Fisika, sebagai ilmu yang mempelajari fenomena alam, seringkali dianggap menakutkan oleh sebagian siswa SMK. Namun, dengan pemahaman konsep yang kuat dan latihan soal yang memadai, fisika dapat menjadi subjek yang menarik dan bermanfaat, terutama bagi siswa SMK yang kelak akan berhadapan langsung dengan aplikasi teknis di dunia kerja. Kurikulum 2013 di kelas X SMK semester 2 berfokus pada beberapa topik fundamental yang menjadi dasar bagi pemahaman fisika yang lebih mendalam. Artikel ini akan menyajikan contoh soal fisika beserta pembahasannya secara rinci, mencakup materi-materi penting yang umumnya diajarkan di semester ini, guna membantu siswa dalam persiapan ujian dan memperdalam pemahaman.
Topik Utama Fisika Kelas X SMK Semester 2 (Kurikulum 2013)
Meskipun detail kurikulum dapat sedikit bervariasi antar sekolah, topik-topik utama yang seringkali dibahas di semester 2 kelas X SMK meliputi:
- Gerak Lurus Berubah Beraturan (GLBB): Meliputi konsep kecepatan, percepatan, perpindahan, dan hubungan antara besaran-besaran tersebut pada gerak dengan percepatan konstan.
- Hukum Newton tentang Gerak: Membahas hukum I, II, dan III Newton, aplikasi gaya, massa, percepatan, dan konsep gaya gesek.
- Usaha dan Energi: Mencakup definisi usaha, energi potensial, energi kinetik, dan hukum kekekalan energi mekanik.
- Dinamika Rotasi (pada beberapa kurikulum/jurusan terkait): Pengenalan konsep momen gaya, momen inersia, dan energi kinetik rotasi.
- Fluida Statis (Tekanan dan Archimedes): Membahas konsep tekanan hidrostatis, hukum Pascal, dan hukum Archimedes.
Artikel ini akan memfokuskan pada topik 1 hingga 3, yang merupakan materi paling umum dan mendasar.
Contoh Soal dan Pembahasan
Berikut adalah beberapa contoh soal yang dirancang untuk mencakup berbagai aspek dari topik-topik tersebut, disertai dengan pembahasan langkah demi langkah.
Soal 1: Gerak Lurus Berubah Beraturan (GLBB)
Seorang pengendara sepeda motor mulai bergerak dari keadaan diam dengan percepatan konstan sebesar 2 m/s². Hitunglah:
a. Kecepatan sepeda motor setelah bergerak selama 5 detik.
b. Jarak yang ditempuh sepeda motor setelah bergerak selama 5 detik.
Pembahasan:
Soal ini berkaitan dengan Gerak Lurus Berubah Beraturan (GLBB) karena ada percepatan konstan. Kita akan menggunakan rumus-rumus GLBB.
Diketahui:
- Kecepatan awal ($v_0$) = 0 m/s (bergerak dari keadaan diam)
- Percepatan (a) = 2 m/s²
- Waktu (t) = 5 s
Ditanya:
a. Kecepatan akhir ($v_t$)
b. Jarak tempuh (s)
Rumus GLBB yang relevan:
- $v_t = v_0 + at$
- $s = v_0t + frac12at^2$
a. Menghitung Kecepatan Akhir ($v_t$)
Menggunakan rumus $v_t = v_0 + at$:
$v_t = 0 text m/s + (2 text m/s^2)(5 text s)$
$v_t = 0 + 10 text m/s$
$v_t = 10 text m/s$
Jadi, kecepatan sepeda motor setelah bergerak selama 5 detik adalah 10 m/s.
b. Menghitung Jarak Tempuh (s)
Menggunakan rumus $s = v_0t + frac12at^2$:
$s = (0 text m/s)(5 text s) + frac12(2 text m/s^2)(5 text s)^2$
$s = 0 + frac12(2 text m/s^2)(25 text s^2)$
$s = 1 text m/s^2 times 25 text s^2$
$s = 25 text meter$
Jadi, jarak yang ditempuh sepeda motor setelah bergerak selama 5 detik adalah 25 meter.
Soal 2: Hukum Newton tentang Gerak
Sebuah balok bermassa 5 kg ditarik di atas permukaan horizontal licin oleh gaya horizontal sebesar 20 N. Tentukan percepatan yang dialami balok tersebut!
Pembahasan:
Soal ini mengaplikasikan Hukum II Newton yang menyatakan bahwa percepatan suatu benda berbanding lurus dengan gaya total yang bekerja padanya dan berbanding terbalik dengan massanya.
