13.9.18

MATERI PELAJARAN SEKOLAH : BESARAN DAN PENGUKURAN

A.      BESARAN DAN SATUAN
Fisika adalah ilmu yang mempelajari kejadian-kejadian alam serta interaksi antara benda-benda, atau materi-materi di alam ini sehinggga sangat erat kaitannya dengan besaran, angka-angka, dan pengukuran.
Besaran adalah sesuatu yang memiliki nilai. Besaran dapat dinyatakan dengan angka-angka yang diperoleh melalui percobaan, pengamatan, dan pengkuran. Besaran adalah sesuatu yang dapat diukur dan hasilnya dapat dinyatakan dengan angka-angka. Besaran ada dua macam yaitu besaran pokok dan besaran turunan.
a.         Besaran Pokok
Pada konferensi umum mengenai berat dan ukuran ke 14 tahun 1971, berdasarkan hasil pertemuan panitia internasional menentapkan tujuh besaran  sebagai dasar dan menjadi sistem satuan Internasional yang disingkat SI. Kata -kata SI berasal dari bahasa perancis “Le Sisteme International d’unites. Ketujuh besaran dasar tadi kemudian kita kenal dengan besaran pokok. Besaran pokok adalah besaran dasar yang terbentuk sesuai sistem pengukuran dasar. Tujuh besaran pokok beserta simbol dan satuannya dapat dilihat pada tabel berikut ini :
No
Besaran Pokok
Satuan SI
Nama Besaran
Simbol Besaran
Nama Satuan
Simbol Satuan
1
2
3
4
5
6
7
Panjang
Massa
Waktu
Kuat Arus Listrik
Suhu
Intensitas Cahaya
Jumlah Zat
L
m
t
i
T
J
N
Meter
Kilogram
Sekon
Ampere
Kelvin
Candela
mole
m
kg
s
A
K
cd
mol

Selain tujuh besaran pokok seperti dalam tabel, ada dua besaran tambahan yaitu :
1.        sudut bidang (datar) memiliki satuan radian (rad)
2.        sudut ruang memiliki satuan steradian (sr)

b.         Sistem Standar Satuan
Satuan standar adalah satuan dari besaran-besaran yang disepakati memiliki ukuran sama dengan sat atau satu satuan.
Besaran pokok dibagi menjadi 7 macam, yaitu panjang, massa, waktu, kuat arus listrik, intensitas cahaya, suhu, dan jumlah zat
Ø  Standar Satuan Panjang
Satuan panjang adalah meter, yaitu jarak antara dua goresan pada meter standar sehinggga jarak dari kutub utara ke khatulistiwa melalui Paris adalah 10.000.000 meter. Meter standar adalah sebuah batang yang terbuat dari campuran platina Iridium. Sudah sejak lama diketahui bahwa laju cahaa dalam vakum adalah tetapan dengan nilai 299.792.458 m/s, dengan ketelitian sama dengan ketelitian c, yaitu 4:109 (lebih teliti dari pada menggunakan loncatan listrik oleh atom-atom Kr-86, dengan ketelitian 1:108). Karena alasan inilah ahli metrologi sepakat untuk membuang defenisi yang berhubungan dengan pancaran atom kripton, dan menggantikannya dengan meter yang berhubungan dengan tetapan dan sekon. Definisi baru satuan meter menjadi : “ satu meter adalah jarak yang ditempuh cahaya (dalam vakum) dalam selang waktu   sekon’’.
Alat ukur yang digunakan untuk mengukur panjang benda haruslah
sesuai dengan ukuran benda. Sebagai contoh, untuk mengukur lebar buku kita gunakan pengaris, sedangkan untuk mengukur lebar jalan raya lebih mudah menggunakan meteran kelos.
Mengukur panjang suatu benda dapat dengan menggunakan berbgai jenis alat antara lain mistar, jangka sorong, dan mikrometer sekrup.
a.         Pengukuran Panjang dengan Mistar
        
