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

Fisika kelas 11 semester 2 merupakan fase krusial dalam pendalaman konsep-konsep fisika yang lebih kompleks, terutama yang berkaitan dengan listrik dinamis, kemagnetan, dan gelombang. Memahami materi ini dengan baik akan menjadi fondasi yang kuat untuk pembelajaran di jenjang berikutnya, bahkan untuk karir di bidang sains dan teknologi.

Artikel ini akan mengajak Anda untuk menaklukkan materi fisika kelas 11 semester 2 melalui contoh soal yang representatif dan pembahasan yang mendalam. Kita akan fokus pada topik-topik utama yang seringkali menjadi tantangan bagi siswa, lengkap dengan strategi penyelesaian dan pemahaman konsep di baliknya.

1. Listrik Dinamis: Arus, Tegangan, dan Hambatan

Listrik dinamis mempelajari tentang muatan listrik yang bergerak. Konsep utamanya meliputi:

• Arus Listrik (I): Laju aliran muatan listrik. Diukur dalam Ampere (A).
• Tegangan Listrik (V): Perbedaan potensial antara dua titik dalam rangkaian. Diukur dalam Volt (V).
• Hambatan Listrik (R): Sifat suatu bahan yang menghambat aliran arus listrik. Diukur dalam Ohm ($Omega$).

Hubungan antara ketiganya dijelaskan oleh Hukum Ohm:

$$V = I times R$$

Selain itu, kita juga akan membahas rangkaian seri dan paralel.

• Rangkaian Seri: Hambatan totalnya adalah jumlah masing-masing hambatan ($R_total = R_1 + R_2 + dots$). Arus yang mengalir sama di setiap komponen.
• Rangkaian Paralel: Kebalikan dari hambatan totalnya dihitung dengan rumus $frac1R_total = frac1R_1 + frac1R_2 + dots$. Tegangan yang melintasi setiap komponen sama.

Contoh Soal 1:

Sebuah rangkaian listrik terdiri dari tiga resistor yang dirangkai seri dengan nilai hambatan $R_1 = 2 , Omega$, $R_2 = 3 , Omega$, dan $R_3 = 5 , Omega$. Rangkaian ini dihubungkan dengan sumber tegangan sebesar $12 , V$. Tentukan:
a. Hambatan total rangkaian.
b. Arus listrik yang mengalir dalam rangkaian.
c. Tegangan yang jatuh pada masing-masing resistor.

Pembahasan Soal 1:

a. Hambatan Total Rangkaian:
Karena resistor dirangkai seri, hambatan totalnya adalah jumlah masing-masing hambatan.
$R_total = R_1 + R_2 + R3$
$Rtotal = 2 , Omega + 3 , Omega + 5 , Omega$
$R_total = 10 , Omega$

b. Arus Listrik yang Mengalir dalam Rangkaian:
Menggunakan Hukum Ohm ($V = I times R$), kita bisa mencari arus ($I$).
$I = fracVR_total$
$I = frac12 , V10 , Omega$
$I = 1.2 , A$
Arus listrik yang mengalir dalam rangkaian adalah 1.2 Ampere.

c. Tegangan yang Jatuh pada Masing-masing Resistor:
Dalam rangkaian seri, arus yang mengalir pada setiap resistor adalah sama, yaitu $I = 1.2 , A$. Kita dapat menghitung tegangan yang jatuh pada masing-masing resistor menggunakan Hukum Ohm.

• Tegangan pada $R_1$ ($V_1$):
  $V_1 = I times R_1$
  $V_1 = 1.2 , A times 2 , Omega$
  $V_1 = 2.4 , V$
• Tegangan pada $R_2$ ($V_2$):
  $V_2 = I times R_2$
  $V_2 = 1.2 , A times 3 , Omega$
  $V_2 = 3.6 , V$

• Tegangan pada $R_3$ ($V_3$):
  $V_3 = I times R_3$
  $V_3 = 1.2 , A times 5 , Omega$
  $V_3 = 6.0 , V$

  Pengecekan: Jumlah tegangan yang jatuh pada setiap resistor seharusnya sama dengan tegangan sumber. $V_1 + V_2 + V_3 = 2.4 , V + 3.6 , V + 6.0 , V = 12 , V$. Hasil ini sesuai dengan tegangan sumber.

Contoh Soal 2:

Dalam sebuah rangkaian paralel, tiga resistor dengan nilai hambatan $R_1 = 6 , Omega$, $R_2 = 3 , Omega$, dan $R_3 = 2 , Omega$ dihubungkan dengan sumber tegangan $6 , V$. Tentukan:
a. Hambatan total rangkaian.
b. Arus total yang mengalir dari sumber.
c. Arus yang mengalir pada masing-masing cabang resistor.

