Menguasai Fisika Kelas X Semester 2: Panduan Lengkap dengan Contoh Soal dan Penyelesaian
Fisika, sebagai ilmu yang mempelajari segala sesuatu tentang alam semesta, seringkali dianggap menakutkan oleh sebagian siswa. Namun, dengan pemahaman konsep yang kuat dan latihan soal yang terarah, fisika dapat menjadi mata pelajaran yang menarik dan menyenangkan. Semester 2 di kelas X SMA biasanya mencakup topik-topik penting seperti gerak lurus, gerak melingkar, usaha dan energi, serta momentum dan impuls. Memahami materi ini dengan baik akan menjadi fondasi yang kokoh untuk fisika di tingkat selanjutnya.
Artikel ini akan mengupas tuntas beberapa contoh soal fisika kelas X semester 2 yang sering muncul, lengkap dengan penjelasan langkah demi langkah penyelesaiannya. Tujuannya adalah agar para siswa dapat lebih percaya diri dalam menghadapi berbagai tipe soal dan menguasai konsep-konsep yang mendasarinya.
1. Gerak Lurus Berubah Beraturan (GLBB)
Gerak lurus berubah beraturan (GLBB) adalah gerak pada lintasan lurus dengan percepatan yang konstan. Memahami konsep percepatan, kecepatan awal, kecepatan akhir, dan perpindahan sangat krusial dalam topik ini. Tiga persamaan utama GLBB yang perlu dikuasai adalah:
- $v_t = v_0 + at$
- $s = v_0t + frac12at^2$
- $v_t^2 = v_0^2 + 2as$
Di mana:
- $v_t$ = kecepatan akhir (m/s)
- $v_0$ = kecepatan awal (m/s)
- $a$ = percepatan (m/s²)
- $t$ = waktu (s)
- $s$ = perpindahan (m)
Contoh Soal 1:
Sebuah mobil balap mula-mula diam, kemudian dipercepat dengan percepatan $2 , textm/s^2$. Berapakah kecepatan mobil tersebut setelah bergerak selama $5 , textsekon$? Berapa pula jarak yang ditempuh mobil tersebut selama waktu itu?
Penyelesaian:
Diketahui:
- Kecepatan awal ($v_0$) = $0 , textm/s$ (karena mula-mula diam)
- Percepatan ($a$) = $2 , textm/s^2$
- Waktu ($t$) = $5 , texts$
Ditanya:
- Kecepatan akhir ($v_t$)
- Jarak tempuh ($s$)
Langkah 1: Mencari Kecepatan Akhir
Kita dapat menggunakan persamaan pertama GLBB: $v_t = v_0 + at$.
Substitusikan nilai yang diketahui:
$v_t = 0 , textm/s + (2 , textm/s^2)(5 , texts)$
$v_t = 0 , textm/s + 10 , textm/s$
$v_t = 10 , textm/s$
Jadi, kecepatan mobil setelah bergerak selama 5 sekon adalah $10 , textm/s$.
Langkah 2: Mencari Jarak Tempuh
Kita dapat menggunakan persamaan kedua GLBB: $s = v_0t + frac12at^2$.
Substitusikan nilai yang diketahui:
$s = (0 , textm/s)(5 , texts) + frac12(2 , textm/s^2)(5 , texts)^2$
$s = 0 , textm + frac12(2 , textm/s^2)(25 , texts^2)$
$s = 0 , textm + (1 , textm/s^2)(25 , texts^2)$
$s = 25 , textm$
Jadi, jarak yang ditempuh mobil tersebut selama 5 sekon adalah $25 , textm$.
2. Gerak Melingkar Beraturan (GMB)
Gerak melingkar beraturan (GMB) adalah gerak sebuah objek pada lintasan lingkaran dengan laju linear yang konstan. Meskipun laju linear konstan, arah kecepatan objek selalu berubah, sehingga terdapat percepatan yang disebut percepatan sentripetal.
Beberapa konsep penting dalam GMB:
- Periode (T): Waktu yang dibutuhkan untuk menempuh satu putaran penuh.
- Frekuensi (f): Jumlah putaran yang ditempuh per satuan waktu. Hubungannya: $f = frac1T$.
- Kecepatan Linear (v): Kecepatan tangensial objek pada lintasan lingkaran. Dihitung dengan $v = frac2pi rT$ atau $v = 2pi rf$.
- Kecepatan Sudut ($omega$): Laju perubahan posisi sudut. Dihitung dengan $omega = frac2piT$ atau $omega = 2pi f$. Hubungannya dengan kecepatan linear: $v = omega r$.
- Percepatan Sentripetal ($a_s$): Percepatan yang selalu mengarah ke pusat lingkaran. Dihitung dengan $a_s = fracv^2r$ atau $a_s = omega^2 r$.
