

Untuk mengukur g dari gambar gerak, lihat praktikum virtual gerak parabola. Praktikum virtual waktu reaksi memakai persamaan yang sama, d = ½gt², dengan penggaris yang jatuh.