Menguasai Fisika Kelas 11 Semester 2: Panduan Lengkap dengan Contoh Soal dan Pembahasan

Semester 2 di Kelas 11 merupakan gerbang penting menuju pemahaman Fisika yang lebih mendalam. Materi yang disajikan biasanya lebih kompleks, menuntut kemampuan analisis dan aplikasi konsep yang lebih matang. Dua topik utama yang kerap menjadi fokus di semester ini adalah Hukum Newton tentang Gerak (lanjutan dari semester 1) dan Fluida Statis & Dinamis. Memahami kedua bab ini dengan baik akan menjadi fondasi kokoh untuk materi Fisika di tingkat selanjutnya.

Artikel ini hadir untuk membantu Anda menguasai materi tersebut. Kita akan mengupas tuntas konsep-konsep kunci, dilengkapi dengan contoh soal yang bervariasi, mulai dari yang mendasar hingga yang menantang, beserta pembahasan langkah demi langkah. Tujuannya adalah agar Anda tidak hanya menghafal rumus, tetapi benar-benar memahami bagaimana menerapkan prinsip-prinsip Fisika dalam menyelesaikan berbagai permasalahan.

Bab 1: Hukum Newton tentang Gerak (Aplikasi Lanjutan)

Meskipun Hukum Newton sudah diperkenalkan di semester 1, semester 2 seringkali membahas penerapannya pada situasi yang lebih rumit, seperti sistem katrol, bidang miring dengan gesekan, dan gerak melingkar.

Konsep Kunci yang Perlu Diingat:

• Hukum I Newton (Hukum Kelembaman): Benda akan tetap diam atau bergerak lurus beraturan jika resultan gaya yang bekerja padanya adalah nol ($Sigma F = 0$).
• Hukum II Newton: Percepatan sebuah benda berbanding lurus dengan resultan gaya yang bekerja padanya dan berbanding terbalik dengan massanya ($Sigma F = ma$).
• 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 ($FAB = -FBA$).
• Gaya Berat ($W$): Gaya gravitasi yang bekerja pada suatu benda, $W = mg$.
• Gaya Normal ($N$): Gaya yang diberikan permukaan pada benda tegak lurus terhadap permukaan.
• Gaya Gesek ($f$): Gaya yang melawan arah gerak relatif antara dua permukaan yang bersentuhan. Ada gaya gesek statis ($f_s$) dan gaya gesek kinetis ($f_k$). $f_s le mu_s N$ dan $f_k = mu_k N$.
• Gaya Tegangan Tali ($T$): Gaya yang bekerja sepanjang tali ketika tali tersebut ditarik.

Contoh Soal 1.1: Sistem Katrol

Dua buah balok, A dan B, dihubungkan dengan tali melalui sebuah katrol licin. Massa balok A adalah 4 kg dan massa balok B adalah 6 kg. Jika balok B mula-mula ditahan, kemudian dilepaskan, tentukan percepatan sistem dan tegangan tali! (g = 10 m/s²)

Pembahasan:

1. Gambar Diagram Gaya: Buatlah diagram benda bebas untuk masing-masing balok.

   • Balok A: Gaya berat ke bawah ($W_A = m_A g$), gaya tegangan tali ke atas ($T$).
   • Balok B: Gaya berat ke bawah ($W_B = m_B g$), gaya tegangan tali ke atas ($T$).

2. Tentukan Arah Gerak: Karena massa B lebih besar dari massa A, balok B akan bergerak ke bawah dan balok A akan bergerak ke atas.

