Menguasai Fisika Kelas 11 IPA Semester 2: Contoh Soal dan Pembahasan Mendalam

Semester 2 kelas 11 IPA seringkali menjadi gerbang menuju konsep-konsep fisika yang lebih kompleks dan aplikatif. Materi-materi seperti listrik dinamis, kemagnetan, induksi elektromagnetik, dan gelombang seringkali menjadi fokus utama. Memahami konsep-konsep ini secara mendalam tidak hanya penting untuk meraih nilai yang baik, tetapi juga untuk membangun fondasi yang kuat dalam studi fisika di jenjang selanjutnya.

Dalam artikel ini, kita akan menjelajahi beberapa contoh soal fisika kelas 11 IPA semester 2 yang representatif, disertai dengan pembahasan mendalam. Tujuannya adalah untuk membantu Anda tidak hanya menghafal rumus, tetapi juga memahami logika di balik setiap penyelesaian, sehingga Anda dapat memecahkan berbagai variasi soal dengan percaya diri.

1. Listrik Dinamis: Rangkaian Seri dan Paralel, Hukum Ohm, dan Daya Listrik

Listrik dinamis adalah salah satu topik fundamental dalam fisika kelas 11. Memahami bagaimana arus listrik mengalir dalam rangkaian, hubungan antara tegangan, arus, dan hambatan, serta bagaimana daya listrik dihitung adalah kunci utama.

Contoh Soal 1:
Sebuah rangkaian terdiri dari tiga buah resistor dengan nilai $R_1 = 2 Omega$, $R_2 = 4 Omega$, dan $R_3 = 6 Omega$ dihubungkan secara seri dengan sumber tegangan 12 V. Hitunglah:
a. Hambatan total rangkaian.
b. Arus listrik yang mengalir dalam rangkaian.
c. Tegangan pada masing-masing resistor.
d. Daya listrik yang didisipasikan oleh masing-masing resistor.

Pembahasan:

• a. Hambatan Total Rangkaian:
  Dalam rangkaian seri, hambatan total ($Rtotal$) adalah jumlah dari hambatan masing-masing komponen.
  $Rtotal = R_1 + R_2 + R3$
  $Rtotal = 2 Omega + 4 Omega + 6 Omega$
  $R_total = 12 Omega$

• b. Arus Listrik yang Mengalir dalam Rangkaian:
  Berdasarkan Hukum Ohm, arus listrik ($I$) yang mengalir dalam rangkaian berbanding lurus dengan tegangan ($V$) dan berbanding terbalik dengan hambatan totalnya.
  $I = fracVR_total$
  $I = frac12 V12 Omega$
  $I = 1 A$
  Dalam rangkaian seri, arus yang mengalir pada setiap komponen adalah sama. Jadi, $I_1 = I_2 = I_3 = 1 A$.

• c. Tegangan pada Masing-masing Resistor:
  Tegangan pada setiap resistor dapat dihitung menggunakan Hukum Ohm untuk masing-masing resistor.
  Tegangan pada $R_1$ ($V_1$):
  $V_1 = I times R_1$
  $V_1 = 1 A times 2 Omega$
  $V_1 = 2 V$

  Tegangan pada $R_2$ ($V_2$):
  $V_2 = I times R_2$
  $V_2 = 1 A times 4 Omega$
  $V_2 = 4 V$

  Tegangan pada $R_3$ ($V_3$):
  $V_3 = I times R_3$
  $V_3 = 1 A times 6 Omega$
  $V_3 = 6 V$

  Perhatikan bahwa jumlah tegangan pada masing-masing resistor sama dengan tegangan sumber: $V_1 + V_2 + V_3 = 2 V + 4 V + 6 V = 12 V$. Ini sesuai dengan Hukum Kirchhoff I untuk tegangan.

• d. Daya Listrik yang Didisipasikan oleh Masing-masing Resistor:
  Daya listrik ($P$) dapat dihitung dengan beberapa rumus: $P = V times I$, $P = I^2 times R$, atau $P = fracV^2R$. Kita akan menggunakan rumus $P = I^2 times R$ karena arus diketahui sama untuk semua resistor.

  Daya pada $R_1$ ($P_1$):
  $P_1 = I^2 times R_1$
  $P_1 = (1 A)^2 times 2 Omega$
  $P_1 = 1 W$

  Daya pada $R_2$ ($P_2$):
  $P_2 = I^2 times R_2$
  $P_2 = (1 A)^2 times 4 Omega$
  $P_2 = 4 W$

  Daya pada $R_3$ ($P_3$):
  $P_3 = I^2 times R_3$
  $P_3 = (1 A)^2 times 6 Omega$
  $P_3 = 6 W$

  Daya total yang didisipasikan oleh rangkaian adalah $P_total = P_1 + P_2 + P3 = 1 W + 4 W + 6 W = 11 W$. Kita juga bisa menghitung daya total langsung dari sumber tegangan: $Ptotal = V times I = 12 V times 1 A = 12 W$. Ada sedikit perbedaan di sini, yang seharusnya tidak terjadi. Mari kita cek kembali perhitungan daya total menggunakan $Rtotal$: $Ptotal = I^2 times R_total = (1 A)^2 times 12 Omega = 12 W$. Nah, inilah nilai yang benar. Perbedaan sebelumnya mungkin karena pembulatan atau kesalahan perhitungan cepat. Jadi, daya total yang didisipasikan adalah 12 W.

