Fisika, sebagai ilmu yang mempelajari alam semesta beserta segala fenomena di dalamnya, seringkali dianggap menantang. Namun, dengan pemahaman konsep yang kuat dan latihan soal yang terarah, materi fisika dapat dikuasai dengan baik. Kurikulum 2018 untuk jenjang SMA telah dirancang untuk membangun pemahaman siswa secara bertahap, dan semester 2 kelas XI merupakan periode krusial di mana siswa mendalami berbagai topik penting.
Artikel ini akan menjadi panduan komprehensif bagi siswa kelas XI yang sedang mempersiapkan diri menghadapi ujian atau sekadar ingin memperdalam pemahaman materi fisika semester 2 berdasarkan Kurikulum 2018. Kita akan menjelajahi topik-topik utama yang diajarkan, dilengkapi dengan contoh-contoh soal yang bervariasi, mulai dari tingkat dasar hingga tingkat yang lebih menantang.
Topik Utama Fisika Kelas XI Semester 2 (Kurikulum 2018)
Kurikulum 2018 untuk fisika kelas XI semester 2 umumnya mencakup beberapa bab inti yang saling terkait, membangun fondasi untuk materi di tingkat selanjutnya. Topik-topik tersebut antara lain:
- Fluida Statis: Mempelajari tentang zat cair dan gas dalam keadaan diam. Ini mencakup tekanan hidrostatis, hukum Archimedes, tegangan permukaan, dan kapilaritas.
- Fluida Dinamis: Mempelajari tentang zat cair dan gas dalam keadaan bergerak. Konsep utama di sini adalah persamaan kontinuitas dan hukum Bernoulli.
- Suhu, Kalor, dan Pemuaian: Membahas tentang konsep suhu, pengukuran suhu, perpindahan kalor (konduksi, konveksi, radiasi), dan perubahan wujud zat serta pemuaian berbagai zat.
- Gelombang Mekanik: Mempelajari tentang gelombang yang membutuhkan medium untuk merambat, seperti gelombang transversal dan longitudinal, serta konsep cepat rambat gelombang, panjang gelombang, frekuensi, dan amplitudo.
- Bunyi: Mendalami sifat-sifat gelombang bunyi, cepat rambat bunyi, efek Doppler, intensitas bunyi, dan taraf intensitas bunyi.
- Cahaya dan Optik Geometri: Mempelajari sifat-sifat cahaya, pemantulan, pembiasan, cermin datar, cermin lengkung (cekung dan cembung), lensa tipis (cembung dan cekung), serta alat-alat optik sederhana seperti mata, lup, mikroskop, dan teleskop.
Mari kita bedah setiap topik dengan contoh soal yang relevan.
1. Fluida Statis: Menjelajahi Tekanan dan Gaya Apung
Bab fluida statis mengajarkan bagaimana zat cair dan gas memberikan tekanan dan gaya pada benda yang terendam di dalamnya.
Konsep Kunci:
- Tekanan Hidrostatis: Tekanan yang disebabkan oleh berat zat cair. Dihitung dengan rumus $P = rho cdot g cdot h$, di mana $rho$ adalah massa jenis fluida, $g$ adalah percepatan gravitasi, dan $h$ adalah kedalaman.
- Hukum Archimedes: Gaya apung yang dialami benda yang tercelup dalam fluida sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut. $Fapung = rhofluida cdot V_celup cdot g$.
Contoh Soal 1:
Sebuah tangki air memiliki kedalaman 2 meter. Jika massa jenis air adalah $1000 , textkg/m^3$ dan percepatan gravitasi $10 , textm/s^2$, berapakah tekanan hidrostatis di dasar tangki?