Diketahui:
- Massa balok (m) = 5 kg
- Gaya yang diberikan (F) = 20 N
- Permukaan horizontal licin berarti gaya gesek diabaikan.
Ditanya:
- Percepatan (a)
Rumus Hukum II Newton:
$F_texttotal = ma$
Karena hanya ada satu gaya horizontal yang bekerja (gaya tarik) dan permukaan licin, maka $F_texttotal = F$.
$F = ma$
$20 text N = (5 text kg)a$
Untuk mencari percepatan (a), kita susun ulang rumusnya:
$a = fracFm$
$a = frac20 text N5 text kg$
$a = 4 text m/s^2$
Jadi, percepatan yang dialami balok tersebut adalah 4 m/s².
Soal 3: Hukum Newton tentang Gerak (dengan Gaya Gesek)
Sebuah balok bermassa 10 kg ditarik di atas permukaan horizontal dengan gaya sebesar 50 N. Jika koefisien gesek kinetik antara balok dan permukaan adalah 0,2 dan percepatan gravitasi ($g$) adalah 10 m/s², tentukan percepatan balok!
Pembahasan:
Soal ini melibatkan Hukum II Newton dengan adanya gaya gesek. Kita perlu menghitung gaya gesek terlebih dahulu.
Diketahui:
- Massa balok (m) = 10 kg
- Gaya tarik (F) = 50 N
- Koefisien gesek kinetik ($mu_k$) = 0,2
- Percepatan gravitasi ($g$) = 10 m/s²
Ditanya:
- Percepatan balok (a)
Langkah-langkah penyelesaian:
-
Hitung Gaya Normal ($N$):
Pada permukaan horizontal, gaya normal sama dengan berat benda, kecuali ada gaya vertikal lain yang bekerja.
Berat ($W$) = $mg$
$W = (10 text kg)(10 text m/s^2) = 100 text N$
Karena tidak ada gaya vertikal lain, maka Gaya Normal ($N$) = $W$ = 100 N. -
Hitung Gaya Gesek Kinetik ($f_k$):
Gaya gesek kinetik dihitung dengan rumus $f_k = mu_k N$.
$f_k = (0,2)(100 text N)$
$f_k = 20 text N$ -
Hitung Gaya Total ($F_texttotal$):
Gaya total yang bekerja pada arah horizontal adalah selisih antara gaya tarik dan gaya gesek.
$F_texttotal = F – fk$
$Ftexttotal = 50 text N – 20 text N$
$F_texttotal = 30 text N$ -
Hitung Percepatan (a) menggunakan Hukum II Newton:
$F_texttotal = ma$
$30 text N = (10 text kg)a$
$a = frac30 text N10 text kg$
$a = 3 text m/s^2$
Jadi, percepatan balok tersebut adalah 3 m/s².
Soal 4: Usaha dan Energi
Sebuah benda bermassa 2 kg dilempar vertikal ke atas dari permukaan tanah dengan kecepatan awal 10 m/s. Tentukan:
a. Usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi saat benda mencapai ketinggian maksimum.
b. Kecepatan benda saat berada pada ketinggian 2 meter di atas permukaan tanah. (Gunakan $g = 10 text m/s^2$)
Pembahasan:
Soal ini melibatkan konsep usaha dan energi, serta hukum kekekalan energi mekanik.
Diketahui:
- Massa benda (m) = 2 kg
- Kecepatan awal ($v_0$) = 10 m/s
- Percepatan gravitasi ($g$) = 10 m/s²
Ditanya:
a. Usaha oleh gravitasi saat mencapai ketinggian maksimum.
b. Kecepatan saat ketinggian 2 meter.
a. Usaha oleh Gaya Gravitasi saat Mencapai Ketinggian Maksimum
Saat benda mencapai ketinggian maksimum, kecepatan vertikalnya menjadi nol ($v_t = 0$). Kita perlu mencari ketinggian maksimum terlebih dahulu.
Menggunakan rumus GLBB: $v_t^2 = v0^2 + 2as$. Di sini, $a = -g$ (karena arah gaya gravitasi berlawanan dengan arah gerak awal) dan $s$ adalah ketinggian maksimum ($htextmax$).
$0^2 = (10 text m/s)^2 + 2(-10 text m/s^2)htextmax$
$0 = 100 text m^2/texts^2 – 20htextmax$
$20htextmax = 100 text m^2/texts^2$
$htextmax = frac100 text m^2/texts^220 text m/s^2 = 5 text meter$
Usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi adalah $W_textgravitasi = – Delta EP$. Perubahan energi potensial adalah $EP_2 – EP1$.
