Menguasai Fisika Kelas 11 Semester 2: Contoh Soal dan Pembahasan Mendalam
Semester 2 kelas 11 dalam mata pelajaran Fisika biasanya menyajikan topik-topik yang krusial dan menantang, membuka pintu pemahaman lebih lanjut tentang bagaimana alam semesta bekerja. Materi seperti listrik dinamis, kemagnetan, dan gelombang seringkali menjadi fokus utama. Memahami konsep-konsep ini tidak hanya penting untuk kelulusan, tetapi juga sebagai fondasi untuk fisika di jenjang yang lebih tinggi.
Dalam artikel ini, kita akan menjelajahi beberapa contoh soal fisika kelas 11 semester 2 yang representatif, lengkap dengan pembahasan mendalam. Tujuannya adalah untuk membekali Anda dengan strategi penyelesaian masalah yang efektif, memperkuat pemahaman konsep, dan meningkatkan kepercayaan diri dalam menghadapi ujian.
Bagian 1: Listrik Dinamis
Listrik dinamis membahas aliran muatan listrik, yang kita kenal sebagai arus listrik. Konsep-konsep kunci meliputi hukum Ohm, rangkaian seri dan paralel, daya listrik, serta energi listrik.
Contoh Soal 1: Rangkaian Hambatan Kombinasi
Sebuah rangkaian listrik terdiri dari beberapa hambatan yang dirangkai secara seri dan paralel. Diketahui nilai hambatan $R_1 = 2 , Omega$, $R_2 = 3 , Omega$, dan $R_3 = 6 , Omega$. Hambatan $R_2$ dan $R_3$ dirangkai paralel, kemudian rangkaian paralel ini dirangkai seri dengan $R_1$. Jika rangkaian dihubungkan dengan sumber tegangan 12 Volt, hitunglah:
a. Hambatan total rangkaian.
b. Arus listrik yang mengalir dalam rangkaian.
c. Tegangan pada masing-masing hambatan.
Pembahasan Soal 1:
Untuk menyelesaikan soal ini, kita perlu memahami prinsip-prinsip dasar rangkaian seri dan paralel.
a. Menghitung Hambatan Total Rangkaian:
Pertama, kita hitung hambatan pengganti untuk $R_2$ dan $R3$ yang dirangkai paralel. Rumusnya adalah:
$$ frac1Rparalel = frac1R_2 + frac1R3 $$
$$ frac1Rparalel = frac13 , Omega + frac16 , Omega $$
Untuk menjumlahkan pecahan, kita samakan penyebutnya:
$$ frac1Rparalel = frac26 , Omega + frac16 , Omega = frac36 , Omega $$
Maka, hambatan paralelnya adalah:
$$ Rparalel = frac6 , Omega3 = 2 , Omega $$
Selanjutnya, hambatan paralel ini dirangkai seri dengan $R1$. Untuk rangkaian seri, hambatan totalnya adalah jumlah dari masing-masing hambatan:
$$ Rtotal = R1 + Rparalel $$
$$ R_total = 2 , Omega + 2 , Omega = 4 , Omega $$
Jadi, hambatan total rangkaian adalah $4 , Omega$.
b. Menghitung Arus Listrik yang Mengalir dalam Rangkaian:
Arus listrik total yang mengalir dalam rangkaian dapat dihitung menggunakan Hukum Ohm, yaitu $V = I cdot R$, di mana $V$ adalah tegangan, $I$ adalah arus, dan $R$ adalah hambatan.
$$ Itotal = fracVsumberRtotal $$
$$ Itotal = frac12 , textVolt4 , Omega = 3 , textAmpere $$
Arus listrik yang mengalir dalam rangkaian adalah 3 Ampere.
c. Menghitung Tegangan pada Masing-masing Hambatan:
Karena $R_1$ dirangkai seri dengan rangkaian paralel $R_2$ dan $R_3$, arus yang mengalir melalui $R_1$ sama dengan arus total rangkaian.
Tegangan pada $R_1$:
$$ V1 = Itotal cdot R_1 $$
$$ V_1 = 3 , textAmpere cdot 2 , Omega = 6 , textVolt $$
Arus yang mengalir melalui rangkaian paralel ($R_2$ dan $R3$) juga sama dengan arus total, yaitu 3 Ampere. Namun, tegangan pada kedua hambatan paralel ini akan sama. Tegangan ini adalah tegangan yang jatuh pada $Rparalel$.