Pembahasan:
Diketahui:
- Kedalaman ($h$) = 2 m
- Massa jenis air ($rho$) = $1000 , textkg/m^3$
- Percepatan gravitasi ($g$) = $10 , textm/s^2$
Ditanya: Tekanan hidrostatis ($P$)
Menggunakan rumus $P = rho cdot g cdot h$:
$P = 1000 , textkg/m^3 cdot 10 , textm/s^2 cdot 2 , textm$
$P = 20.000 , textPa$ atau $20 , textkPa$
Jadi, tekanan hidrostatis di dasar tangki adalah $20.000 , textPa$.
Contoh Soal 2:
Sebuah balok kayu dengan volume $0.02 , textm^3$ dicelupkan ke dalam air. Jika massa jenis air adalah $1000 , textkg/m^3$ dan percepatan gravitasi $10 , textm/s^2$, berapakah gaya apung yang dialami balok kayu tersebut jika seluruhnya tercelup?
Pembahasan:
Diketahui:
- Volume balok yang tercelup ($V_celup$) = $0.02 , textm^3$
- Massa jenis air ($rho_fluida$) = $1000 , textkg/m^3$
- Percepatan gravitasi ($g$) = $10 , textm/s^2$
Ditanya: Gaya apung ($F_apung$)
Menggunakan rumus $Fapung = rhofluida cdot Vcelup cdot g$:
$Fapung = 1000 , textkg/m^3 cdot 0.02 , textm^3 cdot 10 , textm/s^2$
$F_apung = 200 , textN$
Jadi, gaya apung yang dialami balok kayu adalah $200 , textN$.
2. Fluida Dinamis: Aliran Zat Cair dan Prinsip Bernoulli
Bab fluida dinamis berfokus pada pergerakan zat cair dan gas, di mana dua prinsip utama menjadi dasar analisis.
Konsep Kunci:
- Persamaan Kontinuitas: Untuk aliran fluida ideal yang tidak termampatkan, laju aliran volume ($Q$) konstan. $A_1 v_1 = A_2 v_2$, di mana $A$ adalah luas penampang dan $v$ adalah kecepatan fluida.
- Hukum Bernoulli: Menyatakan bahwa jumlah tekanan, energi kinetik per satuan volume, dan energi potensial per satuan volume di sepanjang aliran fluida adalah konstan. $P + frac12 rho v^2 + rho g h = textkonstan$.
Contoh Soal 3:
Sebuah pipa memiliki luas penampang $0.05 , textm^2$ di bagian yang lebar. Kecepatan aliran air di bagian ini adalah $2 , textm/s$. Jika pipa menyempit ke luas penampang $0.02 , textm^2$, berapakah kecepatan aliran air di bagian yang sempit?
Pembahasan:
Diketahui:
- Luas penampang 1 ($A_1$) = $0.05 , textm^2$
- Kecepatan 1 ($v_1$) = $2 , textm/s$
- Luas penampang 2 ($A_2$) = $0.02 , textm^2$
Ditanya: Kecepatan 2 ($v_2$)
Menggunakan persamaan kontinuitas $A_1 v_1 = A_2 v_2$:
$0.05 , textm^2 cdot 2 , textm/s = 0.02 , textm^2 cdot v_2$
$0.1 , textm^3/texts = 0.02 , textm^2 cdot v_2$
$v_2 = frac0.1 , textm^3/texts0.02 , textm^2$
$v_2 = 5 , textm/s$
Jadi, kecepatan aliran air di bagian yang sempit adalah $5 , textm/s$.
Contoh Soal 4:
Sebuah pipa horizontal dialiri air dengan massa jenis $1000 , textkg/m^3$. Pada bagian pertama pipa, diameter $0.1 , textm$ dan tekanannya $200.000 , textPa$. Pada bagian kedua yang lebih sempit, diameter $0.05 , textm$ dan ketinggian sama dengan bagian pertama. Berapakah tekanan pada bagian kedua pipa? (Gunakan $pi approx 3.14$, $g = 10 , textm/s^2$).