Penggaris atau mistar berbagai macam jenisnya, seperti penggaris yang berbentuk lurus, berbentuk segitiga yang terbuat dari plastik atau logam, mistar tukang kayu, dan penggaris berbentuk pita (meteran pita). Mistar mempunyai batas ukur sampai 1 meter, sedangkan meteran pita dapat mengukur panjang sampai 3 meter. Mistar memiliki ketelitian 1 mm atau 0,1 cm. Posisi mata harus melihat tegak lurus terhadap skala ketika membaca skala mistar. Hal ini untuk menghindari kesalahan pembacaan hasil pengukuran akibat beda sudut kemiringan dalam melihat atau disebut dengan kesalahan paralaks
b.        Pengukuran Panjang dengan Jangka Sorong
       
Jangka sorong merupakan alat ukur panjang yang mempunyai batas ukur sampai 10 cm dengan ketelitiannya 0,1 mm atau 0,01 cm. Jangka sorong juga dapat digunakan untuk mengukur diameter cincin dan diameter bagian dalam sebuah pipa. Bagian-bagian penting jangka sorong yaitu
1.         rahang tetap dengan skala tetap terkecil 0,1 cm
2.         rahang geser yang dilengkapi skala nonius. Skala tetap dan nonius mempunyai selisih 1 mm.
c.         Pengukuran Panjang dengan Mikrometer Sekrup
Mikrometer sekrup memiliki ketelitian 0,01 mm atau 0,001 cm. Mikrometer sekrup dapat digunakan untuk mengukur benda yang mempunyai ukuran kecil dan tipis, seperti mengukur  ketebalan plat, diameter kawat, dan onderdil kendaraan yang berukuran kecil.
Bagian-bagian dari mikrometer adalah rahang putar, skala utama, skala putar, dan silinder bergerigi. Skala terkecil dari skala utama bernilai 0,1 mm, sedangkan skala terkecil untuk skala putar sebesar 0,01 mm. Berikut ini gambar bagian-bagian dari mikrometer.


Ø  Standar satuan Massa
Satuan massa adalah Kilogram, yaitu massa sebuah kilogram standar yang disimpan di lembaga timbangan dan ukuran Internasional. Dengan teknik pemgukuran modern, prototype ini dapat diproduksi ulang dengan ketelitian 1:108. Ketelitian yang dicapai dengan cara menimbang ini masih lebih baik daripada ketelitian dengan cara penentuan massa menggunakan spektrografi massa. Massa standar sama dengan massa 1 liter air murni yang suhunya 40C.
Contoh pengukuran satuan massa adalah dengan timbangan, timbangan digunakan untuk mengukur massa benda. Prinsip kerjanya adalah keseimbangan kedua lengan, yaitu keseimbangan antara massa benda yang diukur dengan anak timbangan yang digunakan. Dalam dunia pendidikan sering digunakan neraca O’Hauss tiga lengan atau dua lengan. Perhatikan beberapa alat ukur berat berikut ini.
Bagian-bagian dari neraca O’Hauss tiga lengan adalah sebagai berikut:
           Lengan depan memiliki skala 0—10 g, dengan tiap skala bernilai 1 g.
           Lengan tengah berskala mulai 0—500 g, tiap skala sebesar 100 g.
           Lengan belakang dengan skala bernilai 10 sampai 100 g, tiap skala 10 g.
Ø  Standar Satuan Waktu
Satuan waktu adalah sekon. 1 sekon (s) adalah selang waktu yang diperlukan oleh atom cesium-133 untuk melakukan getaran sebanyak 9.192.631.770 kali dalam transisi antara dua tingkat energi di tingkat energi dasarnya. Sekon yang di atomkan ini dapat ditentukan dan diproduksi ulang dengan ketelitian 1:1012.
Berbagai jenis alat ukur waktu misalnya: jam analog, jam digital, jam dinding, jam atom, jam matahari, dan stopwatch. Dari alat-alat tersebut, stopwatch termasuk alat ukur yang memiliki ketelitian cukup baik, yaitu sampai 0,1 s.