Tegangan pada rangkaian paralel ($Vparalel$):
$$ Vparalel = Itotal cdot Rparalel $$
$$ V_paralel = 3 , textAmpere cdot 2 , Omega = 6 , textVolt $$
Karena $R_2$ dan $R_3$ dirangkai paralel, maka tegangan pada $R_2$ sama dengan tegangan pada $R_3$, dan sama dengan tegangan pada rangkaian paralel tersebut.
$$ V2 = Vparalel = 6 , textVolt $$
$$ V3 = Vparalel = 6 , textVolt $$
Untuk memastikan kebenarannya, jumlah tegangan pada $R_1$ dan tegangan pada rangkaian paralel seharusnya sama dengan tegangan sumber: $V1 + Vparalel = 6 , textVolt + 6 , textVolt = 12 , textVolt$, yang sesuai dengan tegangan sumber.
Bagian 2: Kemagnetan
Bagian ini mengeksplorasi fenomena magnetik, termasuk gaya magnetik pada kawat berarus, medan magnet yang dihasilkan oleh arus listrik, dan induksi elektromagnetik.
Contoh Soal 2: Gaya Lorentz pada Kawat Berarus
Sebuah kawat lurus sepanjang 0,5 meter dialiri arus listrik sebesar 2 Ampere. Kawat tersebut berada dalam medan magnetik serba sama sebesar 0,4 Tesla. Jika kawat membentuk sudut 30 derajat terhadap arah medan magnet, hitunglah besar gaya Lorentz yang dialami kawat tersebut.
Pembahasan Soal 2:
Gaya Lorentz adalah gaya yang dialami oleh kawat berarus listrik ketika berada dalam medan magnet. Besarnya gaya Lorentz dihitung menggunakan rumus:
$$ F = B cdot I cdot L cdot sintheta $$
Di mana:
- $F$ adalah gaya Lorentz (dalam Newton, N).
- $B$ adalah kuat medan magnet (dalam Tesla, T).
- $I$ adalah kuat arus listrik (dalam Ampere, A).
- $L$ adalah panjang kawat (dalam meter, m).
- $theta$ adalah sudut antara arah arus (kawat) dan arah medan magnet.
Dari soal, kita memiliki:
- $B = 0,4 , textT$
- $I = 2 , textA$
- $L = 0,5 , textm$
- $theta = 30^circ$
Nilai $sin30^circ$ adalah 0,5.
Sekarang kita substitusikan nilai-nilai tersebut ke dalam rumus:
$$ F = (0,4 , textT) cdot (2 , textA) cdot (0,5 , textm) cdot sin30^circ $$
$$ F = (0,4) cdot (2) cdot (0,5) cdot (0,5) , textN $$
$$ F = (0,8) cdot (0,25) , textN $$
$$ F = 0,2 , textN $$
Jadi, besar gaya Lorentz yang dialami kawat tersebut adalah 0,2 Newton.
Contoh Soal 3: Induksi Elektromagnetik (GGL Induksi)
Sebuah kumparan memiliki 100 lilitan. Fluks magnetik yang menembus kumparan berubah dari $2 times 10^-4$ Weber menjadi $8 times 10^-4$ Weber dalam selang waktu 0,1 detik. Hitunglah GGL induksi yang ditimbulkan pada kumparan tersebut.
Pembahasan Soal 3:
Fenomena GGL induksi timbul ketika terjadi perubahan fluks magnetik yang menembus suatu kumparan. Hukum Faraday tentang induksi elektromagnetik menyatakan bahwa besar GGL induksi sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik. Rumusnya adalah:
$$ mathcalE = -N fracDelta PhiDelta t $$
Di mana:
- $mathcalE$ adalah GGL induksi (dalam Volt, V).
- $N$ adalah jumlah lilitan kumparan.
- $Delta Phi$ adalah perubahan fluks magnetik (dalam Weber, Wb).
- $Delta t$ adalah selang waktu (dalam detik, s).
- Tanda negatif menunjukkan arah GGL induksi yang melawan perubahan fluks (Hukum Lenz).
Dari soal, kita punya:
- $N = 100$ lilitan.
- $Phi_awal = 2 times 10^-4 , textWb$.
- $Phi_akhir = 8 times 10^-4 , textWb$.
- $Delta t = 0,1 , texts$.