Pembahasan:
Diketahui:
- $rho = 1000 , textkg/m^3$
- $d_1 = 0.1 , textm implies r_1 = 0.05 , textm implies A_1 = pi r_1^2 = 3.14 cdot (0.05)^2 = 3.14 cdot 0.0025 = 0.00785 , textm^2$
- $P_1 = 200.000 , textPa$
- $d_2 = 0.05 , textm implies r_2 = 0.025 , textm implies A_2 = pi r_2^2 = 3.14 cdot (0.025)^2 = 3.14 cdot 0.000625 = 0.0019625 , textm^2$
- $h_1 = h_2$ (pipa horizontal)
Ditanya: $P_2$
Pertama, cari kecepatan $v_1$ dan $v_2$ menggunakan persamaan kontinuitas $A_1 v_1 = A_2 v_2$. Kita asumsikan $v_1$ adalah kecepatan di bagian pertama, dan kita perlu mencarinya terlebih dahulu. Jika tidak ada informasi mengenai $v_1$, soal seperti ini biasanya memerlukan asumsi awal atau informasi tambahan. Mari kita asumsikan kecepatan di bagian pertama adalah $v_1$.
$v_2 = fracA_1A_2 v_1 = frac0.007850.0019625 v_1 = 4 v_1$
Sekarang gunakan hukum Bernoulli. Karena $h_1 = h_2$, suku $rho g h$ akan saling menghilangkan:
$P_1 + frac12 rho v_1^2 = P_2 + frac12 rho v_2^2$
$P_2 = P_1 + frac12 rho (v_1^2 – v_2^2)$
Kita perlu nilai $v_1$. Tanpa nilai $v_1$, soal ini tidak bisa diselesaikan secara numerik. Anggaplah sebagai latihan konsep. Jika soal memberikan $v_1 = 1 , textm/s$, maka:
$v_2 = 4 cdot 1 , textm/s = 4 , textm/s$
$P_2 = 200.000 , textPa + frac12 cdot 1000 , textkg/m^3 cdot ((1 , textm/s)^2 – (4 , textm/s)^2)$
$P_2 = 200.000 , textPa + 500 , textkg/m^3 cdot (1 , textm^2/texts^2 – 16 , textm^2/texts^2)$
$P_2 = 200.000 , textPa + 500 , textkg/m^3 cdot (-15 , textm^2/texts^2)$
$P_2 = 200.000 , textPa – 7500 , textPa$
$P_2 = 192.500 , textPa$
Catatan: Soal ini seringkali dirancang untuk menguji pemahaman bahwa di bagian yang lebih sempit (kecepatan lebih tinggi), tekanan menjadi lebih rendah.
3. Suhu, Kalor, dan Pemuaian: Energi Termal dan Perubahannya
Bab ini mengeksplorasi konsep energi panas, bagaimana ia berpindah, dan efeknya terhadap materi.
Konsep Kunci:
- Perpindahan Kalor: Konduksi (melalui zat padat), Konveksi (melalui pergerakan fluida), Radiasi (melalui gelombang elektromagnetik).
- Perubahan Wujud Zat: Peleburan, pembekuan, penguapan, pengembunan, sublimasi.
- Pemuaian: Bertambahnya ukuran benda akibat kenaikan suhu (pemuaian panjang, luas, dan volume).
Contoh Soal 5:
Sebuah batang logam memiliki panjang $2 , textm$ pada suhu $20^circ textC$. Jika koefisien muai panjang logam tersebut adalah $12 times 10^-6 , ^circtextC^-1$, berapakah panjang batang logam tersebut pada suhu $70^circ textC$?
Pembahasan:
Diketahui:
- Panjang awal ($L_0$) = $2 , textm$
- Suhu awal ($T_0$) = $20^circ textC$
- Suhu akhir ($T$) = $70^circ textC$
- Koefisien muai panjang ($alpha$) = $12 times 10^-6 , ^circtextC^-1$
Ditanya: Panjang akhir ($L$)
Perubahan suhu ($Delta T$) = $T – T_0 = 70^circ textC – 20^circ textC = 50^circ textC$.