Ø  Standar satuan Kuat arus Listrik
Kuat arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang mengalir pada suatu penghantar tiap satuan waktu. Simbol kuat arus listrik adalah I, sedangkan satuan kuat arus listrik adalah C/s (coulomb per sekon), atau ampere (A).. Satu ampere (A) adalah kuat arus tetap yang jika dialirkan melaui dua buah kawat yang sejajar dan sangat panjang, dengan tebal yang dapat diabaikan dan diletakan pada jarak pisah 1 meter dalam vakum, menghasilkan gaya 2.10-7Newton pada setiap meter kawat. Ketelitian yang diperoleh dari percobaan adalah 1:106. Kuat arus listrik dapat diukur menggunakan alat yang disebut Amperemeter. Bagian-bagian dari amperemeter adalah sebagai berikut:  

Sedangkan hasil ukur dari pembacaan skala di atas, dapat dihitung dengan rumus
dengan
SU = Skala Ukur
BU = Batas Ukur
SM = Skala Maksimum
Jika melihat gambar di atas, maka kita peroleh, SU = 10, BU = 5 A, dan SM = 40. Maka hasil ukur pada pengukuran pada gambar di atas adalah:
Hasil Ukur = (10 x 5 A) / 40
                   = 1,25 A
Ø  Standar Intensitas cahaya
Satuan intensitas cahaya adalah candela (cd). Kandela adalah intensitas cahaya suatu sumber cahaya yang memancarkan radiasi monokromatif pda frekuensi 540.1012 Hertz dengan intensitas radiasi sebesar  watt per sterradian dalam arah tersebut.
lux : satuan intensitas penerangan per meter persegi yang dijatuhi arus cahaya 1 lumen
Luxmeter : alat yang digunakan untuk mengukur intensitas penerangan dalam satuan luxpenerangan setempat: penerangan di tempat obyek kerja, baik berupa meja kerja maupun peralatanpenerangan umum: penerangan di seluruh area tempat kerja
Pengukuran intensitas penerangan ini memakai alat luxmeter yang hasilnya dapat langsung dibaca.Alat ini mengubah energi cahaya menjadi energi listrik, kemudian energi listrik dalam bentuk arus digunakan untuk menggerakkan jarum skala.Untuk alat digital, energi listrik diubah menjadi angka yang dapat dibaca pada layar monitor.

Ø  Standar satuan suhu
Suhu merupakan salah satu besaran pokok. Satuan suhu dalam Sistem Internasional (SI) adalah Kelvin (K), satuan suhu lainnya yang sering digunakan adalah celcius (0°C), reamur (0°R) dan fahrenheit (0°F). Dalam kehidupan sehari-hari di negara kita menggunakan satuan 0°C (derajat celcius), sedangkan beberapa negara Eropa, seperti Negara Inggris menggunakan satuan 0°F (derajat fahrenheit). Untuk mengubah satuan suhu dan Celcius menjadi Kelvin dan sebaliknya, dapat menggunakan rumus konversi satuan berikut.
T K = (T°C + 273) K
T°C = (T K – 273)°C
Termometer bekerja menggunakan bahan yang bersifat termometrik. Artinya, sifat-sifat benda tersebut dapat berubah jika ada perubahan suhu. Berdasarkan sifat ini, terdapat beberapa jenis termometer, yaitu:
·           Termometer zat cair yang bekerja berdasarkan pemuaian zat cair yang dipanaskan.
·         Termometer bimetal yang bekerja berdasarkan pemuaian logam yang dipanaskan.
·     Termometer hambatan yang bekerja karena bertambahnya hambatan listrik jika kawat logamnya dipanaskan. Kemudian, akan terjadi pulsa-pulsa listrik yang menunjukkan suhu yang diukur.
·  Termokopel yang prinsipnya terjadi pemuaian dua logam karena ujungnya disentuhkan. Akibatnya timbullah gaya gerak listrik (GGL) dan inilah yang akan menunjukkan suhu suatu benda
·           Pyrometer, merupakan alat ukur untuk suhu yang tinggi (5000 C – 3.0000 C). Alat ini bekerja berdasarkan intensitas radiasi yang dipancarkan oleh benda panas.