Pertama, kita hitung perubahan fluks magnetik ($Delta Phi$):
$$ Delta Phi = Phiakhir – Phiawal $$
$$ Delta Phi = (8 times 10^-4 , textWb) – (2 times 10^-4 , textWb) $$
$$ Delta Phi = 6 times 10^-4 , textWb $$
Selanjutnya, kita masukkan nilai-nilai ini ke dalam rumus GGL induksi:
$$ mathcalE = -100 cdot frac6 times 10^-4 , textWb0,1 , texts $$
$$ mathcalE = -100 cdot (6 times 10^-3 , textWb/s) $$
$$ mathcalE = -0,6 , textV $$
Jadi, GGL induksi yang ditimbulkan pada kumparan tersebut adalah -0,6 Volt. Tanda negatif mengindikasikan arah GGL induksi sesuai dengan Hukum Lenz.
Bagian 3: Gelombang
Pada semester 2, seringkali dibahas tentang gelombang mekanik dan gelombang elektromagnetik, meliputi sifat-sifat gelombang seperti panjang gelombang, frekuensi, cepat rambat, serta jenis-jenis gelombang seperti gelombang transversal dan longitudinal.
Contoh Soal 4: Gelombang pada Tali
Sebuah gelombang merambat pada tali dengan panjang gelombang 2 meter dan frekuensi 5 Hz. Hitunglah cepat rambat gelombang tersebut.
Pembahasan Soal 4:
Cepat rambat gelombang ($v$) berkaitan erat dengan panjang gelombang ($lambda$) dan frekuensi ($f$) melalui rumus dasar:
$$ v = lambda cdot f $$
Di mana:
- $v$ adalah cepat rambat gelombang (dalam meter per detik, m/s).
- $lambda$ adalah panjang gelombang (dalam meter, m).
- $f$ adalah frekuensi (dalam Hertz, Hz).
Dari soal, kita memiliki:
- $lambda = 2 , textm$
- $f = 5 , textHz$
Menggantikan nilai-nilai ini ke dalam rumus:
$$ v = (2 , textm) cdot (5 , textHz) $$
$$ v = 10 , textm/s $$
Jadi, cepat rambat gelombang pada tali tersebut adalah 10 m/s.
Contoh Soal 5: Gelombang Air
Dua gabus terapung di permukaan air. Jarak antara kedua gabus adalah 3 meter. Ketika gelombang air melewati kedua gabus, gabus pertama berada di puncak gelombang, sedangkan gabus kedua berada di lembah gelombang yang berjarak satu panjang gelombang. Jika dalam waktu 2 detik, gabus pertama mengalami 5 kali naik turun, tentukan cepat rambat gelombang air tersebut.
Pembahasan Soal 5:
Soal ini menggabungkan beberapa konsep gelombang. Mari kita uraikan langkah-langkah penyelesaiannya.
Pertama, kita tentukan frekuensi gelombang. Frekuensi adalah jumlah getaran per satuan waktu. Gabus pertama mengalami 5 kali naik turun dalam 2 detik.
$$ f = fractextjumlah getarantextwaktu $$
$$ f = frac52 , texts = 2,5 , textHz $$
Selanjutnya, kita perlu menentukan panjang gelombang ($lambda$). Soal menyatakan bahwa jarak antara kedua gabus adalah 3 meter, dan gabus pertama berada di puncak, sedangkan gabus kedua di lembah yang berjarak satu panjang gelombang. Ini berarti jarak antara puncak dan lembah gelombang adalah setengah panjang gelombang.
Jika jarak puncak ke lembah adalah 3 meter, maka:
$$ frac12 lambda = 3 , textm $$
$$ lambda = 2 cdot 3 , textm = 6 , textm $$
Catatan penting: Jika soal menyatakan "jarak antara dua puncak gelombang yang berdekatan adalah 3 meter" atau "jarak antara dua lembah gelombang yang berdekatan adalah 3 meter", maka panjang gelombangnya langsung 3 meter. Namun, dalam kasus ini, jarak antara puncak dan lembah adalah setengah panjang gelombang.
Terakhir, kita hitung cepat rambat gelombang menggunakan rumus:
$$ v = lambda cdot f $$
$$ v = (6 , textm) cdot (2,5 , textHz) $$
$$ v = 15 , textm/s $$
Jadi, cepat rambat gelombang air tersebut adalah 15 m/s.
Penutup
Menguasai Fisika kelas 11 semester 2 membutuhkan pemahaman konsep yang kuat dan kemampuan untuk menerapkannya dalam penyelesaian soal. Dengan berlatih berbagai jenis soal seperti yang telah dibahas di atas, mulai dari listrik dinamis, kemagnetan, hingga gelombang, Anda akan semakin terbiasa dengan pola-pola soal dan strategi penyelesaiannya. Jangan ragu untuk merujuk kembali pada definisi, rumus, dan contoh-contoh ini saat Anda belajar. Konsistensi dalam berlatih adalah kunci untuk meraih hasil yang optimal.