Fisika, sebagai ilmu yang mempelajari alam semesta dari skala terkecil hingga terbesar, seringkali dianggap sebagai mata pelajaran yang menantang. Namun, bagi siswa SMK, pemahaman fisika bukan hanya sekadar teori, melainkan kunci untuk mengaplikasikan prinsip-prinsip ilmiah dalam bidang kejuruan yang mereka pilih. Semester 2 kelas X SMK biasanya memfokuskan pada topik-topik penting yang menjadi fondasi untuk mata pelajaran fisika lanjutan dan praktik kejuruan.
Artikel ini akan membawa Anda menyelami materi fisika kelas X SMK semester 2 melalui contoh-contoh soal yang relevan, disertai dengan pembahasan mendalam. Tujuannya adalah untuk membekali siswa dengan pemahaman yang kuat, kemampuan analisis yang terasah, dan kepercayaan diri dalam menghadapi ujian maupun aplikasi praktis.
Topik-Topik Kunci Fisika Kelas X SMK Semester 2
Umumnya, semester 2 fisika kelas X SMK akan mencakup beberapa bab fundamental, antara lain:
- Usaha, Energi, dan Daya: Memahami bagaimana gaya dapat menghasilkan perubahan pada suatu objek, serta konsep energi kinetik, energi potensial, dan bagaimana energi dapat berubah bentuk.
- Momentum dan Impuls: Menganalisis bagaimana benda bergerak dan bagaimana interaksi singkat (impuls) dapat mengubah momentum.
- Gerak Melingkar: Mempelajari gerakan benda yang berputar pada lintasan lingkaran, termasuk kecepatan sudut, percepatan sudut, dan gaya sentripetal.
- Fluida Statis (Hidrostatika): Memahami sifat-sifat fluida dalam keadaan diam, seperti tekanan hidrostatis, hukum Pascal, dan hukum Archimedes.
- Fluida Dinamis (Hidrodinamika): Mempelajari sifat-sifat fluida yang bergerak, termasuk debit, persamaan kontinuitas, dan persamaan Bernoulli.
Mari kita bedah setiap topik dengan contoh soal dan pembahasannya.
Bab 1: Usaha, Energi, dan Daya
Konsep Dasar:
- Usaha (W): Didefinisikan sebagai hasil kali antara gaya yang bekerja pada benda dan perpindahan benda dalam arah gaya tersebut. Rumusnya: $W = F cdot s cdot cos theta$. Jika gaya sejajar dengan perpindahan, $cos theta = 1$, sehingga $W = F cdot s$. Satuan usaha adalah Joule (J).
- Energi: Kemampuan untuk melakukan usaha. Ada berbagai bentuk energi, yang paling relevan di sini adalah:
- Energi Kinetik ($E_k$): Energi yang dimiliki benda karena geraknya. Rumusnya: $E_k = frac12mv^2$. Satuan energi adalah Joule (J).
- Energi Potensial ($E_p$): Energi yang dimiliki benda karena posisi atau konfigurasinya.
- Energi Potensial Gravitasi: Rumusnya: $E_p = mgh$. Satuan energi adalah Joule (J).
- Daya (P): Laju melakukan usaha atau laju perubahan energi. Rumusnya: $P = fracWt$ atau $P = fracDelta Et$. Satuan daya adalah Watt (W).
- Hukum Kekekalan Energi Mekanik: Jika hanya gaya konservatif (seperti gravitasi) yang bekerja pada sistem, energi mekanik total (jumlah energi kinetik dan energi potensial) akan tetap konstan. $E_m = E_k + E_p = textkonstan$.
Contoh Soal 1.1:
Sebuah balok bermassa 5 kg ditarik oleh gaya konstan sebesar 20 N sejajar dengan lantai datar. Jika balok berpindah sejauh 4 meter, berapakah usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut? Jika gaya bekerja selama 2 detik, berapakah daya yang dihasilkan?
Pembahasan 1.1:
Diketahui:
- Massa balok ($m$) = 5 kg (informasi ini tidak langsung digunakan untuk menghitung usaha, namun mungkin relevan untuk soal energi)
- Gaya ($F$) = 20 N
- Perpindahan ($s$) = 4 m
- Arah gaya sejajar dengan perpindahan, sehingga $cos theta = cos 0^circ = 1$.
