Menguasai Fisika SMK Kelas 1 Semester 2: Panduan Lengkap dengan Contoh Soal dan Pembahasan

Fisika, sebagai ilmu dasar yang mempelajari tentang alam semesta dan segala fenomena di dalamnya, memegang peranan krusial dalam kurikulum Sekolah Menengah Kejuruan (SMK). Pada semester 2 kelas 1 SMK, siswa akan mendalami konsep-konsep fisika yang menjadi fondasi penting untuk berbagai jurusan keahlian. Memahami materi ini dengan baik tidak hanya membantu dalam ujian, tetapi juga mempersiapkan siswa untuk mata pelajaran fisika yang lebih kompleks di jenjang selanjutnya dan aplikasi praktis di dunia kerja.

Artikel ini akan menjadi panduan komprehensif bagi siswa SMK kelas 1 semester 2 dalam menghadapi materi fisika. Kita akan mengulas topik-topik utama yang sering diujikan, disertai dengan contoh soal yang relevan dan pembahasan mendalam untuk memastikan pemahaman yang utuh.

Pentingnya Fisika di SMK

Menguasai Fisika SMK Kelas 1 Semester 2: Panduan Lengkap dengan Contoh Soal dan Pembahasan

Meskipun fokus utama SMK adalah pada keterampilan vokasional, pemahaman fisika tetaplah esensial. Banyak teknologi yang digunakan dalam berbagai bidang keahlian, mulai dari teknik mesin, elektronika, hingga teknik komputer dan jaringan, berakar pada prinsip-prinsip fisika. Dengan menguasai fisika, siswa dapat lebih memahami cara kerja peralatan, memecahkan masalah teknis, dan bahkan berinovasi dalam bidangnya.

Topik Utama Fisika Kelas 1 SMK Semester 2

Pada semester 2, materi fisika biasanya berfokus pada beberapa bab penting, di antaranya:

Dinamika Gerak Lurus: Melanjutkan dari konsep gerak yang telah dipelajari di semester 1, bab ini mendalami tentang gaya yang menyebabkan gerak. Hukum Newton tentang gerak menjadi inti dari pembahasan ini.
Usaha dan Energi: Konsep usaha, energi kinetik, energi potensial, dan hukum kekekalan energi akan dibahas secara mendalam.
Impuls dan Momentum: Bab ini memperkenalkan konsep impuls sebagai perubahan momentum, serta hukum kekekalan momentum.
Fluida Statis: Mempelajari tentang sifat-sifat fluida (zat cair dan gas) dalam keadaan diam, termasuk tekanan, gaya apung, dan tegangan permukaan.
Getaran dan Gelombang: Memahami konsep getaran harmonik sederhana, jenis-jenis gelombang, serta sifat-sifat gelombang seperti pemantulan, pembiasan, dan difraksi.

Mari kita selami setiap topik dengan contoh soal dan pembahasannya.

Bab 1: Dinamika Gerak Lurus dan Hukum Newton

Bab ini menjadi dasar untuk memahami bagaimana gaya mempengaruhi gerak benda. Tiga Hukum Newton adalah kunci utama di sini.

Hukum I Newton (Hukum Kelembaman): Benda akan tetap diam atau bergerak lurus beraturan jika resultan gaya yang bekerja padanya adalah nol.
Hukum II Newton: Percepatan yang dihasilkan oleh resultan gaya yang bekerja pada benda berbanding lurus dengan resultan gaya dan berbanding terbalik dengan massa benda ($sum vecF = mveca$).
Hukum III Newton: Jika benda A mengerjakan gaya pada benda B, maka benda B akan mengerjakan gaya pada benda A yang besarnya sama dan arahnya berlawanan ($vecFAB = -vecFBA$).

Contoh Soal 1.1:

Sebuah balok bermassa 5 kg ditarik di atas permukaan horizontal licin dengan gaya konstan 20 N searah dengan arah gerak. Tentukan percepatan yang dialami balok tersebut!

Pembahasan:

Kita akan menggunakan Hukum II Newton. Diketahui:

Massa balok, $m = 5$ kg
Gaya yang bekerja, $F = 20$ N

Karena permukaan licin, gaya gesek diabaikan. Resultan gaya yang bekerja pada balok adalah gaya tarik itu sendiri.

$sum F = m times a$
$20 text N = 5 text kg times a$
$a = frac20 text N5 text kg$
$a = 4 text m/s^2$

Jadi, percepatan yang dialami balok adalah 4 m/s².

