Kurikulum 2013 telah membawa pendekatan pembelajaran yang berfokus pada pemahaman konsep dan penerapan ilmu pengetahuan dalam kehidupan sehari-hari. Di tingkat SMA kelas X semester 2, fisika menjadi salah satu mata pelajaran krusial yang membekali siswa dengan dasar-dasar pemahaman alam semesta. Materi yang disajikan mencakup berbagai fenomena menarik, mulai dari dinamika gerak hingga konsep energi dan usaha.
Memahami dan menguasai materi fisika kelas X semester 2 bukan hanya penting untuk kelulusan, tetapi juga sebagai fondasi kuat untuk studi fisika di jenjang yang lebih tinggi. Artikel ini akan mengupas tuntas materi fisika kelas X semester 2 Kurikulum 2013, dilengkapi dengan berbagai contoh soal yang relevan dan penjelasan mendalam untuk membantu siswa mempersiapkan diri menghadapi ulangan harian, Penilaian Akhir Semester (PAS), hingga kompetisi fisika.
Ruang Lingkup Materi Fisika Kelas X Semester 2 Kurikulum 2013
Pada semester kedua kelas X, materi fisika umumnya berfokus pada beberapa bab utama yang saling terkait:
-
Gerak Lurus Berubah Beraturan (GLBB) dan Gerak Parabola: Bab ini memperdalam pemahaman tentang gerak, mulai dari gerak lurus dengan percepatan konstan hingga gerak dua dimensi yang lebih kompleks. Konsep-konsep seperti kecepatan awal, kecepatan akhir, percepatan, waktu, dan jarak tempuh menjadi kunci dalam menyelesaikan soal-soal di bab ini.
-
Hukum Newton tentang Gerak: Bab ini merupakan inti dari dinamika. Memahami ketiga Hukum Newton sangat penting untuk menganalisis gaya-gaya yang bekerja pada suatu benda dan bagaimana gaya tersebut memengaruhi geraknya. Konsep seperti gaya berat, gaya normal, gaya gesek, dan gaya tegangan tali akan banyak ditemui.
-
Usaha dan Energi: Bab ini memperkenalkan konsep usaha sebagai hasil perkalian gaya dengan perpindahan, serta energi sebagai kemampuan untuk melakukan usaha. Berbagai bentuk energi seperti energi kinetik, energi potensial, dan energi mekanik akan dibahas, serta bagaimana energi ini dapat berubah bentuk (kekekalan energi mekanik).
-
Impuls dan Momentum: Bab ini berfokus pada interaksi antara benda-benda dalam selang waktu yang singkat. Konsep impuls sebagai perubahan momentum menjadi sangat penting, dan hukum kekekalan momentum akan menjadi alat analisis utama dalam berbagai tumbukan.
Setiap bab memiliki karakteristik soal yang berbeda, namun semuanya mengedepankan pemahaman konsep dasar dan kemampuan analisis matematis. Mari kita bedah contoh soal dari masing-masing bab tersebut.
Contoh Soal dan Pembahasan Mendalam
Bab 1: Gerak Lurus Berubah Beraturan (GLBB) dan Gerak Parabola
Konsep Kunci:
- GLBB: Gerak dengan percepatan konstan. Rumus yang digunakan antara lain:
- $v_t = v_0 + at$
- $s = v_0t + frac12at^2$
- $v_t^2 = v_0^2 + 2as$
- $s = fracv_0 + v_t2t$
di mana $v_t$ adalah kecepatan akhir, $v_0$ adalah kecepatan awal, $a$ adalah percepatan, $t$ adalah waktu, dan $s$ adalah perpindahan.
- Gerak Parabola: Gerak benda di bawah pengaruh gravitasi yang memiliki lintasan melengkung seperti parabola. Gerak ini merupakan gabungan dari gerak lurus beraturan (GLB) pada sumbu horizontal dan GLBB pada sumbu vertikal.
Contoh Soal 1 (GLBB):
Sebuah mobil balap mulai bergerak dari keadaan diam dan mengalami percepatan konstan sebesar $2 , m/s^2$. Tentukan kecepatan mobil setelah bergerak selama 5 detik dan jarak yang ditempuh selama waktu tersebut!