Temperatur zat yang diukur sama besarnya dengan skala yang ditunjukkan oleh termometer saat terjadi kesetimbangan termal antara zat dengan termometer. Jadi, temperatur yang ditunjukkan oleh termometer sama dengan temperatur zat yang diukur. Zat cair yang umum digunakan dalam termometer adalah air raksa.
Hal ini dikarenakan air raksa memiliki keunggulan dibandingkan zat cair lainnya. Keunggulan air raksa dari zat cair lainnya, yaitu
·           Dapat menyerap panas suatu benda yang akan diukur sehingga temperatur air raksa sama dengan temperatur benda yang diukur.
·           Dapat digunakan untuk mengukur temperatur yang rendah hingga temperatur yang lebih tinggi karena air raksa memiliki titik beku pada temperatur –39°C dan titik didihnya pada temperatur 357°C.
·           Tidak membasahi dinding tabung sehingga pengukurannya menjadi lebih teliti,
·           Pemuaian air raksa teratur atau linear terhadap kenaikan temperatur, kecuali pada temperatur yang sangat tinggi.
·           Mudah dilihat karena air raksa dapat memantulkan cahaya.
Selain air raksa, dapat juga digunakan alkohol untuk mengisi tabung termometer. Akan tetapi, alkohol tidak dapat mengukur temperatur yang tinggi karena titik didihnya 78°C, namun alkohol dapat mengukur temperatur yang lebih rendah karena titik bekunya pada temperatur –144°C. Jadi, termometer yang berisi alkohol baik untuk mengukur temperatur yang rendah, tetapi tidak dapat mengukur temperatur yang lebih tinggi.
Penentuan Skala Suhu (Temperatur)
Saat melakukan pengukuran suhu dengan suatu termometer, kita memerlukan suatu acuan. Acuan ini ada didasarkan pada skala termometer. Skala ini mempunyai dua acuan, yakni titik didih dan titik beku air. Titik didih air dijadikan sebagai titik acuan atas, sedangkan titik beku air dijadikan titik acuan bawah. Kemudian, di antara keduanya dibagi dalam beberapa skala kecil.
Beberapa ilmuwan telah menentukan titik acuan dalam termometer. Skala yang mereka tentukan menjadi dasar penentuan skala suhu. Ilmuwan yang dimaksud antara lain:
■ Anders Celcius (1701 – 1744). Ia membuat termometer dengan titik beku air pada skala 0 dan titik didih air pada skala 100. Termometer buatannya dikenal sebagai termometer Celcius dengan satuan suhu dalam derajat Celcius (oC). Jadi, termometer celcius mempunyai titik bawah 0oC dan titik atasnya 100oC.
■ Gabriel Daniel Fahrenheit (1686 – 1736). Ia menetapkan titik beku air pada skala 32o sebagai titik acuan bawah dan titik didih air pada skala 212oC sebagai titik acuan atas. Termometer hasil rancangannya disebut termometer Fahrenheit dengan satuan suhu derajat Fahrenheit (oF).
■ Antoine Ferchault de Reamur (1683 – 1757). Termometer rancangannya disebut sebagai termometer Reamur dengan titik acuan bawah 0oR dan titik acuan atas 80oR.
■ Lord Kelvin (1824 – 1904). Ia merancang termometer yang dikenal sebagai termometer Kelvin. Termometer ini mempunyai titik acuan bawah 273 dan titik acuan atas 373. Skala satuan suhu termometer ini dinyatakan dalam Kelvin (K) tanpa derajat.
Berdasarkan penetapan dari ilmuwan-ilmuwan tersebut, kita dapat mengenal 4 macam skala (derajat) dalam suhu, yaitu Celcius (oC), Fahrenheit (oF), Ramur (oR), dan Kelvin (K). Perhatikan penetapan skala beberapa termometer pada gambar di bawah ini.

Interval dari skala tersebut berbeda-beda. Interval skala Celcius dan Kelvin adalah 100, interval skala Reamur adalah 80, sedangkan interval skala Fahrenheit adalah 180. Berdasarkan skala ini, kita akan mendapatkan perbandingan skala suhu C, R, F, dan K sebagai berikut.
C : R : F : K = 100 : 80 : 180 : 100 = 5 : 4 : 9 : 1

Berdasarkan perbandingan tersebut, kita dapat melakukan penyetaraan (konversi) di antara keempat skala tersebut. Langkah penyetaraan ini, dapat kalian pelajari dari bagan pada gambar di bawah ini.