Pembahasan Soal 2:

a. Hambatan Total Rangkaian:
Karena resistor dirangkai paralel, kita gunakan rumus kebalikan hambatan total.
$frac1R_total = frac1R_1 + frac1R_2 + frac1R3$
$frac1Rtotal = frac16 , Omega + frac13 , Omega + frac12 , Omega$
Untuk menjumlahkan pecahan, samakan penyebutnya (misalnya, menjadi 6).
$frac1Rtotal = frac16 + frac26 + frac36$
$frac1Rtotal = frac66$
$frac1Rtotal = 1 , Omega^-1$
Maka, $Rtotal = 1 , Omega$.

b. Arus Total yang Mengalir dari Sumber:
Menggunakan Hukum Ohm ($V = I times R$), kita bisa mencari arus total ($Itotal$).
$Itotal = fracVRtotal$
$Itotal = frac6 , V1 , Omega$
$I_total = 6 , A$
Arus total yang mengalir dari sumber adalah 6 Ampere.

c. Arus yang Mengalir pada Masing-masing Cabang Resistor:
Dalam rangkaian paralel, tegangan yang melintasi setiap resistor adalah sama dengan tegangan sumber, yaitu $V = 6 , V$. Kita dapat menghitung arus yang mengalir pada masing-masing resistor menggunakan Hukum Ohm.

• Arus pada $R_1$ ($I_1$):
  $I_1 = fracVR_1$
  $I_1 = frac6 , V6 , Omega$
  $I_1 = 1 , A$
• Arus pada $R_2$ ($I_2$):
  $I_2 = fracVR_2$
  $I_2 = frac6 , V3 , Omega$
  $I_2 = 2 , A$

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

  Pengecekan: Jumlah arus pada setiap cabang seharusnya sama dengan arus total yang keluar dari sumber. $I_1 + I_2 + I_3 = 1 , A + 2 , A + 3 , A = 6 , A$. Hasil ini sesuai dengan arus total.

2. Kemagnetan: Gaya Lorentz dan Induksi Elektromagnetik

Bagian ini akan membahas bagaimana listrik dan magnet saling berkaitan.

• Gaya Lorentz: Gaya yang dialami oleh penghantar berarus listrik ketika berada dalam medan magnet. Dirumuskan oleh $F = B cdot I cdot L cdot sintheta$, di mana $B$ adalah kuat medan magnet, $I$ adalah kuat arus, $L$ adalah panjang penghantar, dan $theta$ adalah sudut antara arah arus dan arah medan magnet. Arah gaya Lorentz ditentukan oleh kaidah tangan kanan.

• Induksi Elektromagnetik: Fenomena timbulnya arus listrik dalam kumparan akibat perubahan fluks magnetik yang melaluinya. Hukum Faraday menyatakan bahwa GGL induksi ($mathcalE$) sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik ($fracdPhi_Bdt$). Hukum Lenz menyatakan bahwa arah arus induksi sedemikian rupa sehingga menghasilkan medan magnet yang melawan perubahan fluks magnetik yang menyebabkannya.

Contoh Soal 3:

Sebuah kawat lurus sepanjang $0.5 , m$ dialiri arus listrik sebesar $2 , A$. Kawat tersebut berada dalam medan magnet seragam sebesar $0.4 , T$ yang tegak lurus terhadap arah arus. Tentukan besar gaya Lorentz yang dialami kawat tersebut.

Pembahasan Soal 3:

Kita gunakan rumus Gaya Lorentz: $F = B cdot I cdot L cdot sintheta$.
Diketahui:

• $B = 0.4 , T$
• $I = 2 , A$
• $L = 0.5 , m$
• Karena medan magnet tegak lurus terhadap arah arus, maka $theta = 90^circ$, dan $sin90^circ = 1$.

Substitusikan nilai-nilai tersebut ke dalam rumus:
$F = (0.4 , T) cdot (2 , A) cdot (0.5 , m) cdot (1)$
$F = 0.4 , N$

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

Contoh Soal 4:

Sebuah kumparan dengan 100 lilitan memiliki luas penampang $0.02 , m^2$ dan berada dalam medan magnet yang berubah dari $0.1 , T$ menjadi $0.5 , T$ dalam waktu $0.05 , s$. Jika medan magnet tegak lurus terhadap bidang kumparan, hitunglah GGL induksi yang ditimbulkan pada kumparan.

Pembahasan Soal 4:

Pertama, kita perlu menghitung perubahan fluks magnetik ($DeltaPhi_B$) per satuan luas.
Fluks magnetik ($Phi_B$) didefinisikan sebagai $PhiB = B cdot A cdot costheta$. Karena medan magnet tegak lurus bidang kumparan, $theta = 0^circ$ dan $cos0^circ = 1$.
Fluks magnetik awal ($PhiB1$):
$Phi_B1 = B1 cdot A = (0.1 , T) cdot (0.02 , m^2) = 0.002 , Wb$
Fluks magnetik akhir ($PhiB2$):
$Phi_B2 = B_2 cdot A = (0.5 , T) cdot (0.02 , m^2) = 0.01 , Wb$

Perubahan fluks magnetik ($DeltaPhi_B$):
$DeltaPhiB = PhiB2 – Phi_B1 = 0.01 , Wb – 0.002 , Wb = 0.008 , Wb$

Perubahan fluks magnetik terjadi dalam waktu ($Delta t$) sebesar $0.05 , s$.
Laju perubahan fluks magnetik adalah $fracDeltaPhi_BDelta t = frac0.008 , Wb0.05 , s = 0.16 , Wb/s$.