Menggunakan rumus pemuaian panjang $L = L_0 (1 + alpha Delta T)$:
$L = 2 , textm (1 + (12 times 10^-6 , ^circtextC^-1) cdot 50^circ textC)$
$L = 2 , textm (1 + 600 times 10^-6)$
$L = 2 , textm (1 + 0.0006)$
$L = 2 , textm (1.0006)$
$L = 2.0012 , textm$
Jadi, panjang batang logam tersebut pada suhu $70^circ textC$ adalah $2.0012 , textm$.
Contoh Soal 6:
Sebanyak $0.5 , textkg$ air pada suhu $20^circ textC$ dipanaskan hingga menjadi uap seluruhnya pada suhu $100^circ textC$. Jika kalor jenis air adalah $4200 , textJ/kg^circtextC$, kalor laten penguapan air adalah $2.26 times 10^6 , textJ/kg$, dan kalor penguapan $20^circ textC$ diabaikan, berapakah total kalor yang dibutuhkan?
Pembahasan:
Soal ini sebenarnya memiliki kekeliruan dalam formulasi karena perubahan wujud (penguapan) terjadi pada $100^circ textC$, bukan pada $20^circ textC$. Air harus dipanaskan dulu dari $20^circ textC$ ke $100^circ textC$ baru kemudian menguap.
Mari kita koreksi dan selesaikan:
Diketahui:
- Massa air ($m$) = $0.5 , textkg$
- Suhu awal ($T_1$) = $20^circ textC$
- Suhu akhir (uap) ($T_2$) = $100^circ textC$
- Kalor jenis air ($c_air$) = $4200 , textJ/kg^circtextC$
- Kalor laten penguapan ($L_u$) = $2.26 times 10^6 , textJ/kg$
Ditanya: Total kalor yang dibutuhkan ($Q_total$)
Total kalor terdiri dari dua bagian:
- Kalor untuk menaikkan suhu air dari $20^circ textC$ ke $100^circ textC$ ($Q_1$).
- Kalor untuk mengubah wujud air menjadi uap pada $100^circ textC$ ($Q_2$).
Menghitung $Q_1$:
$Q1 = m cdot cair cdot Delta T$
$Q_1 = 0.5 , textkg cdot 4200 , textJ/kg^circtextC cdot (100^circ textC – 20^circ textC)$
$Q_1 = 0.5 , textkg cdot 4200 , textJ/kg^circtextC cdot 80^circ textC$
$Q_1 = 168.000 , textJ$
Menghitung $Q_2$:
$Q_2 = m cdot L_u$
$Q_2 = 0.5 , textkg cdot 2.26 times 10^6 , textJ/kg$
$Q_2 = 1.13 times 10^6 , textJ$
Menghitung $Qtotal$:
$Qtotal = Q_1 + Q2$
$Qtotal = 168.000 , textJ + 1.130.000 , textJ$
$Q_total = 1.298.000 , textJ$ atau $1.298 , textkJ$
Jadi, total kalor yang dibutuhkan adalah $1.298.000 , textJ$.
4. Gelombang Mekanik: Getaran yang Merambat
Bab ini memperkenalkan konsep gelombang yang memerlukan medium untuk perambatannya.
Konsep Kunci:
- Jenis Gelombang: Transversal (getaran tegak lurus arah rambat) dan Longitudinal (getaran searah arah rambat).
- Besaran Gelombang: Amplitudo ($A$), panjang gelombang ($lambda$), frekuensi ($f$), periode ($T$), cepat rambat ($v$).
- Hubungan Besaran: $v = lambda cdot f$ dan $f = 1/T$.
Contoh Soal 7:
Sebuah tali digetarkan sehingga menghasilkan gelombang transversal. Jarak antara dua puncak gelombang yang berdekatan adalah $0.5 , textm$. Jika frekuensi getaran adalah $10 , textHz$, berapakah cepat rambat gelombang tersebut?