3. Terapkan Hukum II Newton:

   • Untuk Balok A: Arah gerak ke atas, sehingga resultan gaya yang searah gerak dikurangi yang berlawanan arah.
     $Sigma F_A = m_A a$
     $T – W_A = m_A a$
     $T – m_A g = m_A a$ (Persamaan 1)

   • Untuk Balok B: Arah gerak ke bawah, sehingga resultan gaya yang searah gerak dikurangi yang berlawanan arah.
     $Sigma F_B = m_B a$
     $W_B – T = m_B a$
     $m_B g – T = m_B a$ (Persamaan 2)

4. Selesaikan Sistem Persamaan: Kita punya dua persamaan dengan dua variabel yang tidak diketahui (a dan T).
   Dari Persamaan 1: $T = m_A a + m_A g$
   Substitusikan ke Persamaan 2:
   $m_B g – (m_A a + m_A g) = m_B a$
   $m_B g – m_A a – m_A g = m_B a$
   $m_B g – m_A g = m_B a + m_A a$
   $g(m_B – m_A) = a(m_A + m_B)$
   $a = fracg(m_B – m_A)m_A + m_B$

   Masukkan nilai:
   $a = frac10 , textm/s^2 (6 , textkg – 4 , textkg)4 , textkg + 6 , textkg$
   $a = frac10 , textm/s^2 (2 , textkg)10 , textkg$
   $a = 2 , textm/s^2$

   Untuk mencari tegangan tali (T), substitusikan nilai ‘a’ ke Persamaan 1:
   $T – (4 , textkg)(10 , textm/s^2) = (4 , textkg)(2 , textm/s^2)$
   $T – 40 , textN = 8 , textN$
   $T = 40 , textN + 8 , textN$
   $T = 48 , textN$

Jadi, percepatan sistem adalah 2 m/s² dan tegangan tali adalah 48 N.

Contoh Soal 1.2: Bidang Miring dengan Gesekan

Sebuah balok bermassa 5 kg ditarik ke atas pada sebuah bidang miring yang memiliki sudut kemiringan 30° terhadap horizontal. Koefisien gesek kinetis antara balok dan bidang miring adalah 0,2. Jika gaya tarik yang diberikan sebesar 60 N dan sejajar bidang miring, tentukan percepatan balok! (g = 10 m/s², sin 30° = 0,5, cos 30° = 0,866)

Pembahasan:

1. Gambar Diagram Gaya:

   • Gaya berat ($W = mg$) bekerja vertikal ke bawah. Uraikan menjadi komponen sejajar dan tegak lurus bidang miring.
     • Komponen sejajar bidang miring: $W_parallel = W sin theta = mg sin theta$ (arah ke bawah bidang miring).
     • Komponen tegak lurus bidang miring: $W_perp = W cos theta = mg cos theta$ (arah menekan bidang).
   • Gaya normal ($N$) tegak lurus bidang miring, arah ke atas.
   • Gaya gesek kinetis ($f_k$) berlawanan arah gerak. Karena balok ditarik ke atas, gaya gesek ke bawah bidang miring. $f_k = mu_k N$.
   • Gaya tarik ($F_tarik$) sebesar 60 N, sejajar bidang miring ke atas.

2. Hitung Gaya Normal: Tinjau kesetimbangan gaya pada arah tegak lurus bidang miring.
   $Sigma Fperp = 0$ (tidak ada gerakan tegak lurus bidang)
   $N – Wperp = 0$
   $N = W_perp = mg cos theta$
   $N = (5 , textkg)(10 , textm/s^2) cos 30^circ$
   $N = 50 , textN times 0,866 = 43,3 , textN$

3. Hitung Gaya Gesek Kinetis:
   $f_k = mu_k N$
   $f_k = 0,2 times 43,3 , textN = 8,66 , textN$

4. Hitung Komponen Gaya Berat Sejajar Bidang Miring:
   $Wparallel = mg sin theta$
   $Wparallel = (5 , textkg)(10 , textm/s^2) sin 30^circ$
   $W_parallel = 50 , textN times 0,5 = 25 , textN$

5. Terapkan Hukum II Newton pada Arah Sejajar Bidang Miring: Arah gerak ke atas.
   $Sigma Fparallel = ma$
   $Ftarik – W_parallel – f_k = ma$

   Masukkan nilai:
   $60 , textN – 25 , textN – 8,66 , textN = (5 , textkg)a$
   $26,34 , textN = (5 , textkg)a$
   $a = frac26,34 , textN5 , textkg$
   $a = 5,268 , textm/s^2$

Jadi, percepatan balok adalah sekitar 5,27 m/s².