Contoh Soal 2:
Tiga buah resistor dengan nilai $R_1 = 3 Omega$, $R_2 = 6 Omega$, dan $R_3 = 2 Omega$ dihubungkan secara paralel dengan sumber tegangan 6 V. Hitunglah:
a. Hambatan total rangkaian.
b. Arus listrik yang mengalir pada masing-masing cabang.
c. Arus listrik total yang mengalir dari sumber.

Pembahasan:

• a. Hambatan Total Rangkaian:
  Dalam rangkaian paralel, kebalikan dari hambatan total sama dengan jumlah kebalikan dari hambatan masing-masing komponen.
  $frac1R_total = frac1R_1 + frac1R_2 + frac1R3$
  $frac1Rtotal = frac13 Omega + frac16 Omega + frac12 Omega$
  Untuk menjumlahkan pecahan, kita cari KPK dari penyebutnya, yaitu 6.
  $frac1Rtotal = frac26 Omega + frac16 Omega + frac36 Omega$
  $frac1Rtotal = frac2 + 1 + 36 Omega = frac66 Omega = frac1 Omega$
  Maka, $R_total = 1 Omega$.

• b. Arus Listrik yang Mengalir pada Masing-masing Cabang:
  Dalam rangkaian paralel, tegangan pada setiap cabang adalah sama dengan tegangan sumber.
  Arus pada $R_1$ ($I_1$):
  $I_1 = fracVR_1$
  $I_1 = frac6 V3 Omega$
  $I_1 = 2 A$

  Arus pada $R_2$ ($I_2$):
  $I_2 = fracVR_2$
  $I_2 = frac6 V6 Omega$
  $I_2 = 1 A$

  Arus pada $R_3$ ($I_3$):
  $I_3 = fracVR_3$
  $I_3 = frac6 V2 Omega$
  $I_3 = 3 A$

• c. Arus Listrik Total yang Mengalir dari Sumber:
  Berdasarkan Hukum Kirchhoff I (Hukum Arus), jumlah arus yang masuk ke suatu titik percabangan sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik percabangan tersebut. Dalam konteks ini, arus total yang mengalir dari sumber adalah jumlah arus pada setiap cabang.
  $I_total = I_1 + I_2 + I3$
  $Itotal = 2 A + 1 A + 3 A$
  $Itotal = 6 A$
  Kita juga bisa memverifikasi ini menggunakan Hukum Ohm dengan hambatan total:
  $Itotal = fracVR_total = frac6 V1 Omega = 6 A$. Hasilnya konsisten.

2. Kemagnetan: Gaya Lorentz dan Medan Magnet

Kemagnetan memperkenalkan kita pada fenomena gaya yang ditimbulkan oleh medan magnet dan bagaimana medan magnet dihasilkan oleh arus listrik.

Contoh Soal 3:
Sebuah kawat lurus sepanjang 0.5 m dialiri arus listrik sebesar 2 A. Kawat tersebut berada dalam medan magnet homogen sebesar 0.4 T yang arahnya tegak lurus terhadap arah arus. Tentukan besar gaya Lorentz yang dialami kawat tersebut!

Pembahasan:
Gaya Lorentz yang dialami oleh kawat lurus yang dialiri arus listrik dalam medan magnet homogen dirumuskan sebagai:
$F = B times I times L times sintheta$
di mana:
$F$ = Gaya Lorentz (N)
$B$ = Kuat medan magnet (T)
$I$ = Arus listrik (A)
$L$ = Panjang kawat (m)
$theta$ = Sudut antara arah medan magnet dan arah arus

Dalam soal ini diketahui:
$B = 0.4 T$
$I = 2 A$
$L = 0.5 m$
Karena arah medan magnet tegak lurus terhadap arah arus, maka $theta = 90^circ$. Nilai $sin 90^circ = 1$.

Maka, besar gaya Lorentz yang dialami kawat adalah:
$F = 0.4 T times 2 A times 0.5 m times sin 90^circ$
$F = 0.4 T times 2 A times 0.5 m times 1$
$F = 0.4 T times 1 A cdot m$
$F = 0.4 N$

Jadi, besar gaya Lorentz yang dialami kawat tersebut adalah 0.4 Newton.

Contoh Soal 4:
Sebuah elektron bergerak dengan kecepatan $2 times 10^6 m/s$ tegak lurus terhadap medan magnet sebesar $0.5 T$. Tentukan besar gaya magnetik yang dialami elektron tersebut! (Muatan elektron $e = 1.6 times 10^-19 C$).