Contoh Soal 2:
Sebuah benda berputar dalam lintasan lingkaran dengan jari-jari $0.5 , textm$. Jika benda tersebut melakukan $120$ putaran dalam $1 , textmenit$, tentukan:
a. Frekuensi putaran
b. Periode putaran
c. Kecepatan linear benda
d. Percepatan sentripetal benda
Penyelesaian:
Diketahui:
- Jari-jari ($r$) = $0.5 , textm$
- Jumlah putaran = $120$ putaran
- Waktu ($t$) = $1 , textmenit = 60 , texts$
Ditanya:
a. Frekuensi ($f$)
b. Periode ($T$)
c. Kecepatan linear ($v$)
d. Percepatan sentripetal ($a_s$)
Langkah 1: Menghitung Frekuensi (f)
Frekuensi adalah jumlah putaran per satuan waktu.
$f = fractextJumlah putaranwaktu$
$f = frac120 text putaran60 text s$
$f = 2 , textHz$ (Hertz)
Langkah 2: Menghitung Periode (T)
Periode adalah kebalikan dari frekuensi.
$T = frac1f$
$T = frac12 , textHz$
$T = 0.5 , texts$
Langkah 3: Menghitung Kecepatan Linear (v)
Kita bisa menggunakan rumus $v = 2pi rf$.
$v = 2pi (0.5 , textm)(2 , textHz)$
$v = 2pi (1 , textm/s)$
$v = 2pi , textm/s$
Atau kita bisa gunakan $v = frac2pi rT$:
$v = frac2pi (0.5 , textm)0.5 , texts$
$v = 2pi , textm/s$
Langkah 4: Menghitung Percepatan Sentripetal (a_s)
Kita bisa menggunakan rumus $a_s = fracv^2r$.
$v = 2pi , textm/s$
$v^2 = (2pi , textm/s)^2 = 4pi^2 , textm^2/texts^2$
$a_s = frac4pi^2 , textm^2/texts^20.5 , textm$
$a_s = 8pi^2 , textm/s^2$
Atau kita bisa gunakan $a_s = omega^2 r$. Pertama, hitung $omega$:
$omega = 2pi f = 2pi (2 , textHz) = 4pi , textrad/s$
$a_s = (4pi , textrad/s)^2 (0.5 , textm)$
$a_s = (16pi^2 , textrad^2/texts^2) (0.5 , textm)$
$a_s = 8pi^2 , textm/s^2$
Jadi, hasil perhitungan percepatan sentripetal adalah $8pi^2 , textm/s^2$.
3. Usaha dan Energi
Usaha ($W$) dalam fisika didefinisikan sebagai gaya yang bekerja pada benda sehingga benda tersebut berpindah sejauh jarak tertentu. Rumus dasar usaha adalah $W = F cdot s cdot costheta$, di mana $F$ adalah gaya, $s$ adalah perpindahan, dan $theta$ adalah sudut antara arah gaya dan arah perpindahan.
Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Dalam fisika, kita sering berhadapan dengan energi kinetik ($E_k$) dan energi potensial ($E_p$).
- Energi Kinetik: Energi yang dimiliki benda karena geraknya. $E_k = frac12mv^2$.
- Energi Potensial Gravitasi: Energi yang dimiliki benda karena posisinya terhadap suatu titik acuan. $E_p = mgh$.
Hukum Kekekalan Energi Mekanik menyatakan bahwa jika hanya gaya konservatif (seperti gaya gravitasi) yang bekerja, maka jumlah energi kinetik dan energi potensial (energi mekanik) adalah konstan. $E_m = E_k + E_p = textkonstan$.
Contoh Soal 3:
Sebuah balok bermassa $4 , textkg$ ditarik oleh gaya horizontal sebesar $20 , textN$ sejauh $5 , textm$ di atas permukaan datar yang licin. Tentukan usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut!
Penyelesaian:
Diketahui:
- Massa balok ($m$) = $4 , textkg$ (tidak relevan untuk perhitungan usaha ini)
- Gaya horizontal ($F$) = $20 , textN$
- Perpindahan ($s$) = $5 , textm$
- Arah gaya dan perpindahan sejajar, sehingga sudut $theta = 0^circ$.
Ditanya:
- Usaha ($W$)
Langkah 1: Menggunakan Rumus Usaha
Rumus usaha adalah $W = F cdot s cdot costheta$.
Karena gaya dan perpindahan searah, maka $cos0^circ = 1$.
$W = (20 , textN) cdot (5 , textm) cdot cos0^circ$
$W = (20 , textN) cdot (5 , textm) cdot 1$
$W = 100 , textJ$ (Joule)
Jadi, usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut adalah $100 , textJ$.