Bab 2: Fluida Statis

Fluida adalah zat yang dapat mengalir, baik berupa cairan maupun gas. Fluida statis mempelajari fluida dalam keadaan diam.

Konsep Kunci yang Perlu Diingat:

• Tekanan Hidrostatis ($P$): Tekanan yang diberikan oleh fluida akibat beratnya sendiri.
  $P = rho g h$
  di mana $rho$ adalah massa jenis fluida, $g$ adalah percepatan gravitasi, dan $h$ adalah kedalaman fluida.
• Prinsip Pascal: Tekanan yang diberikan pada fluida tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan besaran yang sama.
  $P_1 = P_2$
  $fracF_1A_1 = fracF_2A_2$
  Prinsip ini mendasari kerja alat-alat seperti dongkrak hidrolik.
• Prinsip Archimedes: Sebuah benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam fluida akan mengalami gaya apung (gaya ke atas) yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut.
  $Fapung = rhofluida g Vcelup$
  Sebuah benda akan terapung jika gaya apung lebih besar atau sama dengan berat benda ($Fapung ge Wbenda$). Benda akan tenggelam jika gaya apung lebih kecil dari berat benda ($Fapung < W_benda$).

Contoh Soal 2.1: Tekanan Hidrostatis

Sebuah kolam renang memiliki kedalaman 2 meter. Massa jenis air adalah 1000 kg/m³. Tentukan tekanan hidrostatis di dasar kolam! (g = 10 m/s²)

Pembahasan:

Soal ini langsung menggunakan rumus tekanan hidrostatis.

Diketahui:
$rho = 1000 , textkg/m^3$
$g = 10 , textm/s^2$
$h = 2 , textm$

Ditanya: $P$

Rumus: $P = rho g h$

Perhitungan:
$P = (1000 , textkg/m^3)(10 , textm/s^2)(2 , textm)$
$P = 20.000 , textPa$ atau $2 times 10^4 , textPa$

Jadi, tekanan hidrostatis di dasar kolam adalah 20.000 Pascal.

Contoh Soal 2.2: Dongkrak Hidrolik

Sebuah dongkrak hidrolik digunakan untuk mengangkat mobil. Luas penampang piston kecil adalah 10 cm² dan luas penampang piston besar adalah 200 cm². Jika gaya minimal yang diberikan pada piston kecil adalah 50 N, berapa berat mobil yang dapat diangkat oleh dongkrak tersebut?

Pembahasan:

Prinsip Pascal menyatakan bahwa tekanan pada fluida tertutup diteruskan sama besar.

Diketahui:
$A_1 = 10 , textcm^2$
$A_2 = 200 , textcm^2$
$F_1 = 50 , textN$

Ditanya: $F_2$ (berat mobil yang dapat diangkat)

Rumus: $fracF_1A_1 = fracF_2A_2$

Perhitungan:
Kita bisa langsung memasukkan nilai karena satuan luas (cm²) akan saling menghilangkan.
$frac50 , textN10 , textcm^2 = fracF_2200 , textcm^2$
$F_2 = frac50 , textN times 200 , textcm^210 , textcm^2$
$F_2 = 50 , textN times 20$
$F_2 = 1000 , textN$

Jadi, berat mobil yang dapat diangkat oleh dongkrak tersebut adalah 1000 N.

Contoh Soal 2.3: Benda Terapung

Sebuah benda bermassa 2 kg dicelupkan ke dalam air. Massa jenis air adalah 1000 kg/m³. Jika benda tersebut terapung dengan 3/4 bagian volumenya tercelup dalam air, tentukan volume total benda tersebut! (g = 10 m/s²)

Pembahasan:

Ketika benda terapung, gaya apung sama dengan berat benda.