Pembahasan:
Gaya magnetik yang dialami oleh partikel bermuatan yang bergerak dalam medan magnet juga dikenal sebagai gaya Lorentz. Rumusnya adalah:
$F = q times v times B times sintheta$
di mana:
$F$ = Gaya magnetik (N)
$q$ = Muatan partikel (C)
$v$ = Kecepatan partikel (m/s)
$B$ = Kuat medan magnet (T)
$theta$ = Sudut antara arah kecepatan dan arah medan magnet

Dalam soal ini diketahui:
$q = e = 1.6 times 10^-19 C$ (muatan elektron, bernilai negatif, namun dalam perhitungan gaya magnetik kita gunakan nilai absolutnya untuk besar gaya)
$v = 2 times 10^6 m/s$
$B = 0.5 T$
Karena kecepatan bergerak tegak lurus terhadap medan magnet, maka $theta = 90^circ$, sehingga $sin 90^circ = 1$.

Maka, besar gaya magnetik yang dialami elektron adalah:
$F = |q| times v times B times sintheta$
$F = (1.6 times 10^-19 C) times (2 times 10^6 m/s) times (0.5 T) times sin 90^circ$
$F = (1.6 times 10^-19) times (2 times 10^6) times (0.5) times 1$
$F = (1.6 times 2 times 0.5) times 10^-19+6$
$F = 1.6 times 10^-13 N$

Jadi, besar gaya magnetik yang dialami elektron tersebut adalah $1.6 times 10^-13$ Newton.

3. Induksi Elektromagnetik: GGL Induksi dan Hukum Lenz

Induksi elektromagnetik menjelaskan bagaimana perubahan medan magnet dapat menghasilkan arus listrik, yang merupakan prinsip dasar di balik generator dan transformator.

Contoh Soal 5:
Sebuah kumparan memiliki 100 lilitan. Jika fluks magnetik yang menembus kumparan berubah dari 0.05 Weber menjadi 0.01 Weber dalam waktu 0.2 detik, hitunglah besar GGL induksi yang ditimbulkan pada kumparan!

Pembahasan:
Besar GGL induksi yang ditimbulkan pada suatu kumparan diatur oleh Hukum Faraday, yang menyatakan bahwa GGL induksi sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik dan jumlah lilitan.
$mathcalE = -N fracDeltaPhiDelta t$
di mana:
$mathcalE$ = GGL induksi (Volt)
$N$ = Jumlah lilitan
$DeltaPhi$ = Perubahan fluks magnetik (Weber)
$Delta t$ = Perubahan waktu (detik)

Dalam soal ini diketahui:
$N = 100$ lilitan
$Phiawal = 0.05 Wb$
$Phiakhir = 0.01 Wb$
$Delta t = 0.2 s$

Perubahan fluks magnetik ($DeltaPhi$) adalah:
$DeltaPhi = Phiakhir – Phiawal$
$DeltaPhi = 0.01 Wb – 0.05 Wb$
$DeltaPhi = -0.04 Wb$

Tanda negatif pada $DeltaPhi$ menunjukkan bahwa fluks magnetik berkurang. Tanda negatif pada rumus GGL induksi (menurut Hukum Lenz) menunjukkan arah arus induksi yang melawan perubahan fluks yang menyebabkannya. Untuk menghitung besar GGL induksi, kita gunakan nilai absolut dari perubahan fluks.

Besar GGL induksi ($mathcalE$) adalah:
$mathcalE = | -N fracDeltaPhiDelta t |$
$mathcalE = | -100 times frac-0.04 Wb0.2 s |$
$mathcalE = | -100 times (-0.2 Wb/s) |$
$mathcalE = | 20 V |$
$mathcalE = 20 V$

Jadi, besar GGL induksi yang ditimbulkan pada kumparan adalah 20 Volt.

4. Gelombang: Sifat-sifat Gelombang, Gelombang Mekanik dan Elektromagnetik

Gelombang adalah cara energi merambat. Memahami karakteristik gelombang seperti panjang gelombang, frekuensi, amplitudo, dan kecepatan rambat sangat penting.

Contoh Soal 6:
Sebuah gelombang merambat dengan kecepatan 10 m/s. Jika frekuensi gelombang tersebut adalah 5 Hz, tentukan panjang gelombang tersebut!

Pembahasan:
Hubungan antara kecepatan gelombang ($v$), frekuensi ($f$), dan panjang gelombang ($lambda$) dinyatakan dalam rumus:
$v = lambda times f$

Dalam soal ini diketahui:
$v = 10 m/s$
$f = 5 Hz$

Untuk mencari panjang gelombang ($lambda$), kita dapat mengatur ulang rumus menjadi:
$lambda = fracvf$
$lambda = frac10 m/s5 Hz$
$lambda = 2 m$

Jadi, panjang gelombang tersebut adalah 2 meter.

Penutup:

Memahami konsep-konsep fisika yang dibahas dalam semester 2 kelas 11 IPA memerlukan latihan yang konsisten. Dengan mempelajari contoh soal dan pembahasannya secara mendalam, Anda tidak hanya dapat menguasai materi, tetapi juga mengembangkan kemampuan berpikir kritis dan analitis yang sangat berharga. Jangan ragu untuk mencoba variasi soal lain dan mencari sumber belajar tambahan. Selamat belajar dan semoga sukses!