- Waktu ($t$) = 2 s
Ditanya:
- Usaha ($W$)
- Daya ($P$)
Menghitung Usaha:
Menggunakan rumus usaha: $W = F cdot s cdot cos theta$
$W = 20 , textN cdot 4 , textm cdot 1$
$W = 80 , textJoule$
Menghitung Daya:
Menggunakan rumus daya: $P = fracWt$
$P = frac80 , textJ2 , texts$
$P = 40 , textWatt$
Jawaban: Usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut adalah 80 Joule, dan daya yang dihasilkan adalah 40 Watt.
Contoh Soal 1.2:
Sebuah bola bermassa 0.5 kg jatuh bebas dari ketinggian 10 meter di atas tanah. Tentukan energi kinetik bola saat menyentuh tanah. (Gunakan percepatan gravitasi $g = 10 , textm/s^2$).
Pembahasan 1.2:
Diketahui:
- Massa bola ($m$) = 0.5 kg
- Ketinggian awal ($h_1$) = 10 m
- Ketinggian akhir ($h_2$) = 0 m (saat menyentuh tanah)
- Percepatan gravitasi ($g$) = 10 m/s²
Ditanya:
- Energi kinetik saat menyentuh tanah ($E_k2$)
Kita bisa menggunakan Hukum Kekekalan Energi Mekanik. Energi mekanik di titik awal sama dengan energi mekanik di titik akhir.
Energi Mekanik Awal ($Em1$):
Di ketinggian 10 m, bola dianggap masih diam sesaat sebelum jatuh, jadi energi kinetiknya nol.
$Ek1 = frac12mv1^2 = 0$
$Ep1 = mgh1 = 0.5 , textkg cdot 10 , textm/s^2 cdot 10 , textm = 50 , textJoule$
$Em1 = Ek1 + Ep1 = 0 + 50 , textJ = 50 , textJoule$
Energi Mekanik Akhir ($Em2$):
Di ketinggian 0 m (tanah), energi potensialnya nol.
$Ep2 = mgh2 = 0.5 , textkg cdot 10 , textm/s^2 cdot 0 , textm = 0 , textJoule$
$Em2 = Ek2 + Ep2 = Ek2 + 0 = Ek2$
Menurut Hukum Kekekalan Energi Mekanik:
$Em1 = Em2$
$50 , textJoule = E_k2$
Alternatif Menggunakan Konsep Usaha:
Usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi sama dengan perubahan energi kinetik.
Usaha oleh gravitasi ($W_g$) = Perubahan Energi Kinetik ($Delta E_k$)
$Wg = Ep1 – E_p2$ (karena gaya gravitasi searah dengan perpindahan saat jatuh)
$W_g = mgh_1 – mgh_2 = 0.5 cdot 10 cdot 10 – 0.5 cdot 10 cdot 0 = 50 , textJoule$
$W_g = Delta Ek = Ek2 – Ek1$
$50 , textJ = Ek2 – 0$
$E_k2 = 50 , textJoule$
Jawaban: Energi kinetik bola saat menyentuh tanah adalah 50 Joule.
Bab 2: Momentum dan Impuls
Konsep Dasar:
- Momentum ($p$): Ukuran kecenderungan suatu benda untuk terus bergerak. Didefinisikan sebagai hasil kali massa benda dengan kecepatannya. Rumusnya: $p = m cdot v$. Momentum adalah besaran vektor. Satuan momentum adalah kg m/s.
- Impuls ($I$): Perubahan momentum suatu benda. Didefinisikan sebagai hasil kali gaya yang bekerja pada benda dan selang waktu gaya tersebut bekerja. Rumusnya: $I = F cdot Delta t$. Impuls juga merupakan besaran vektor. Satuan impuls adalah Ns (Newton sekon).
- Hubungan Impuls dan Momentum: Impuls sama dengan perubahan momentum. $I = Delta p = ptextakhir – ptextawal = m cdot vtextakhir – m cdot vtextawal$.
- Hukum Kekekalan Momentum: Jika tidak ada gaya luar yang bekerja pada suatu sistem, momentum total sistem akan tetap konstan. Ini berlaku untuk tumbukan.