Satuan skala Kelvin juga disepakati sebagai standar satuan suhu. Suhu yang dinyatakan dengan skala Kelvin disebut sebagai suhu mutlak, yang dilambangkan dengan T. Suhu mutlak merupakan satuan suhu yang sering digunakan dalam perhitungan fisika maupun kimia.
Ø     Standar satuan jumlah zat
Satuan jumlah zat adalah mole. Satu mole (mol) adalah jumlah zat yang mengandung unsur elementer zat tersebut dalam jumlah sebanyak jumlah atom karbon dalam 0.012 kg karbon-12 (C-12). Jumlah zat tidak diukur secara langsung, tetapi dengan cara mengukur terlebih dahulu massa zat
Mol adalah satuan pengukuran dalam Sistem Satuan Internasional (SI) untuk jumlah zat. Satuan ini didefinisikan sebagai jumlah zat kimia yang mengandung jumlah partikel representatif, misalnya atommolekulionelektron, atau foton, yang setara dengan jumlah atom dalam 12 gramkarbon-12 (12C), isotop karbon dengan berat atom standar definitif 12. Jumlah ini dinyatakan sebagai bilangan Avogadro, dengan nilai pendekatan 6.022140857×1023 mol−1. Mol adalah salah satu satuan dasar SI, dan dilambangkan dengan mol.
Mol banyak digunakan dalam kimia sebagai cara mudah untuk menyatakan jumlah reaktan dan produk pada reaksi kimia. Misalnya, persamaan reaksi 2 H2 + O2 → 2 H2O berarti bahwa 2 mol dihidrogen (H2) dan 1 mol dioksigen (O2) bereaksi membentuk 2 mol air (H2O). Mol juga digunakan untuk menyatakan jumlah atom, ion, atau entitas elementer lainnya dalam sampel zat tertentu. Konsentrasi larutan umumnya dinyatakan sebagai molaritas, yang didefinisikan sebagai jumlah mol zat terlarut per liter larutan.
Jumlah molekul per mol dikenal sebagai bilangan Avogadro, dan didefinisikan sebagai massa satu mol zat, dinyatakan dalam gram, adalah sama dengan rata-rata massa molekul relatif zat. Misalnya, rata-rata massa molekul relatif air alami sekitar 18.015; maka satu mol air memiliki masa sekitar 18.015 gram.
Istilah gram-molekul pernah digunakan untuk konsep yang sama.[1] Istilah gram-atom telah digunakan untuk konsep terkait namun berbeda, sebut saja kuantifikasi suatu zat yang mengandung atom sebanyak bilangan Avogadro, baik berupa molekul terisolasi maupun terpisah. Oleh karena itu, sebagai contoh, 1 mol MgBr2 adalah 1 gram-molekul MgBr2 tetapi 3 gram-atom MgBr2.[2][3]
Untuk menghormati satuan ini, beberapa kimiawan merayakan 23 Oktober, yang merujuk pada skala 1023 pada bilangan Avogadro, sebagai "Hari Mol". Beberapa juga melakukan hal yang sama pada 6 Februari dan 2 Juni, merujuk pada 6.02 dari tetapan Avogadro.
      c.         Besaran Turunan
Besaran turunan adalah besaran yang diturunkan dari satu atau lebih besaran pokok. Satuan dari besaran turunan tergantung pada satuan besaran pokok. Berikut ini adalah beberapa contoh besaran turunan :
No
Besaran turunan
Satuan SI
Nama Besaran
Simbol Besaran
Nama Satuan
Simbol Satuan
1
2
3
4
5
6
7
Kecepatan
Percepatan
Massa jenis
Energi
Tekanan
daya
Luas
V
a
ρ
E
p
P
A
Meter/sekon
Meter/sekon2
Kilogram/meter3
Joule
Pascal
Watt
Meter2
m/s
m/s2
kg/m3
J
Pa
W
m2