Contoh Soal 1.2:

Dua buah balok, A bermassa 2 kg dan B bermassa 3 kg, dihubungkan dengan tali melalui sebuah katrol licin. Balok A digantung di satu sisi dan balok B di sisi lain. Tentukan percepatan sistem dan tegangan tali! (Percepatan gravitasi $g = 10$ m/s²)

Pembahasan:

Ini adalah contoh sistem katrol. Kita perlu menganalisis gaya yang bekerja pada masing-masing balok.

Analisis Balok B:
Gaya yang bekerja adalah berat balok B ke bawah ($W_B = m_B times g$) dan tegangan tali ke atas ($T$). Karena balok B akan bergerak ke bawah, maka:
$W_B – T = m_B times a$
$(3 text kg times 10 text m/s^2) – T = 3 text kg times a$
$30 text N – T = 3a quad$ (Persamaan 1)
Analisis Balok A:
Gaya yang bekerja adalah berat balok A ke bawah ($W_A = m_A times g$) dan tegangan tali ke atas ($T$). Karena balok A akan bergerak ke atas, maka:
$T – W_A = m_A times a$
$T – (2 text kg times 10 text m/s^2) = 2 text kg times a$
$T – 20 text N = 2a quad$ (Persamaan 2)

Sekarang kita punya sistem dua persamaan linear. Kita bisa jumlahkan Persamaan 1 dan Persamaan 2 untuk mengeliminasi $T$:
$(30 – T) + (T – 20) = 3a + 2a$
$10 = 5a$
$a = frac105 = 2 text m/s^2$

Setelah mendapatkan percepatan, substitusikan nilai $a$ ke salah satu persamaan untuk mencari $T$. Menggunakan Persamaan 2:
$T – 20 = 2 times 2$
$T – 20 = 4$
$T = 24 text N$

Jadi, percepatan sistem adalah 2 m/s² dan tegangan tali adalah 24 N.

Bab 2: Usaha dan Energi

Bab ini membahas tentang kemampuan suatu benda untuk melakukan kerja.

Usaha (W): Energi yang ditransfer ketika gaya menyebabkan perpindahan. Dihitung dengan $W = F times s times cos theta$, di mana $F$ adalah gaya, $s$ adalah perpindahan, dan $theta$ adalah sudut antara gaya dan perpindahan.
Energi Kinetik (EK): Energi yang dimiliki benda karena geraknya. Dihitung dengan $EK = frac12mv^2$.
Energi Potensial (EP): Energi yang dimiliki benda karena posisi atau konfigurasinya. Energi potensial gravitasi dihitung dengan $EP_g = mgh$.
Hukum Kekekalan Energi Mekanik: Jika hanya gaya konservatif (seperti gravitasi dan gaya pegas) yang bekerja, total energi mekanik (jumlah energi kinetik dan energi potensial) suatu sistem adalah konstan. $EM_1 = EM_2 implies EK_1 + EP_1 = EK_2 + EP_2$.

Contoh Soal 2.1:

Sebuah gaya 50 N bekerja pada sebuah balok sejauh 10 meter. Jika gaya tersebut membentuk sudut 60° terhadap arah perpindahan, berapakah usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut?

Pembahasan:

Diketahui:

Gaya, $F = 50$ N
Perpindahan, $s = 10$ m
Sudut, $theta = 60°$

Menggunakan rumus usaha:
$W = F times s times cos theta$
$W = 50 text N times 10 text m times cos 60°$
$W = 500 text Nm times 0.5$
$W = 250$ Joule

Jadi, usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut adalah 250 Joule.

Contoh Soal 2.2:

Sebuah bola bermassa 2 kg dilempar vertikal ke atas dengan kecepatan awal 20 m/s. Tentukan energi kinetik dan energi potensial bola saat mencapai ketinggian maksimum! (Gunakan $g = 10$ m/s²)

Pembahasan:

Pada ketinggian maksimum, kecepatan bola adalah nol.

Energi Kinetik di Ketinggian Maksimum:
$EKmax = frac12mvmax^2$
Karena $vmax = 0$ m/s, maka $EKmax = 0$ Joule.
Energi Potensial di Ketinggian Maksimum:
Kita bisa gunakan Hukum Kekekalan Energi Mekanik. Energi mekanik awal (saat dilempar) sama dengan energi mekanik di ketinggian maksimum.
$EMawal = EMmax$
$EKawal + EPawal = EKmax + EPmax$

Energi kinetik awal:
$EKawal = frac12mvawal^2 = frac12(2 text kg)(20 text m/s)^2 = frac12(2)(400) = 400$ Joule.