Contoh Soal 2.1:
Sebuah bola bowling bermassa 6 kg bergerak dengan kecepatan 3 m/s ke arah kanan. Bola tersebut kemudian menabrak sebuah pin. Setelah tumbukan, bola bowling memantul kembali dengan kecepatan 1 m/s ke arah kiri. Tentukan besar impuls yang dialami oleh bola bowling.
Pembahasan 2.1:
Diketahui:
- Massa bola ($m$) = 6 kg
- Kecepatan awal ($v_1$) = +3 m/s (dianggap positif ke kanan)
- Kecepatan akhir ($v_2$) = -1 m/s (ke kiri dianggap negatif)
Ditanya:
- Impuls ($I$)
Menghitung Impuls:
Menggunakan rumus impuls sebagai perubahan momentum: $I = m cdot v_2 – m cdot v_1$
$I = (6 , textkg cdot (-1 , textm/s)) – (6 , textkg cdot 3 , textm/s)$
$I = -6 , textkg m/s – 18 , textkg m/s$
$I = -24 , textkg m/s$
Tanda negatif menunjukkan arah impuls berlawanan dengan arah kecepatan awal (ke kiri). Besar impulsnya adalah 24 kg m/s.
Jawaban: Besar impuls yang dialami oleh bola bowling adalah 24 kg m/s ke arah kiri.
Contoh Soal 2.2:
Dua buah mobil, mobil A bermassa 1000 kg bergerak dengan kecepatan 20 m/s, dan mobil B bermassa 1500 kg bergerak dengan kecepatan 10 m/s berlawanan arah. Kedua mobil bertabrakan dan kemudian bergerak bersama-sama setelah tumbukan. Tentukan kecepatan kedua mobil setelah bertabrakan.
Pembahasan 2.2:
Diketahui:
- Massa mobil A ($m_A$) = 1000 kg
- Kecepatan awal mobil A ($v_A1$) = +20 m/s (anggap kanan positif)
- Massa mobil B ($m_B$) = 1500 kg
- Kecepatan awal mobil B ($v_B1$) = -10 m/s (lawan arah, jadi negatif)
Ditanya:
- Kecepatan bersama setelah tumbukan ($v_textbersama$)
Ini adalah contoh tumbukan tidak lenting sama sekali, di mana kedua benda bergerak bersama setelah tumbukan. Kita gunakan Hukum Kekekalan Momentum.
Momentum total sebelum tumbukan ($ptextawal$):
$ptextawal = p_A + pB$
$ptextawal = mA cdot vA1 + mB cdot vB1$
$ptextawal = (1000 , textkg cdot 20 , textm/s) + (1500 , textkg cdot (-10 , textm/s))$
$ptextawal = 20000 , textkg m/s – 15000 , textkg m/s$
$p_textawal = 5000 , textkg m/s$
Momentum total setelah tumbukan ($p_textakhir$):
Karena kedua mobil bergerak bersama, massa totalnya adalah $m_A + mB$, dan kecepatannya sama ($vtextbersama$).
$p_textakhir = (m_A + mB) cdot vtextbersama$
$ptextakhir = (1000 , textkg + 1500 , textkg) cdot vtextbersama$
$ptextakhir = 2500 , textkg cdot vtextbersama$
Menurut Hukum Kekekalan Momentum:
$ptextawal = ptextakhir$
$5000 , textkg m/s = 2500 , textkg cdot v_textbersama$
$vtextbersama = frac5000 , textkg m/s2500 , textkg$
$vtextbersama = 2 , textm/s$
Tanda positif menunjukkan arah gerakan gabungan adalah ke kanan.
Jawaban: Kecepatan kedua mobil setelah bertabrakan adalah 2 m/s ke arah kanan.
Bab 3: Gerak Melingkar
Konsep Dasar:
- Gerak Melingkar Beraturan (GMB): Gerak benda pada lintasan lingkaran dengan laju linear (kecepatan) dan laju sudut (kecepatan sudut) yang konstan.
- Kecepatan Sudut ($omega$): Laju perubahan posisi sudut. Rumusnya: $omega = fracDelta thetaDelta t$. Satuan SI adalah radian per sekon (rad/s). Hubungan dengan kecepatan linear ($v$): $v = omega cdot r$, di mana $r$ adalah jari-jari lintasan.