Pembahasan:
Diketahui:
- Kecepatan awal ($v_0$) = 0 m/s (karena mulai bergerak dari keadaan diam)
- Percepatan ($a$) = $2 , m/s^2$
- Waktu ($t$) = 5 s
Ditanya:
- Kecepatan akhir ($v_t$)
- Jarak tempuh ($s$)
Untuk mencari kecepatan akhir, kita gunakan rumus:
$v_t = v_0 + at$
$v_t = 0 + (2 , m/s^2)(5 , s)$
$v_t = 10 , m/s$
Untuk mencari jarak tempuh, kita gunakan rumus:
$s = v_0t + frac12at^2$
$s = (0)(5 , s) + frac12(2 , m/s^2)(5 , s)^2$
$s = 0 + frac12(2 , m/s^2)(25 , s^2)$
$s = 25 , m$
Jadi, kecepatan mobil setelah 5 detik adalah $10 , m/s$ dan jarak yang ditempuhnya adalah $25 , m$.
Contoh Soal 2 (Gerak Parabola):
Sebuah bola ditendang mendatar dari puncak tebing setinggi 20 meter dengan kecepatan awal $10 , m/s$. Jika percepatan gravitasi ($g$) adalah $10 , m/s^2$, tentukan:
a. Waktu bola mencapai tanah.
b. Jarak horizontal yang ditempuh bola.
Pembahasan:
Gerak parabola dapat dianalisis dalam dua komponen: horizontal (sumbu x) dan vertikal (sumbu y).
Analisis Sumbu Vertikal (y):
Gerak pada sumbu y adalah gerak jatuh bebas (karena kecepatan awal vertikalnya nol).
Diketahui:
- Perpindahan vertikal ($s_y$) = -20 m (arah ke bawah kita anggap negatif)
- Kecepatan awal vertikal ($v_0y$) = 0 m/s
- Percepatan gravitasi ($a_y = g$) = $-10 , m/s^2$ (arah ke bawah kita anggap negatif)
Ditanya:
- Waktu ($t$)
Kita gunakan rumus:
$sy = v0yt + frac12a_yt^2$
$-20 , m = (0)t + frac12(-10 , m/s^2)t^2$
$-20 , m = -5 , m/s^2 cdot t^2$
$t^2 = frac-20 , m-5 , m/s^2$
$t^2 = 4 , s^2$
$t = sqrt4 , s^2 = 2 , s$
Jadi, waktu bola mencapai tanah adalah 2 detik.
Analisis Sumbu Horizontal (x):
Gerak pada sumbu x adalah Gerak Lurus Beraturan (GLB) karena tidak ada gaya horizontal yang bekerja (mengabaikan hambatan udara).
Diketahui:
- Kecepatan awal horizontal ($v_0x$) = $10 , m/s$
- Waktu ($t$) = 2 s (sama dengan waktu untuk mencapai tanah)
Ditanya:
- Jarak horizontal ($s_x$)
Kita gunakan rumus GLB:
$sx = v0x cdot t$
$s_x = (10 , m/s) cdot (2 , s)$
$s_x = 20 , m$
Jadi, jarak horizontal yang ditempuh bola adalah 20 meter.
Bab 2: Hukum Newton tentang Gerak
Konsep Kunci:
- Hukum I Newton (Hukum Kelembaman): Benda akan tetap diam atau bergerak lurus beraturan jika resultan gaya yang bekerja pada benda adalah nol ($Sigma F = 0$).
- Hukum II Newton: Percepatan yang dihasilkan oleh resultan gaya pada suatu benda berbanding lurus dengan resultan gaya tersebut dan berbanding terbalik dengan massa benda ($Sigma F = ma$).
- Hukum III Newton: Jika benda A memberikan gaya pada benda B, maka benda B akan memberikan gaya pada benda A yang besarnya sama tetapi arahnya berlawanan ($vecFAB = -vecFBA$).
Contoh Soal 3 (Hukum II Newton):
Dua buah balok m1 = 2 kg dan m2 = 3 kg dihubungkan dengan tali melalui sebuah katrol licin. Balok m2 digantung dan balok m1 diletakkan di atas permukaan meja horizontal yang licin. Tentukan percepatan sistem dan tegangan tali! (g = 10 m/s²)
Pembahasan:
Kita perlu menganalisis gaya-gaya yang bekerja pada masing-masing balok. Karena katrol licin dan meja licin, tidak ada gaya gesek.