d.        Konversi satuan
Sistem satuan Internasional sering disebut sistem metrik. Oleh karena itu satuan internasional dapat diubah-ubah dari satuan satu ke satuan yang lain, hal  ini dikenal dengan istilah Konversi Satuan. Konversi satuan mutlak diperlukan dalam penulisan – penulisann hasil pengukuran yang sangat besar atau sangat kecil. Satu contoh sederhana, apabila kita akan menyatakan atau menuliskan 0,000001 m maka akan lebih mudah jika menuliskannya menjadi 1 mm karena dengan mengkonversikan  1 m = 106mm.   Selain konversi satuan  penulisan bilangan awalan bisa dilakuakan notasi ilmiah. Notasi ilmiah adalah cara penulisan bilangan yang sangat besar atau kecil dengan menggunakan faaktor pengali atau awalan. Hal ini pernah disampaikan pada konferensi umum tentang berat dan ukuran ke 14  tahun 1971. berikut ini adalah faaktor pengali atau awalan pada penulisan ilmiah  :
Tabel Faktor pengali atau awalan dalam SI
Faktor
Awalan
Simbol
Faktor
Awalan
Simbol
101
102
103
106
109
1012
1015
1018
Deka
Hekto
Kilo
Mega
Giga
Tera
Peta
Eksa
da
h
K
M
G
T
P
E
10-1
10-2
10-3
10-6
10-9
10-12
10-15
10-18
Desi
Senti
Milli
Mikro
Nano
Piko
Femto
Atto
D
c
m
m
n
p
f
a
Contoh:
1 ton   = 1000 kg
1 kg     = 1000 gram
1 km    = 1000 m
1 jam   = 3600 sekon
1 inci    =2,54 cm
1 mil     =1.609 m
e.         Dimensi
Dimensi dapat didefenisikan sebagai suatu besaran yang menunjukan cara besaran itu tersusun dari besaran-besaran pokok. Dimensi besaran pokok dinyatakan dalam huruf (ditulis huruf besar) dan diberi kurung persegi.
Contoh tabel dimensi besaran pokok
No
Besaran Pokok
Dimensi
Nama Besaran
Simbol Besaran
Nama Satuan
Dimensi
1
2
3
4
5
6
7
Panjang
Massa
Waktu
Kuat Arus Listrik
Suhu
Intensitas Cahaya
Jumlah Zat
l
m
t
i
T
J
N
Meter
Kilogram
Sekon
Ampere
Kelvin
Candela
mole
[ L ]
[ M ]
[ T ]
[ I ]
[ Θ ]
[ J ]
[ N ]

Dimensi suatu besaran turunan ditentukan oleh rumus besaran turunan tersebut jika dinyatakan dalam besaran pokok. Berikut ini merupakan contoh dimensi besaran turunan:
Contoh tabel dimensi besaran pokok
No
Besaran turunan
Dimensi
Nama Besaran
Simbol Besaran
Nama Satuan
Dimensi
1
2
3
4
5
6
7
Kecepatan
Percepatan
Massa jenis
Energi
Tekanan
daya
Luas
v
a
ρ
E
p
P
A
Meter/sekon
Meter/sekon2
Kilogram/meter3
Joule
Pascal
Watt
Meter2
[ L ] [ T ]-1
[ L ] [ T ]-2
[ M ] [ L ]-3
[ M ] [ L ]2 [ T ]-2
[ M ] [ L ]1 [ T ]-2
[ M ] [ L ]2 [ T ]-3
[ L ]2

Berikut ini manfaat menggunakan dimensi.
a.         Dapat digunakan untuk membuktikan dua besaran fisis setara atau tidak. Dua besaran fisis hanya setara jika keduanya memiliki dimensi yang sama dan keduanya termasuk besaran skalar atau keduanya termasuk besaran vektor.
b.        Dapat digunakan untuk menentukan persamaan yang pasti salah atau mungkin benar
c.         Dapat digunakan untuk menurunkan persamaan suatu besaran fisis jika kesebandingan besaran fisi tersebut dengan besaran-besaran fisis lainnya diketahui.
Contoh soal:
Buktikan bahwa usaha dan energi adalah dua besaran skalar yang sama!
Jawab:
Usaha (W)      = F s
                        = kg m/s2 m
                        = [M] [L]2 [T]-2
Energi             =  m v2
                        = kg  m2/s2
                        = [M] [L]2 [T]-2
Nilai  adalah konstanta, sehingga tidak memiliki dimensi.


Artikel Lainnya