Energi potensial awal (kita asumsikan ketinggian awal $hawal = 0$):
$EPawal = mgh_awal = (2 text kg)(10 text m/s^2)(0 text m) = 0$ Joule.

Maka,
$400 text J + 0 text J = 0 text J + EPmax$
$EPmax = 400$ Joule.

Jadi, energi kinetik bola saat mencapai ketinggian maksimum adalah 0 Joule, dan energi potensialnya adalah 400 Joule.

Bab 3: Impuls dan Momentum

Bab ini membahas tentang konsep perubahan momentum suatu benda.

Momentum (p): Ukuran kuantitas gerak suatu benda, dihitung dengan $p = mv$. Momentum adalah besaran vektor.
Impuls (I): Perubahan momentum suatu benda, dihitung dengan $I = Delta p = pakhir – pawal$. Impuls juga dapat dihitung sebagai $I = Frata-rata times Delta t$, di mana $Frata-rata$ adalah gaya rata-rata dan $Delta t$ adalah selang waktu gaya bekerja.
Hukum Kekekalan Momentum: Jika tidak ada gaya luar yang bekerja pada sistem, total momentum sistem sebelum dan sesudah interaksi adalah konstan. $sum pawal = sum pakhir$.

Contoh Soal 3.1:

Sebuah bola bowling bermassa 6 kg bergerak dengan kecepatan 10 m/s. Bola tersebut menabrak dinding dan memantul kembali dengan kecepatan 8 m/s searah berlawanan. Tentukan impuls yang dialami bola!

Pembahasan:

Diketahui:

Massa bola, $m = 6$ kg
Kecepatan awal, $v_awal = 10$ m/s (misal, arah positif)
Kecepatan akhir, $v_akhir = -8$ m/s (arah berlawanan)

Momentum awal:
$pawal = mvawal = (6 text kg)(10 text m/s) = 60 text kg m/s$

Momentum akhir:
$pakhir = mvakhir = (6 text kg)(-8 text m/s) = -48 text kg m/s$

Impuls:
$I = Delta p = pakhir – pawal$
$I = -48 text kg m/s – 60 text kg m/s$
$I = -108 text kg m/s$

Tanda negatif menunjukkan arah impuls berlawanan dengan arah gerak awal bola. Besar impulsnya adalah 108 kg m/s.

Contoh Soal 3.2:

Dua buah bola, A bermassa 2 kg bergerak ke kanan dengan kecepatan 5 m/s, bertumbukan dengan bola B bermassa 3 kg yang diam. Setelah tumbukan, bola A berhenti dan bola B bergerak ke kanan. Tentukan kecepatan bola B setelah tumbukan!

Pembahasan:

Ini adalah aplikasi Hukum Kekekalan Momentum.
Diketahui:

Massa bola A, $m_A = 2$ kg
Kecepatan awal bola A, $vAawal = 5$ m/s
Massa bola B, $m_B = 3$ kg
Kecepatan awal bola B, $vBawal = 0$ m/s
Kecepatan akhir bola A, $vAakhir = 0$ m/s

Ditanya: kecepatan akhir bola B, $vBakhir$.

Hukum Kekekalan Momentum:
$sum pawal = sum pakhir$
$mA vA_awal + mB vB_awal = mA vA_akhir + mB vB_akhir$

Substitusikan nilai-nilai yang diketahui:
$(2 text kg)(5 text m/s) + (3 text kg)(0 text m/s) = (2 text kg)(0 text m/s) + (3 text kg)vBakhir$
$10 text kg m/s + 0 = 0 + 3 vBakhir$
$10 = 3 vBakhir$
$vBakhir = frac103 text m/s$

Jadi, kecepatan bola B setelah tumbukan adalah $frac103$ m/s ke kanan.

Bab 4: Fluida Statis

Bab ini membahas tentang zat cair dan gas dalam keadaan diam.

Tekanan (P): Gaya yang bekerja per satuan luas. Dihitung dengan $P = fracFA$. Dalam fluida, tekanan juga dipengaruhi oleh kedalaman: $P = rho gh$, di mana $rho$ adalah massa jenis fluida, $g$ adalah percepatan gravitasi, dan $h$ adalah kedalaman.
Hukum Pascal: Tekanan yang diberikan pada fluida tertutup diteruskan ke segala arah dengan besaran yang sama. Prinsip ini digunakan pada dongkrak hidrolik.
Hukum Archimedes: Benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam fluida akan mengalami gaya apung yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut. $Fapung = rhofluida times V_celup times g$.