Menurut Hukum Faraday, GGL induksi ($mathcalE$) pada kumparan dengan $N$ lilitan adalah:
$mathcalE = -N fracDeltaPhi_BDelta t$
(Tanda negatif menunjukkan arah GGL induksi sesuai Hukum Lenz, tetapi kita hanya diminta besar GGL-nya).

$mathcalE = 100 times 0.16 , Wb/s$
$mathcalE = 16 , V$

Jadi, besar GGL induksi yang ditimbulkan pada kumparan adalah $16 , Volt$.

3. Gelombang Mekanik dan Gelombang Elektromagnetik

Bagian ini mencakup sifat-sifat gelombang, seperti pemantulan, pembiasan, difraksi, dan interferensi. Kita juga akan membahas gelombang elektromagnetik sebagai gelombang transversal yang tidak memerlukan medium untuk merambat.

• Persamaan Gelombang: Gelombang dapat dinyatakan dengan persamaan $y(x,t) = A sin(kx – omega t + phi)$ atau $y(x,t) = A sin(omega t – kx + phi)$, di mana $A$ adalah amplitudo, $k$ adalah bilangan gelombang, $omega$ adalah frekuensi sudut, dan $phi$ adalah fase awal.
  • Panjang gelombang ($lambda$) dihubungkan dengan bilangan gelombang ($k$) oleh $k = frac2pilambda$.
  • Frekuensi sudut ($omega$) dihubungkan dengan frekuensi ($f$) oleh $omega = 2pi f$.
  • Cepat rambat gelombang ($v$) adalah $v = lambda f = fracomegak$.

Contoh Soal 5:

Sebuah gelombang transversal merambat sepanjang tali dengan persamaan simpangan $y(x,t) = 0.05 sin(2pi t – 0.5pi x)$, di mana $y$, $t$, dan $x$ berturut-turut dalam meter, sekon, dan meter. Tentukan:
a. Amplitudo gelombang.
b. Panjang gelombang.
c. Frekuensi gelombang.
d. Cepat rambat gelombang.

Pembahasan Soal 5:

Persamaan gelombang yang diberikan adalah $y(x,t) = 0.05 sin(2pi t – 0.5pi x)$.
Kita bandingkan dengan bentuk umum persamaan gelombang: $y(x,t) = A sin(omega t – kx + phi)$.

a. Amplitudo gelombang ($A$):
Dari perbandingan, amplitudo adalah koefisien di depan fungsi sinus.
$A = 0.05 , m$.

b. Panjang gelombang ($lambda$):
Bilangan gelombang ($k$) adalah koefisien dari $x$.
$k = 0.5pi , rad/m$.
Kita tahu bahwa $k = frac2pilambda$.
Maka, $lambda = frac2pik = frac2pi0.5pi = frac20.5 = 4 , m$.
Panjang gelombang adalah $4 , meter$.

c. Frekuensi gelombang ($f$):
Frekuensi sudut ($omega$) adalah koefisien dari $t$.
$omega = 2pi , rad/s$.
Kita tahu bahwa $omega = 2pi f$.
Maka, $f = fracomega2pi = frac2pi2pi = 1 , Hz$.
Frekuensi gelombang adalah $1 , Hertz$.

d. Cepat rambat gelombang ($v$):
Kita bisa menggunakan rumus $v = lambda f$ atau $v = fracomegak$.
Menggunakan $v = lambda f$:
$v = (4 , m) times (1 , Hz) = 4 , m/s$.
Menggunakan $v = fracomegak$:
$v = frac2pi , rad/s0.5pi , rad/m = frac20.5 , m/s = 4 , m/s$.
Cepat rambat gelombang adalah $4 , meter/sekon$.

Penutup

Memahami konsep-konsep inti dari listrik dinamis, kemagnetan, dan gelombang, serta mampu menerapkannya dalam penyelesaian soal adalah kunci keberhasilan dalam fisika kelas 11 semester 2. Latihan soal yang bervariasi dan pemahaman mendalam terhadap setiap langkah penyelesaian akan membangun kepercayaan diri dan kemampuan analitis Anda.

Ingatlah bahwa fisika bukanlah sekadar menghafal rumus, melainkan memahami logika di balik setiap fenomena. Teruslah berlatih, bertanya, dan berdiskusi untuk menguasai materi ini dengan optimal. Semoga artikel ini bermanfaat dalam perjalanan belajar Anda!