- Periode (T): Waktu yang dibutuhkan untuk satu putaran penuh. $T = frac2piomega$.
- Frekuensi (f): Jumlah putaran per satuan waktu. $f = frac1T = fracomega2pi$. Satuan frekuensi adalah Hertz (Hz).
- Percepatan Sentripetal ($a_s$): Percepatan yang selalu mengarah ke pusat lingkaran, menyebabkan benda mengubah arah geraknya. Rumusnya: $a_s = fracv^2r = omega^2 r$.
- Gaya Sentripetal ($F_s$): Gaya yang menyebabkan percepatan sentripetal. Rumusnya: $F_s = m cdot a_s = m fracv^2r = m omega^2 r$.
Contoh Soal 3.1:
Sebuah benda bergerak melingkar dengan jari-jari 0.5 meter. Jika benda tersebut melakukan 120 putaran dalam 1 menit, tentukan:
a. Frekuensi putaran
b. Periode putaran
c. Kecepatan sudut
d. Kecepatan linear benda
Pembahasan 3.1:
Diketahui:
- Jari-jari ($r$) = 0.5 m
- Jumlah putaran = 120 putaran
- Waktu ($t$) = 1 menit = 60 detik
Ditanya:
- Frekuensi ($f$)
- Periode ($T$)
- Kecepatan sudut ($omega$)
- Kecepatan linear ($v$)
a. Frekuensi (f):
Frekuensi adalah jumlah putaran per satuan waktu.
$f = fractextJumlah putaranwaktu$
$f = frac120 , textputaran60 , texts$
$f = 2 , textHz$
b. Periode (T):
Periode adalah kebalikan dari frekuensi.
$T = frac1f$
$T = frac12 , textHz$
$T = 0.5 , texts$
c. Kecepatan Sudut ($omega$):
Kecepatan sudut dapat dihitung menggunakan frekuensi: $omega = 2pi f$.
$omega = 2pi cdot (2 , textHz)$
$omega = 4pi , textrad/s$
d. Kecepatan Linear (v):
Kecepatan linear dihubungkan dengan kecepatan sudut dan jari-jari: $v = omega cdot r$.
$v = (4pi , textrad/s) cdot (0.5 , textm)$
$v = 2pi , textm/s$
Jawaban:
a. Frekuensi putaran adalah 2 Hz.
b. Periode putaran adalah 0.5 detik.
c. Kecepatan sudut adalah $4pi$ rad/s.
d. Kecepatan linear benda adalah $2pi$ m/s.
Contoh Soal 3.2:
Sebuah mobil sedang berbelok di tikungan melingkar dengan jari-jari 50 meter. Jika massa mobil adalah 1200 kg dan kecepatan mobil adalah 20 m/s, berapakah gaya sentripetal yang bekerja pada mobil tersebut?
Pembahasan 3.2:
Diketahui:
- Jari-jari lintasan ($r$) = 50 m
- Massa mobil ($m$) = 1200 kg
- Kecepatan linear ($v$) = 20 m/s
Ditanya:
- Gaya sentripetal ($F_s$)
Menghitung Gaya Sentripetal:
Menggunakan rumus gaya sentripetal: $F_s = m fracv^2r$
$F_s = 1200 , textkg cdot frac(20 , textm/s)^250 , textm$
$F_s = 1200 , textkg cdot frac400 , textm^2/texts^250 , textm$
$F_s = 1200 , textkg cdot 8 , textm/s^2$
$F_s = 9600 , textkg m/s^2$
$F_s = 9600 , textNewton$
Gaya sentripetal ini berasal dari gaya gesek antara ban mobil dan permukaan jalan.
Jawaban: Gaya sentripetal yang bekerja pada mobil tersebut adalah 9600 Newton.
Bab 4: Fluida Statis (Hidrostatika)
Konsep Dasar:
- Fluida: Zat yang dapat mengalir, baik cair maupun gas.
- Tekanan (P): Gaya yang bekerja per satuan luas. Rumusnya: $P = fracFA$. Satuan Pascal (Pa) atau N/m².