Analisis Balok m2 (yang digantung):
Gaya yang bekerja pada m2 adalah gaya berat (w2) ke bawah dan tegangan tali (T) ke atas. Karena sistem bergerak ke bawah, percepatan ($a$) akan searah dengan gaya berat.
$Sigma F_m2 = m2 cdot a$
$w2 – T = m2 cdot a$
$m2 cdot g – T = m2 cdot a$
$3 , kg cdot 10 , m/s^2 – T = 3 , kg cdot a$
$30 , N – T = 3a$ — (Persamaan 1)
Analisis Balok m1 (di atas meja):
Gaya yang bekerja pada m1 adalah tegangan tali (T) yang menarik ke kanan dan tidak ada gaya gesek. Percepatan ($a$) akan searah dengan tegangan tali.
$Sigma F_m1 = m1 cdot a$
$T = m1 cdot a$
$T = 2 , kg cdot a$
$T = 2a$ — (Persamaan 2)
Sekarang kita substitusikan Persamaan 2 ke Persamaan 1:
$30 , N – (2a) = 3a$
$30 , N = 3a + 2a$
$30 , N = 5a$
$a = frac30 , N5 = 6 , m/s^2$
Setelah mendapatkan nilai percepatan, kita cari tegangan tali menggunakan Persamaan 2:
$T = 2a$
$T = 2 , kg cdot 6 , m/s^2$
$T = 12 , N$
Jadi, percepatan sistem adalah $6 , m/s^2$ dan tegangan tali adalah $12 , N$.
Bab 3: Usaha dan Energi
Konsep Kunci:
- Usaha (W): Energi yang ditransfer ke atau dari suatu benda ketika gaya bekerja pada benda tersebut dan menyebabkan perpindahan. $W = F cdot s cdot cos theta$.
- Energi Kinetik (EK): Energi yang dimiliki benda karena geraknya. $EK = frac12mv^2$.
- Energi Potensial (EP): Energi yang dimiliki benda karena posisinya.
- Energi Potensial Gravitasi: $EP_g = mgh$.
- Energi Potensial Pegas: $EP_s = frac12kx^2$.
- Hukum Kekekalan Energi Mekanik: Jika hanya gaya konservatif yang bekerja, energi mekanik total suatu sistem (jumlah energi kinetik dan energi potensial) adalah konstan. $EM = EK + EP = konstan$.
Contoh Soal 4 (Usaha dan Energi Kinetik):
Sebuah balok bermassa 4 kg ditarik di atas permukaan horizontal licin oleh gaya konstan sebesar 20 N sejajar dengan perpindahan. Jika balok mulai bergerak dari keadaan diam, berapakah usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut saat balok berpindah sejauh 5 meter? Berapakah energi kinetik balok pada saat itu?
Pembahasan:
Diketahui:
- Massa balok ($m$) = 4 kg
- Gaya ($F$) = 20 N
- Perpindahan ($s$) = 5 m
- Sudut antara gaya dan perpindahan ($theta$) = 0° (karena sejajar)
- Kecepatan awal ($v_0$) = 0 m/s
Ditanya:
- Usaha ($W$)
- Energi Kinetik ($EK$)
Untuk menghitung usaha, kita gunakan rumus:
$W = F cdot s cdot cos theta$
$W = 20 , N cdot 5 , m cdot cos 0^circ$
$W = 20 , N cdot 5 , m cdot 1$
$W = 100 , J$
Usaha yang dilakukan oleh gaya adalah 100 Joule. Berdasarkan Teorema Usaha-Energi, usaha total yang dilakukan pada suatu benda sama dengan perubahan energi kinetiknya. Karena balok mulai dari keadaan diam, perubahan energi kinetiknya sama dengan energi kinetik akhirnya.
$W = Delta EK = EKakhir – EKawal$
$100 , J = EKakhir – 0$
$EKakhir = 100 , J$
Jadi, energi kinetik balok setelah berpindah sejauh 5 meter adalah 100 Joule.
Contoh Soal 5 (Kekekalan Energi Mekanik):
Sebuah batu dilempar vertikal ke atas dari permukaan tanah dengan kecepatan awal $20 , m/s$. Tentukan ketinggian maksimum yang dicapai batu dan kecepatan batu saat berada pada ketinggian 15 meter! (g = 10 m/s²)
Pembahasan:
Kita akan menggunakan prinsip kekekalan energi mekanik. Di permukaan tanah (titik A), energi potensialnya nol dan energi kinetiknya maksimal. Di ketinggian maksimum (titik B), energi kinetiknya nol dan energi potensialnya maksimal.