Contoh Soal 4 (Aplikasi Hukum Kekekalan Energi):
Sebuah bola dilempar vertikal ke atas dengan kecepatan awal $20 , textm/s$. Jika massa bola adalah $0.5 , textkg$ dan percepatan gravitasi $g = 10 , textm/s^2$, tentukan ketinggian maksimum yang dicapai bola!
Penyelesaian:
Diketahui:
- Massa bola ($m$) = $0.5 , textkg$
- Kecepatan awal ($v_0$) = $20 , textm/s$
- Percepatan gravitasi ($g$) = $10 , textm/s^2$
Ditanya:
- Ketinggian maksimum ($h_max$)
Konsep Kunci:
Di titik terendah (saat dilempar), energi potensialnya nol (jika kita jadikan titik lempar sebagai acuan), dan seluruh energinya adalah energi kinetik. Di titik tertinggi, kecepatan bola menjadi nol, sehingga energi kinetiknya nol, dan seluruh energinya adalah energi potensial.
Langkah 1: Menuliskan Persamaan Hukum Kekekalan Energi Mekanik
Energi mekanik di titik awal ($Em,awal$) = Energi mekanik di titik tertinggi ($Em,akhir$).
$Ek,awal + Ep,awal = Ek,akhir + Ep,akhir$
Langkah 2: Menentukan Nilai Energi di Titik Awal
Di titik awal (saat dilempar):
$E_k,awal = frac12mv0^2 = frac12(0.5 , textkg)(20 , textm/s)^2 = frac12(0.5)(400) , textJ = 100 , textJ$
$Ep,awal = mghawal$. Kita ambil titik lempar sebagai ketinggian nol, jadi $hawal = 0$, sehingga $E_p,awal = 0 , textJ$.
Langkah 3: Menentukan Nilai Energi di Titik Tertinggi
Di titik tertinggi:
$Ek,akhir = frac12mvakhir^2$. Di titik tertinggi, kecepatan akhir ($vakhir$) adalah $0 , textm/s$, jadi $Ek,akhir = 0 , textJ$.
$Ep,akhir = mghmax$
Langkah 4: Menyelesaikan Persamaan Kekekalan Energi
$Ek,awal + Ep,awal = Ek,akhir + Ep,akhir$
$100 , textJ + 0 , textJ = 0 , textJ + mghmax$
$100 , textJ = (0.5 , textkg)(10 , textm/s^2)hmax$
$100 , textJ = (5 , textN)h_max$
Untuk mencari $hmax$:
$hmax = frac100 , textJ5 , textN$
$h_max = 20 , textm$
Jadi, ketinggian maksimum yang dicapai bola adalah $20 , textm$.
4. Momentum dan Impuls
Momentum ($p$) adalah hasil kali massa benda dengan kecepatannya. Momentum adalah besaran vektor, artinya memiliki arah.
$p = mv$
Impuls ($I$) adalah perubahan momentum suatu benda. Impuls juga dapat diartikan sebagai hasil kali gaya yang bekerja pada benda dengan selang waktu gaya tersebut bekerja.
$I = Delta p = pakhir – pawal$
$I = F cdot Delta t$
Hukum Kekekalan Momentum: Jika tidak ada gaya luar yang bekerja pada sistem, maka momentum total sistem sebelum tumbukan sama dengan momentum total sistem sesudah tumbukan.
$ptotal, awal = ptotal, akhir$
Contoh Soal 5:
Sebuah bola biliard bermassa $0.2 , textkg$ bergerak dengan kecepatan $5 , textm/s$ ke kanan. Bola ini kemudian menabrak dinding dan memantul kembali dengan kecepatan $4 , textm/s$ ke kiri. Tentukan besar impuls yang diberikan dinding pada bola!
Penyelesaian:
Diketahui:
- Massa bola ($m$) = $0.2 , textkg$
- Kecepatan awal ($v_0$) = $5 , textm/s$ (ke kanan, kita anggap positif)
- Kecepatan akhir ($v_t$) = $4 , textm/s$ (ke kiri, kita anggap negatif)
Ditanya:
- Besar impuls ($I$)
Langkah 1: Menghitung Momentum Awal
Momentum awal:
$p_awal = mv0$
$pawal = (0.2 , textkg)(5 , textm/s)$
$p_awal = 1.0 , textkg m/s$
Langkah 2: Menghitung Momentum Akhir
Momentum akhir:
$p_akhir = mvt$
$pakhir = (0.2 , textkg)(-4 , textm/s)$
$p_akhir = -0.8 , textkg m/s$ (tanda negatif menunjukkan arah ke kiri)
Langkah 3: Menghitung Impuls
Impuls adalah perubahan momentum:
$I = Delta p = pakhir – pawal$
$I = (-0.8 , textkg m/s) – (1.0 , textkg m/s)$
$I = -1.8 , textkg m/s$
Besar impuls adalah nilai mutlaknya, yaitu $1.8 , textkg m/s$. Tanda negatif pada hasil impuls menunjukkan bahwa arah impuls (dan gaya yang menahannya) berlawanan dengan arah gerak awal bola, yaitu ke kiri.