Contoh Soal 4.1:

Sebuah kolam renang memiliki kedalaman 2 meter. Berapakah tekanan hidrostatis pada dasar kolam jika massa jenis air adalah 1000 kg/m³ dan percepatan gravitasi 9.8 m/s²?

Pembahasan:

Diketahui:

Kedalaman, $h = 2$ m
Massa jenis air, $rho = 1000$ kg/m³
Percepatan gravitasi, $g = 9.8$ m/s²

Menggunakan rumus tekanan hidrostatis:
$P = rho gh$
$P = (1000 text kg/m^3)(9.8 text m/s^2)(2 text m)$
$P = 19600 text Pa$

Jadi, tekanan hidrostatis pada dasar kolam adalah 19600 Pascal.

Contoh Soal 4.2:

Sebuah dongkrak hidrolik memiliki luas penampang piston kecil 5 cm² dan luas penampang piston besar 50 cm². Jika gaya sebesar 100 N diberikan pada piston kecil, berapakah gaya angkat yang dihasilkan pada piston besar?

Pembahasan:

Menggunakan Prinsip Pascal, tekanan pada piston kecil sama dengan tekanan pada piston besar.
$Pkecil = Pbesar$
$fracFkecilAkecil = fracFbesarAbesar$

Diketahui:

Luas piston kecil, $A_kecil = 5$ cm²
Luas piston besar, $A_besar = 50$ cm²
Gaya pada piston kecil, $F_kecil = 100$ N

Mencari $Fbesar$:
$frac100 text N5 text cm^2 = fracFbesar50 text cm^2$
$Fbesar = frac100 text N times 50 text cm^25 text cm^2$
$Fbesar = 100 text N times 10$
$F_besar = 1000 text N$

Jadi, gaya angkat yang dihasilkan pada piston besar adalah 1000 N.

Bab 5: Getaran dan Gelombang

Bab ini membahas tentang gerakan bolak-balik dan perambatan gangguan.

Getaran Harmonik Sederhana (GHS): Gerak bolak-balik yang terjadi akibat gaya pemulih yang berbanding lurus dengan simpangan dan berlawanan arah. Contohnya adalah bandul sederhana dan pegas yang bergetar.
Gelombang: Gangguan yang merambat melalui medium atau ruang hampa, membawa energi.
- Jenis Gelombang: Gelombang transversal (getaran tegak lurus arah rambat, contoh: gelombang pada tali, cahaya) dan gelombang longitudinal (getaran searah arah rambat, contoh: gelombang bunyi).
- Sifat Gelombang: Pemantulan, pembiasan, difraksi (pelenturan), interferensi.
- Rumus Dasar Gelombang: $v = lambda f$, di mana $v$ adalah cepat rambat gelombang, $lambda$ adalah panjang gelombang, dan $f$ adalah frekuensi. Periode ($T$) berbanding terbalik dengan frekuensi: $T = frac1f$.

Contoh Soal 5.1:

Sebuah pegas bergetar dengan amplitudo 10 cm. Jika energi kinetik maksimum pegas adalah 0.5 Joule dan massanya 0.1 kg, tentukan frekuensi getaran pegas tersebut!

Pembahasan:

Dalam Getaran Harmonik Sederhana, energi kinetik maksimum terjadi saat benda melewati titik setimbang (simpangan nol), dan energi potensial maksimum terjadi saat simpangan maksimum (amplitudo). Pada titik setimbang, energi mekanik total sama dengan energi kinetik maksimum.

$EM = EKmax + EPmax$
Saat simpangan nol ($x=0$), $EP=0$, maka $EM = EKmax$.
Saat simpangan maksimum ($x=A$), $EK=0$, maka $EM = EPmax$.

Jadi, $EKmax = EPmax$.
Energi kinetik maksimum: $EKmax = frac12mvmax^2$
Energi potensial maksimum (energi potensial pegas): $EP_max = frac12kA^2$
Di mana $k$ adalah konstanta pegas.

Dari $EKmax = 0.5$ J dan $m = 0.1$ kg, kita bisa mencari $vmax$:
$0.5 text J = frac12(0.1 text kg)vmax^2$
$1 = 0.1 vmax^2$
$vmax^2 = 10$
$vmax = sqrt10$ m/s.