- Tekanan Hidrostatis ($P_h$): Tekanan yang dialami oleh fluida akibat beratnya sendiri. Besarnya bergantung pada kedalaman, massa jenis fluida, dan percepatan gravitasi. Rumusnya: $P_h = rho cdot g cdot h$.
- $rho$ (rho): massa jenis fluida (kg/m³)
- $g$: percepatan gravitasi (m/s²)
- $h$: kedalaman (m)
- Hukum Pascal: Tekanan yang diberikan pada fluida tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan sama besar. Ini menjadi dasar kerja dongkrak hidrolik. $P_1 = P_2 implies fracF_1A_1 = fracF_2A_2$.
- Hukum Archimedes: Benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam fluida akan mengalami gaya angkat ke atas yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut. $Ftextangkat = rhotextfluida cdot g cdot V_textcelup$.
Contoh Soal 4.1:
Sebuah tangki air berbentuk balok memiliki kedalaman 2 meter. Jika massa jenis air adalah $1000 , textkg/m^3$ dan percepatan gravitasi $10 , textm/s^2$, hitunglah tekanan hidrostatis di dasar tangki. Jika luas dasar tangki adalah $5 , textm^2$, berapakah gaya tekan hidrostatis di dasar tangki?
Pembahasan 4.1:
Diketahui:
- Kedalaman ($h$) = 2 m
- Massa jenis air ($rho$) = $1000 , textkg/m^3$
- Percepatan gravitasi ($g$) = $10 , textm/s^2$
- Luas dasar tangki ($A$) = $5 , textm^2$
Ditanya:
- Tekanan hidrostatis ($P_h$)
- Gaya tekan hidrostatis ($F_h$)
a. Tekanan Hidrostatis ($P_h$):
Menggunakan rumus tekanan hidrostatis: $P_h = rho cdot g cdot h$
$P_h = (1000 , textkg/m^3) cdot (10 , textm/s^2) cdot (2 , textm)$
$P_h = 20000 , textPa$ atau $20 , textkPa$
b. Gaya Tekan Hidrostatis ($F_h$):
Gaya tekan hidrostatis adalah tekanan dikalikan luas area: $F_h = P_h cdot A$
$F_h = (20000 , textPa) cdot (5 , textm^2)$
$F_h = 100000 , textN$ atau $100 , textkN$
Jawaban: Tekanan hidrostatis di dasar tangki adalah 20000 Pa, dan gaya tekan hidrostatis di dasar tangki adalah 100000 N.
Contoh Soal 4.2:
Sebuah balok kayu tenggelam sebagian dalam air. Diketahui massa jenis air adalah $1000 , textkg/m^3$, massa jenis balok kayu adalah $600 , textkg/m^3$, dan percepatan gravitasi $10 , textm/s^2$. Jika volume balok kayu yang tercelup dalam air adalah $0.003 , textm^3$, berapakah gaya angkat yang dialami balok tersebut?
Pembahasan 4.2:
Diketahui:
- Massa jenis air ($rho_textair$) = $1000 , textkg/m^3$
- Massa jenis balok ($rho_textbalok$) = $600 , textkg/m^3$
- Percepatan gravitasi ($g$) = $10 , textm/s^2$
- Volume balok yang tercelup ($V_textcelup$) = $0.003 , textm^3$
Ditanya:
- Gaya angkat ($F_textangkat$)
Menghitung Gaya Angkat:
Menggunakan rumus Hukum Archimedes: $Ftextangkat = rhotextfluida cdot g cdot Vtextcelup$
$Ftextangkat = (1000 , textkg/m^3) cdot (10 , textm/s^2) cdot (0.003 , textm^3)$
$F_textangkat = 30 , textN$
Untuk mengetahui apakah balok terapung atau tenggelam, kita bisa membandingkan gaya angkat dengan berat balok. Berat balok: $Wtextbalok = rhotextbalok cdot g cdot Vtexttotal$. Kita belum tahu $Vtexttotal$, namun karena gaya angkat (30 N) lebih kecil dari berat balok (yang pasti lebih besar dari 30 N jika tercelup sebagian), balok akan tenggelam sebagian.
Jawaban: Gaya angkat yang dialami balok tersebut adalah 30 Newton.