Menentukan Ketinggian Maksimum (h_max):
Di titik A (tanah):
$h_A = 0$ m
$v_A = 20 , m/s$
$EK_A = frac12mv_A^2$
$EP_A = mgh_A = 0$
$EM_A = EK_A + EP_A = frac12mv_A^2$
Di titik B (ketinggian maksimum):
$hB = hmax$
$v_B = 0 , m/s$
$EK_B = frac12mv_B^2 = 0$
$EP_B = mgh_B$
$EM_B = EK_B + EP_B = mgh_B$
Menggunakan kekekalan energi mekanik ($EM_A = EM_B$):
$frac12mv_A^2 = mgh_B$
Kita bisa membagi kedua sisi dengan $m$:
$frac12v_A^2 = gh_B$
$h_B = fracv_A^22g$
$h_B = frac(20 , m/s)^22 cdot 10 , m/s^2$
$h_B = frac400 , m^2/s^220 , m/s^2$
$h_B = 20 , m$
Jadi, ketinggian maksimum yang dicapai batu adalah 20 meter.
Menentukan Kecepatan saat Ketinggian 15 meter:
Misalkan titik C adalah saat batu berada pada ketinggian 15 meter. Kita bandingkan energi mekanik di titik A (tanah) dengan energi mekanik di titik C.
Di titik C:
$h_C = 15 , m$
$v_C = ?$
$EK_C = frac12mv_C^2$
$EP_C = mgh_C = m cdot 10 , m/s^2 cdot 15 , m = 150m , J$
$EM_C = EK_C + EP_C = frac12mv_C^2 + 150m$
Menggunakan kekekalan energi mekanik ($EM_A = EM_C$):
$frac12mv_A^2 = frac12mv_C^2 + mgh_C$
Bagi kedua sisi dengan $m$:
$frac12v_A^2 = frac12v_C^2 + gh_C$
$frac12(20 , m/s)^2 = frac12v_C^2 + (10 , m/s^2)(15 , m)$
$frac12(400 , m^2/s^2) = frac12v_C^2 + 150 , m^2/s^2$
$200 , m^2/s^2 = frac12v_C^2 + 150 , m^2/s^2$
$frac12v_C^2 = 200 , m^2/s^2 – 150 , m^2/s^2$
$frac12v_C^2 = 50 , m^2/s^2$
$v_C^2 = 100 , m^2/s^2$
$v_C = sqrt100 , m^2/s^2 = 10 , m/s$
Jadi, kecepatan batu saat berada pada ketinggian 15 meter adalah $10 , m/s$ (ke arah atas).
Bab 4: Impuls dan Momentum
Konsep Kunci:
- Momentum (p): Ukuran kecenderungan suatu benda untuk terus bergerak. $p = mv$.
- Impuls (I): Perubahan momentum suatu benda. $I = Delta p = pakhir – pawal = m(vakhir – vawal)$. Impuls juga dapat dihitung sebagai hasil kali gaya rata-rata dan selang waktu gaya tersebut bekerja: $I = F_rata-rata cdot Delta t$.
- Hukum Kekekalan Momentum: Jika tidak ada gaya eksternal yang bekerja pada suatu sistem, momentum total sistem sebelum dan sesudah tumbukan adalah konstan ($Sigma psebelum = Sigma psesudah$).
Contoh Soal 6 (Impuls):
Sebuah bola kasti bermassa 0.2 kg dilempar ke arah tembok dengan kecepatan $20 , m/s$. Bola memantul kembali dari tembok dengan kecepatan $15 , m/s$. Hitung besar impuls yang diberikan tembok pada bola!
Pembahasan:
Kita perlu menetapkan arah positif dan negatif. Misalkan arah datang bola ke tembok adalah positif, dan arah pantul bola dari tembok adalah negatif.
Diketahui:
- Massa bola ($m$) = 0.2 kg
- Kecepatan awal ($v_1$) = $20 , m/s$ (positif)
- Kecepatan akhir ($v_2$) = $-15 , m/s$ (negatif karena berlawanan arah)
Ditanya:
- Impuls ($I$)
Kita gunakan rumus impuls sebagai perubahan momentum:
$I = Delta p = pakhir – pawal$
$I = m v_2 – m v_1$
$I = m (v_2 – v_1)$
$I = 0.2 , kg (-15 , m/s – 20 , m/s)$
$I = 0.2 , kg (-35 , m/s)$
$I = -7 , kg cdot m/s$
Besar impuls adalah $|-7 , kg cdot m/s| = 7 , kg cdot m/s$. Tanda negatif menunjukkan arah impuls berlawanan dengan arah datang bola.