Pembahasan:
Diketahui:
- Panjang gelombang ($lambda$) = $0.5 , textm$ (jarak dua puncak berdekatan adalah satu panjang gelombang)
- Frekuensi ($f$) = $10 , textHz$
Ditanya: Cepat rambat gelombang ($v$)
Menggunakan rumus $v = lambda cdot f$:
$v = 0.5 , textm cdot 10 , textHz$
$v = 5 , textm/s$
Jadi, cepat rambat gelombang tersebut adalah $5 , textm/s$.
5. Bunyi: Gelombang Longitudinal yang Bisa Didengar
Bunyi adalah salah satu contoh gelombang mekanik yang paling sering kita temui dalam kehidupan sehari-hari.
Konsep Kunci:
- Efek Doppler: Perubahan frekuensi bunyi yang diterima pendengar akibat pergerakan sumber bunyi atau pendengar.
- Intensitas Bunyi: Energi bunyi per satuan luas per satuan waktu.
- Taraf Intensitas Bunyi: Skala logaritmik dari intensitas bunyi, diukur dalam desibel (dB).
Contoh Soal 8:
Sebuah ambulans bergerak mendekati seorang pendengar dengan kecepatan $20 , textm/s$ sambil membunyikan sirene dengan frekuensi $400 , textHz$. Jika cepat rambat bunyi di udara adalah $340 , textm/s$, berapakah frekuensi bunyi sirene yang didengar oleh pendengar tersebut?
Pembahasan:
Diketahui:
- Kecepatan sumber bunyi ($v_s$) = $20 , textm/s$ (mendekati)
- Frekuensi sumber bunyi ($f_s$) = $400 , textHz$
- Kecepatan pendengar ($v_p$) = $0 , textm/s$ (diam)
- Cepat rambat bunyi ($v$) = $340 , textm/s$
Ditanya: Frekuensi yang didengar ($f_p$)
Menggunakan rumus Efek Doppler: $f_p = f_s fracv pm v_pv mp v_s$
Karena ambulans mendekati pendengar, gunakan tanda minus pada $v_s$.
$f_p = 400 , textHz frac340 , textm/s – 0 , textm/s340 , textm/s – 20 , textm/s$
$f_p = 400 , textHz frac340320$
$f_p = 400 , textHz cdot 1.0625$
$f_p = 425 , textHz$
Jadi, frekuensi bunyi sirene yang didengar oleh pendengar adalah $425 , textHz$.
6. Cahaya dan Optik Geometri: Sifat dan Pembentukan Bayangan
Bab terakhir ini membahas tentang cahaya, bagaimana ia berinteraksi dengan permukaan datar dan lengkung, serta bagaimana alat optik bekerja.
Konsep Kunci:
- Hukum Pemantulan: Sudut datang sama dengan sudut pantul.
- Hukum Pembiasan (Snellius): $n_1 sin theta_1 = n_2 sin theta_2$.
- Cermin dan Lensa: Rumus pembentukan bayangan dan perbesaran.
- Cermin/Lensa Tipis: $frac1f = frac1s_o + frac1s_i$ dan $M = -fracs_is_o = frach_ih_o$.
- $f$ = fokus, $s_o$ = jarak benda, $s_i$ = jarak bayangan, $h_o$ = tinggi benda, $h_i$ = tinggi bayangan.
- Alat Optik: Mata, lup, mikroskop, teleskop.
Contoh Soal 9:
Sebuah benda diletakkan $10 , textcm$ di depan cermin cekung yang memiliki jarak fokus $15 , textcm$. Di manakah letak bayangan yang terbentuk dan berapa perbesarannya?