Bab 5: Fluida Dinamis (Hidrodinamika)
Konsep Dasar:
- Debit (Q): Volume fluida yang mengalir per satuan waktu. Rumusnya: $Q = fracVt$ atau $Q = A cdot v$, di mana $A$ adalah luas penampang dan $v$ adalah kecepatan aliran. Satuan debit adalah m³/s.
- Persamaan Kontinuitas: Untuk fluida ideal yang tidak termampatkan, laju aliran massa di setiap titik dalam aliran adalah konstan. Ini berarti hasil kali luas penampang dan kecepatan aliran adalah konstan. $A_1 v_1 = A_2 v_2$.
- Prinsip Bernoulli: Dalam aliran fluida horizontal yang ideal, jumlah tekanan statis, tekanan dinamis, dan tekanan hidrostatis adalah konstan. Namun, dalam konteks dasar untuk siswa SMK, seringkali difokuskan pada hubungan antara kecepatan dan tekanan: di tempat yang kecepatannya tinggi, tekanannya rendah, dan sebaliknya. Dalam bentuk yang disederhanakan untuk aliran horizontal: $P + frac12rho v^2 = textkonstan$.
Contoh Soal 5.1:
Air mengalir melalui pipa dengan luas penampang awal $A_1 = 0.02 , textm^2$ dengan kecepatan $v_1 = 5 , textm/s$. Pipa kemudian menyempit sehingga luas penampang menjadi $A_2 = 0.005 , textm^2$. Berapakah kecepatan air pada bagian pipa yang menyempit tersebut?
Pembahasan 5.1:
Diketahui:
- Luas penampang awal ($A_1$) = $0.02 , textm^2$
- Kecepatan awal ($v_1$) = $5 , textm/s$
- Luas penampang akhir ($A_2$) = $0.005 , textm^2$
Ditanya:
- Kecepatan akhir ($v_2$)
Menghitung Kecepatan Akhir:
Menggunakan Persamaan Kontinuitas: $A_1 v_1 = A_2 v_2$
$(0.02 , textm^2) cdot (5 , textm/s) = (0.005 , textm^2) cdot v_2$
$0.1 , textm^3/texts = 0.005 , textm^2 cdot v_2$
$v_2 = frac0.1 , textm^3/texts0.005 , textm^2$
$v_2 = 20 , textm/s$
Jawaban: Kecepatan air pada bagian pipa yang menyempit adalah 20 m/s.
Contoh Soal 5.2:
Sebuah selang air dengan diameter 2 cm digunakan untuk mengisi ember berkapasitas 10 liter. Jika diperlukan waktu 20 detik untuk mengisi ember tersebut, berapakah debit air yang keluar dari selang?
Pembahasan 5.2:
Diketahui:
- Kapasitas ember (Volume, $V$) = 10 liter = $10 times 10^-3 , textm^3$ (karena 1 liter = 0.001 m³)
- Waktu ($t$) = 20 detik
Ditanya:
- Debit ($Q$)
Menghitung Debit:
Menggunakan rumus debit: $Q = fracVt$
$Q = frac10 times 10^-3 , textm^320 , texts$
$Q = 0.5 times 10^-3 , textm^3/texts$
$Q = 0.0005 , textm^3/texts$
Atau dalam liter per detik:
$Q = frac10 , textliter20 , texts = 0.5 , textliter/s$
Diameter selang (2 cm) tidak diperlukan dalam perhitungan ini, kecuali jika ditanya tentang kecepatan aliran air di dalam selang.
Jawaban: Debit air yang keluar dari selang adalah $0.0005 , textm^3/texts$ atau 0.5 liter/s.
Penutup
Memahami contoh-contoh soal ini dan pembahasannya secara menyeluruh akan sangat membantu siswa SMK dalam menguasai materi fisika semester 2 kelas X. Ingatlah bahwa fisika adalah tentang pemahaman konsep dan kemampuan menerapkannya. Latihan soal yang konsisten, serta menghubungkan konsep fisika dengan praktik kejuruan masing-masing, akan menjadi kunci keberhasilan.
Jika ada materi yang masih kurang dipahami, jangan ragu untuk bertanya kepada guru atau mencari sumber belajar tambahan. Selamat belajar dan semoga sukses!
Tinggalkan Balasan