Jadi, besar impuls yang diberikan dinding pada bola adalah $1.8 , textkg m/s$.
Contoh Soal 6 (Aplikasi Hukum Kekekalan Momentum):
Dua buah balok, A dan B, bergerak saling mendekati di atas permukaan horizontal yang licin. Massa balok A adalah $3 , textkg$ dan bergerak dengan kecepatan $4 , textm/s$ ke kanan. Massa balok B adalah $2 , textkg$ dan bergerak dengan kecepatan $6 , textm/s$ ke kiri. Kedua balok bertumbukan secara lenting sempurna. Berapakah kecepatan kedua balok setelah tumbukan?
Penyelesaian:
Diketahui:
- Massa balok A ($m_A$) = $3 , textkg$
- Kecepatan awal balok A ($v_A0$) = $4 , textm/s$ (ke kanan, positif)
- Massa balok B ($m_B$) = $2 , textkg$
- Kecepatan awal balok B ($v_B0$) = $6 , textm/s$ (ke kiri, negatif)
Ditanya:
- Kecepatan akhir balok A ($v_At$)
- Kecepatan akhir balok B ($v_Bt$)
Konsep Kunci:
Tumbukan lenting sempurna berarti energi kinetik total sistem sebelum tumbukan sama dengan energi kinetik total sistem sesudah tumbukan, selain momentum yang juga kekal. Namun, untuk soal kecepatan setelah tumbukan lenting sempurna, kita bisa menggunakan dua persamaan:
- Hukum Kekekalan Momentum: $mA vA0 + mB vB0 = mA vAt + mB vBt$
- Persamaan Kecepatan Relatif (untuk tumbukan lenting sempurna): $vA0 – vB0 = vBt – vAt$
Langkah 1: Menerapkan Hukum Kekekalan Momentum
$mA vA0 + mB vB0 = mA vAt + mB vBt$
$(3 , textkg)(4 , textm/s) + (2 , textkg)(-6 , textm/s) = (3 , textkg)vAt + (2 , textkg)vBt$
$12 , textkg m/s – 12 , textkg m/s = 3vAt + 2vBt$
$0 = 3vAt + 2vBt$ (Persamaan 1)
Langkah 2: Menerapkan Persamaan Kecepatan Relatif
$vA0 – vB0 = vBt – vAt$
$4 , textm/s – (-6 , textm/s) = vBt – vAt$
$4 , textm/s + 6 , textm/s = vBt – vAt$
$10 = vBt – vAt$
Atau, kita bisa ubah menjadi: $vBt = 10 + vAt$ (Persamaan 2)
Langkah 3: Menyelesaikan Sistem Persamaan Linear
Substitusikan Persamaan 2 ke dalam Persamaan 1:
$0 = 3vAt + 2(10 + vAt)$
$0 = 3vAt + 20 + 2vAt$
$0 = 5vAt + 20$
$5vAt = -20$
$vAt = frac-205$
$vAt = -4 , textm/s$
Tanda negatif menunjukkan bahwa balok A setelah tumbukan bergerak ke kiri.
Langkah 4: Mencari Kecepatan Balok B
Substitusikan nilai $vAt$ ke dalam Persamaan 2:
$vBt = 10 + vAt$
$vBt = 10 + (-4)$
$v_Bt = 6 , textm/s$
Tanda positif menunjukkan bahwa balok B setelah tumbukan bergerak ke kanan.
Jadi, setelah tumbukan, balok A bergerak dengan kecepatan $4 , textm/s$ ke kiri, dan balok B bergerak dengan kecepatan $6 , textm/s$ ke kanan.
Penutup
Menguasai materi fisika kelas X semester 2 bukanlah tugas yang mustahil. Dengan memahami konsep-konsep dasar dari gerak lurus, gerak melingkar, usaha dan energi, hingga momentum dan impuls, serta berlatih soal-soal seperti yang telah diuraikan di atas, siswa dapat membangun kepercayaan diri dan kemampuan pemecahan masalah yang lebih baik. Ingatlah bahwa fisika adalah tentang pemahaman, bukan sekadar hafalan rumus. Teruslah berlatih, bertanya, dan jangan ragu untuk mengeksplorasi lebih jauh!