Pembahasan:
Diketahui:
- Jarak benda ($s_o$) = $10 , textcm$
- Jarak fokus ($f$) = $15 , textcm$ (positif untuk cermin cekung)
Ditanya: Jarak bayangan ($s_i$) dan perbesaran ($M$)
Menggunakan rumus cermin/lensa tipis: $frac1f = frac1s_o + frac1s_i$
$frac115 = frac110 + frac1s_i$
$frac1s_i = frac115 – frac110$
$frac1s_i = frac2 – 330$
$frac1s_i = -frac130$
$s_i = -30 , textcm$
Tanda negatif pada $s_i$ menunjukkan bahwa bayangan bersifat maya, tegak, dan berada di belakang cermin.
Menghitung perbesaran ($M$):
$M = -fracs_is_o$
$M = -frac-30 , textcm10 , textcm$
$M = 3$
Tanda positif pada $M$ menunjukkan bayangan tegak. Perbesaran 3 kali berarti bayangan 3 kali lebih besar dari benda.
Jadi, bayangan terbentuk pada jarak $30 , textcm$ di belakang cermin, bersifat maya, tegak, dan diperbesar 3 kali.
Contoh Soal 10:
Sebuah lup dengan jarak fokus $10 , textcm$ digunakan untuk mengamati benda kecil. Jika mata pengamat berakomodasi maksimum, berapakah perbesaran yang dihasilkan lup tersebut?
Pembahasan:
Diketahui:
- Jarak fokus lup ($f$) = $10 , textcm$
- Kondisi mata berakomodasi maksimum berarti jarak bayangan lup sama dengan titik dekat mata normal, yaitu $s_i = -25 , textcm$ (negatif karena bayangan maya).
Ditanya: Perbesaran lup ($M$)
Menggunakan rumus lensa tipis untuk mencari jarak benda ($s_o$):
$frac1f = frac1s_o + frac1s_i$
$frac110 = frac1s_o + frac1-25$
$frac1s_o = frac110 – frac1-25$
$frac1s_o = frac110 + frac125$
$frac1s_o = frac5 + 250$
$frac1s_o = frac750$
$s_o = frac507 , textcm$
Menghitung perbesaran ($M$):
$M = -fracs_is_o$
$M = -frac-25 , textcm50/7 , textcm$
$M = frac25 cdot 750$
$M = frac72$
$M = 3.5$
Alternatif rumus cepat untuk lup saat berakomodasi maksimum:
$M = 1 + fracS_nf$, di mana $S_n$ adalah titik dekat mata normal (biasanya $25 , textcm$).
$M = 1 + frac25 , textcm10 , textcm$
$M = 1 + 2.5$
$M = 3.5$
Jadi, perbesaran yang dihasilkan lup saat mata berakomodasi maksimum adalah 3.5 kali.
Penutup: Kunci Sukses Belajar Fisika
Mempelajari fisika kelas XI semester 2 kurikulum 2018 memerlukan pemahaman mendalam terhadap konsep-konsep dasar yang telah dijelaskan. Contoh-contoh soal di atas hanyalah sebagian kecil dari variasi yang mungkin dihadapi siswa. Kunci sukses dalam belajar fisika meliputi:
- Pahami Konsep: Jangan hanya menghafal rumus, tetapi pahami makna di baliknya dan bagaimana rumus tersebut diturunkan.
- Latihan Soal Bervariasi: Kerjakan soal dari berbagai sumber dengan tingkat kesulitan yang berbeda.
- Analisis Soal: Sebelum mengerjakan, identifikasi informasi yang diketahui, apa yang ditanya, dan konsep fisika apa yang relevan.
- Gunakan Diagram: Untuk soal-soal optik, fluida, atau mekanika, diagram dapat sangat membantu visualisasi.
- Diskusi dan Tanya Jawab: Jangan ragu bertanya kepada guru atau teman jika ada materi yang belum dipahami.
Dengan ketekunan dan strategi belajar yang tepat, fisika kelas XI semester 2 akan terasa lebih mudah dipahami dan dikuasai. Selamat belajar!
Tinggalkan Balasan