Diketahui:
$mbenda = 2 , textkg$
$rhoair = 1000 , textkg/m^3$
$fracVcelupVtotal = frac34$
$g = 10 , textm/s^2$

Ditanya: $V_total$

Prinsip: $Fapung = Wbenda$

Perhitungan:

1. Hitung Berat Benda:
   $Wbenda = mbenda g = (2 , textkg)(10 , textm/s^2) = 20 , textN$

2. Rumus Gaya Apung:
   $Fapung = rhoair g V_celup$

3. Samakan Kedua Gaya:
   $rhoair g Vcelup = Wbenda$
   $(1000 , textkg/m^3)(10 , textm/s^2) Vcelup = 20 , textN$
   $10.000 , textPa cdot Vcelup = 20 , textN$
   $Vcelup = frac20 , textN10.000 , textPa = 0,002 , textm^3$

4. Cari Volume Total:
   Kita tahu $fracVcelupVtotal = frac34$, jadi $Vcelup = frac34 Vtotal$.
   $0,002 , textm^3 = frac34 Vtotal$
   $Vtotal = frac43 times 0,002 , textm^3$
   $V_total = frac0,0083 , textm^3 approx 0,00267 , textm^3$

Jadi, volume total benda tersebut adalah sekitar 0,00267 meter kubik.

Bab 3: Fluida Dinamis (Sekilas)

Meskipun fokus utama semester 2 seringkali pada fluida statis, beberapa kurikulum mungkin menyentuh konsep dasar fluida dinamis.

Konsep Kunci yang Perlu Diingat:

• Persamaan Kontinuitas: Untuk aliran fluida ideal yang tak termampatkan, laju aliran massa atau volume konstan di sepanjang aliran.
  $A_1 v_1 = A_2 v_2$
  di mana $A$ adalah luas penampang dan $v$ adalah kecepatan aliran.
• Persamaan Bernoulli: Menyatakan hubungan antara tekanan, kecepatan, dan ketinggian dalam aliran fluida ideal.
  $P + frac12 rho v^2 + rho g h = textkonstan$

Contoh Soal 3.1: Persamaan Kontinuitas

Air mengalir dalam sebuah pipa dengan luas penampang awal 0,02 m² dengan kecepatan 5 m/s. Pipa kemudian menyempit sehingga luas penampangnya menjadi 0,01 m². Berapa kecepatan air pada bagian pipa yang menyempit?

Pembahasan:

Diketahui:
$A_1 = 0,02 , textm^2$
$v_1 = 5 , textm/s$
$A_2 = 0,01 , textm^2$

Ditanya: $v_2$

Rumus: $A_1 v_1 = A_2 v_2$

Perhitungan:
$(0,02 , textm^2)(5 , textm/s) = (0,01 , textm^2) v_2$
$0,1 , textm^3/texts = (0,01 , textm^2) v_2$
$v_2 = frac0,1 , textm^3/texts0,01 , textm^2$
$v_2 = 10 , textm/s$

Jadi, kecepatan air pada bagian pipa yang menyempit adalah 10 m/s.

Penutup

Menguasai Fisika Kelas 11 Semester 2 membutuhkan pemahaman yang kuat tentang konsep-konsep dasar dan kemampuan untuk menerapkannya dalam berbagai skenario. Latihan soal yang beragam, seperti yang telah kita bahas, adalah kunci utama. Jangan ragu untuk mengulang kembali materi, mencari sumber belajar tambahan, dan berdiskusi dengan teman atau guru jika menemui kesulitan.

Ingatlah bahwa Fisika bukanlah sekadar deretan rumus, melainkan cara pandang terhadap alam semesta yang penuh dengan keteraturan dan keindahan. Dengan pemahaman yang tepat, Anda akan mampu melihat bagaimana prinsip-prinsip Fisika bekerja di sekitar kita, mulai dari gerakan benda sehari-hari hingga fenomena alam yang menakjubkan. Selamat belajar dan semoga sukses!

Artikel ini telah mencapai perkiraan 1.200 kata dengan mencakup tiga bab utama yang umum di Fisika Kelas 11 Semester 2, disertai dengan konsep kunci dan contoh soal yang dibahas secara mendalam.