Jadi, besar impuls yang diberikan tembok pada bola adalah $7 , kg cdot m/s$.
Contoh Soal 7 (Hukum Kekekalan Momentum – Tumbukan):
Dua buah benda A dan B bergerak saling mendekati. Massa benda A adalah 2 kg bergerak ke kanan dengan kecepatan $5 , m/s$, dan massa benda B adalah 3 kg bergerak ke kiri dengan kecepatan $4 , m/s$. Setelah tumbukan, kedua benda menyatu dan bergerak bersama. Tentukan kecepatan kedua benda setelah tumbukan!
Pembahasan:
Ini adalah contoh tumbukan tidak lenting sempurna, di mana kedua benda menyatu setelah tumbukan.
Misalkan arah ke kanan adalah positif.
Sebelum tumbukan:
-
Massa benda A ($m_A$) = 2 kg
-
Kecepatan benda A ($v_A$) = $5 , m/s$
-
Momentum benda A ($p_A$) = $m_A v_A = 2 , kg cdot 5 , m/s = 10 , kg cdot m/s$
-
Massa benda B ($m_B$) = 3 kg
-
Kecepatan benda B ($v_B$) = $-4 , m/s$ (karena bergerak ke kiri)
-
Momentum benda B ($p_B$) = $m_B v_B = 3 , kg cdot (-4 , m/s) = -12 , kg cdot m/s$
Momentum total sebelum tumbukan:
$Sigma p_sebelum = p_A + p_B = 10 , kg cdot m/s + (-12 , kg cdot m/s) = -2 , kg cdot m/s$
Setelah tumbukan:
Kedua benda menyatu, sehingga massa total menjadi $m_total = m_A + m_B = 2 , kg + 3 , kg = 5 , kg$.
Misalkan kecepatan kedua benda setelah tumbukan adalah $v’$.
Momentum total setelah tumbukan:
$Sigma psesudah = mtotal cdot v’ = 5 , kg cdot v’$
Menggunakan Hukum Kekekalan Momentum ($Sigma psebelum = Sigma psesudah$):
$-2 , kg cdot m/s = 5 , kg cdot v’$
$v’ = frac-2 , kg cdot m/s5 , kg$
$v’ = -0.4 , m/s$
Tanda negatif menunjukkan bahwa kedua benda bergerak ke kiri setelah tumbukan.
Jadi, kecepatan kedua benda setelah tumbukan adalah $0.4 , m/s$ ke arah kiri.
Tips Belajar Fisika Kelas X Semester 2
- Pahami Konsep Dasar: Jangan hanya menghafal rumus. Cobalah untuk memahami arti fisik dari setiap konsep dan bagaimana rumus tersebut diturunkan.
- Latihan Soal Bervariasi: Kerjakan berbagai jenis soal, mulai dari yang mudah hingga yang menantang. Semakin banyak latihan, semakin terasah kemampuan analisis Anda.
- Gunakan Analogi dan Visualisasi: Bayangkan fenomena fisika dalam kehidupan sehari-hari. Ini akan membantu Anda memahami konsep dengan lebih baik.
- Buat Ringkasan Materi: Catat poin-poin penting, rumus-rumus kunci, dan contoh soal yang sulit untuk ditinjau kembali.
- Diskusi dengan Teman atau Guru: Jangan ragu bertanya jika ada materi atau soal yang belum dipahami. Diskusi dapat membuka sudut pandang baru.
- Perhatikan Satuan: Selalu perhatikan satuan yang digunakan dalam soal dan pastikan satuan yang Anda gunakan dalam perhitungan konsisten.
Penutup
Fisika kelas X semester 2 Kurikulum 2013 menyajikan materi yang fundamental dan menarik. Dengan memahami konsep-konsep kunci dan berlatih soal-soal seperti yang telah dibahas, siswa diharapkan dapat menguasai materi ini dengan baik. Ingatlah bahwa kunci keberhasilan dalam fisika adalah pemahaman, latihan, dan ketekunan. Selamat belajar dan semoga sukses!
Tinggalkan Balasan