Hubungan antara $vmax$, $A$, dan $omega$ (kecepatan sudut) dalam GHS: $vmax = omega A$.
Hubungan antara $omega$ dan frekuensi ($f$): $omega = 2pi f$.
Maka, $v_max = (2pi f)A$.

Kita perlu mencari $k$ terlebih dahulu atau menggunakan hubungan lain.
Perhatikan bahwa $EKmax = 0.5$ J.
Dalam GHS, energi total $E = frac12kA^2$. Jika $EKmax = 0.5$ J, maka energi total sistem adalah 0.5 J.
$E = 0.5$ J.
Amplitudo $A = 10$ cm = 0.1 m.
$E = frac12kA^2$
$0.5 text J = frac12k(0.1 text m)^2$
$0.5 = frac12k(0.01)$
$1 = k(0.01)$
$k = 100$ N/m.

Sekarang kita punya konstanta pegas. Hubungan antara $omega$ dan $k$ serta $m$: $omega = sqrtfrackm$.
$omega = sqrtfrac100 text N/m0.1 text kg = sqrt1000$ rad/s.

Karena $omega = 2pi f$, maka:
$f = fracomega2pi = fracsqrt10002pi$ Hz.
$sqrt1000 approx 31.62$.
$f approx frac31.622 times 3.14 approx frac31.626.28 approx 5.03$ Hz.

Jadi, frekuensi getaran pegas tersebut adalah sekitar 5.03 Hz.

Contoh Soal 5.2:

Gelombang merambat pada seutas tali dengan cepat rambat 10 m/s. Jika panjang gelombang gelombang tersebut adalah 2 meter, berapakah frekuensi dan periode gelombang tersebut?

Pembahasan:

Diketahui:

Cepat rambat gelombang, $v = 10$ m/s
Panjang gelombang, $lambda = 2$ m

Mencari frekuensi ($f$):
Gunakan rumus $v = lambda f$.
$10 text m/s = (2 text m) times f$
$f = frac10 text m/s2 text m$
$f = 5$ Hz.

Mencari periode ($T$):
Gunakan rumus $T = frac1f$.
$T = frac15 text Hz$
$T = 0.2$ s.

Jadi, frekuensi gelombang tersebut adalah 5 Hz dan periodenya adalah 0.2 detik.

Strategi Belajar yang Efektif

Untuk menguasai materi fisika semester 2 kelas 1 SMK, terapkan strategi berikut:

Pahami Konsep Dasar: Jangan hanya menghafal rumus, tapi pahami makna fisik di baliknya. Apa arti gaya? Apa itu energi? Bagaimana momentum berubah?
Latihan Soal Rutin: Kerjakan berbagai variasi soal, mulai dari yang mudah hingga yang menantang. Gunakan contoh soal di atas sebagai titik awal.
Analisis Soal: Sebelum menghitung, identifikasi apa yang diketahui dan apa yang ditanyakan dalam soal. Gambar diagram benda bebas jika diperlukan.
Perhatikan Satuan: Pastikan semua satuan konsisten. Konversi satuan jika perlu (misalnya, cm ke m, gram ke kg).
Diskusikan dengan Teman: Belajar kelompok dapat membantu Anda melihat soal dari berbagai sudut pandang dan memahami konsep yang sulit.
Manfaatkan Sumber Belajar: Gunakan buku paket, catatan guru, internet, dan aplikasi pembelajaran fisika.
Tanyakan pada Guru: Jangan ragu untuk bertanya kepada guru jika ada materi atau soal yang tidak Anda pahami.

Penutup

Mempelajari fisika di SMK kelas 1 semester 2 memang membutuhkan ketekunan dan pemahaman yang baik. Dengan menguasai konsep-konsep dasar dinamika, usaha dan energi, impuls dan momentum, fluida statis, serta getaran dan gelombang, Anda telah membangun fondasi yang kuat untuk studi fisika lebih lanjut dan aplikasi praktis di dunia kerja. Contoh soal dan pembahasan yang disajikan di atas diharapkan dapat menjadi alat bantu yang efektif dalam proses belajar Anda. Teruslah berlatih, jangan menyerah, dan raih hasil terbaik dalam pemahaman fisika Anda!

Menguasai Fisika SMK Kelas 1 Semester 2: Panduan Lengkap dengan Contoh Soal dan Pembahasan