Usaha oleh gaya gravitasi = $- (mghtextmax – mgh_0)$. Karena $h0 = 0$ (mulai dari tanah).
$Wtextgravitasi = – (mg htextmax)$
$Wtextgravitasi = – (2 text kg)(10 text m/s^2)(5 text m)$
$W_textgravitasi = – 100 text Joule$
Tanda negatif menunjukkan bahwa gaya gravitasi melakukan usaha yang berlawanan arah dengan perpindahan.
b. Kecepatan Benda saat Berada pada Ketinggian 2 Meter
Kita bisa menggunakan Hukum Kekekalan Energi Mekanik, yang menyatakan bahwa energi mekanik total (jumlah energi kinetik dan energi potensial) adalah konstan jika hanya gaya konservatif (seperti gravitasi) yang bekerja.
Energi Mekanik Awal ($EM_0$) = Energi Kinetik Awal ($EK_0$) + Energi Potensial Awal ($EP_0$)
$EK_0 = frac12mv_0^2 = frac12(2 text kg)(10 text m/s)^2 = frac12(2)(100) = 100 text Joule$
$EP_0 = mgh_0 = (2 text kg)(10 text m/s^2)(0 text m) = 0 text Joule$
$EM_0 = 100 text J + 0 text J = 100 text Joule$
Energi Mekanik pada Ketinggian 2 Meter ($EM_1$) = Energi Kinetik pada Ketinggian 2 Meter ($EK_1$) + Energi Potensial pada Ketinggian 2 Meter ($EP_1$)
Ketinggian ($h_1$) = 2 meter.
$EP_1 = mgh_1 = (2 text kg)(10 text m/s^2)(2 text m) = 40 text Joule$
$EK_1 = frac12mv_1^2$ (kita cari $v_1$)
Menurut Hukum Kekekalan Energi Mekanik: $EM_0 = EM_1$
$100 text J = EK_1 + EP_1$
$100 text J = EK_1 + 40 text J$
$EK_1 = 100 text J – 40 text J = 60 text Joule$
Sekarang kita cari kecepatan ($v_1$) dari energi kinetik $EK_1$:
$EK_1 = frac12mv_1^2$
$60 text J = frac12(2 text kg)v_1^2$
$60 text J = (1 text kg)v_1^2$
$v_1^2 = frac60 text J1 text kg = 60 text m^2/texts^2$
$v_1 = sqrt60 text m/s approx 7,75 text m/s$
Jadi, kecepatan benda saat berada pada ketinggian 2 meter di atas permukaan tanah adalah $sqrt60$ m/s atau sekitar 7,75 m/s.
Pentingnya Latihan Soal dan Pemahaman Konsep
Contoh-contoh soal di atas mencakup variasi dalam penerapan rumus-rumus fisika. Kunci untuk menguasai fisika adalah:
- Memahami Konsep Dasar: Sebelum mencoba menyelesaikan soal, pastikan Anda benar-benar memahami definisi dan prinsip di balik setiap topik. Apa itu percepatan? Apa yang dimaksud dengan gaya? Bagaimana energi berubah?
- Identifikasi Variabel: Selalu identifikasi besaran-besaran yang diketahui dan yang ditanya dalam soal.
- Pilih Rumus yang Tepat: Berdasarkan variabel yang diketahui dan ditanya, tentukan rumus fisika yang paling sesuai.
- Perhatikan Satuan: Pastikan semua satuan konsisten. Konversi satuan jika diperlukan.
- Gambar Diagram Benda Bebas (Free-Body Diagram): Untuk soal-soal yang melibatkan gaya, menggambar diagram benda bebas sangat membantu memvisualisasikan semua gaya yang bekerja pada objek.
- Latihan Berulang: Semakin banyak Anda berlatih, semakin terbiasa Anda dengan berbagai tipe soal dan semakin cepat Anda dapat mengidentifikasi cara penyelesaiannya.
- Diskusi dan Tanya Jawab: Jangan ragu untuk bertanya kepada guru atau teman jika ada materi yang belum dipahami.
Dengan mempraktikkan contoh soal seperti di atas dan mengaitkannya dengan konsep-konsep fisika yang diajarkan, siswa kelas X SMK dapat membangun fondasi yang kuat untuk keberhasilan akademis mereka dan persiapan yang lebih baik untuk dunia kerja yang penuh dengan aplikasi fisika.
Tinggalkan Balasan