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

Fisika kelas XI semester 2 seringkali menjadi jembatan penting menuju konsep-konsep fisika yang lebih kompleks di tingkat selanjutnya. Materi pada semester ini biasanya berfokus pada pemahaman mendalam tentang gelombang, optik, suhu dan kalor, serta listrik dinamis. Memahami konsep-konsep ini tidak hanya krusial untuk menghadapi ujian, tetapi juga untuk membangun fondasi yang kuat dalam sains dan teknologi.

Artikel ini akan membahas beberapa contoh soal yang representatif dari topik-topik tersebut, disertai dengan pembahasan langkah demi langkah yang jelas. Tujuannya adalah agar siswa dapat tidak hanya menghafal rumus, tetapi benar-benar memahami bagaimana menerapkan prinsip-prinsip fisika dalam penyelesaian masalah.

Bagian 1: Gelombang Mekanik dan Bunyi

Gelombang adalah gangguan yang merambat dan membawa energi. Pada semester 2, kita akan mempelajari gelombang mekanik yang membutuhkan medium untuk merambat, seperti gelombang pada tali, air, dan bunyi.

Konsep Kunci:

• Gelombang Transversal vs. Longitudinal: Gelombang transversal memiliki arah getaran tegak lurus arah rambat, sedangkan gelombang longitudinal memiliki arah getaran sejajar arah rambat.
• Besaran Gelombang:
  • Amplitudo (A): Simpangan maksimum dari titik kesetimbangan.
  • Panjang Gelombang (λ): Jarak antara dua puncak atau dua lembah yang berdekatan.
  • Periode (T): Waktu yang dibutuhkan untuk satu gelombang merambat.
  • Frekuensi (f): Jumlah gelombang yang melewati suatu titik dalam satu detik. (f = 1/T)
  • Cepat Rambat Gelombang (v): Jarak yang ditempuh gelombang dalam satu satuan waktu. (v = λ/T = λf)
• Gelombang Bunyi: Gelombang longitudinal yang merambat melalui medium (padat, cair, gas).
• Intensitas Bunyi (I): Daya yang dipindahkan gelombang per satuan luas.
• Tingkat Intensitas Bunyi (β): Dinyatakan dalam desibel (dB), mengukur persepsi telinga terhadap kenyaringan suara. (β = 10 log (I/I₀), di mana I₀ adalah intensitas ambang pendengaran)

Contoh Soal 1 (Gelombang pada Tali):
Sebuah gelombang transversal merambat pada tali dengan persamaan simpangan $y = 0.05 sin(2pi t – 0.4pi x)$ meter. Jika waktu diukur dalam detik dan jarak dalam meter, tentukan:
a. Amplitudo gelombang.
b. Panjang gelombang.
c. Frekuensi gelombang.
d. Cepat rambat gelombang.
e. Arah rambat gelombang.

Pembahasan Soal 1:
Persamaan umum gelombang transversal yang merambat ke arah sumbu-x positif adalah $y = A sin(omega t – kx)$.
Dengan membandingkan persamaan yang diberikan $y = 0.05 sin(2pi t – 0.4pi x)$ dengan persamaan umum, kita dapat mengidentifikasi besaran-besaran gelombang:

a. Amplitudo (A): Amplitudo adalah koefisien di depan fungsi sinus.
Dari persamaan, $A = 0.05$ meter.

b. Panjang Gelombang (λ): Bilangan gelombang (k) berhubungan dengan panjang gelombang melalui rumus $k = 2pi/lambda$.
Dari persamaan, $k = 0.4pi$.
Maka, $0.4pi = 2pi/lambda$.
$lambda = 2pi / (0.4pi) = 2 / 0.4 = 5$ meter.

c. Frekuensi (f): Kecepatan sudut (ω) berhubungan dengan frekuensi melalui rumus $omega = 2pi f$.
Dari persamaan, $omega = 2pi$.
Maka, $2pi = 2pi f$.
$f = 1$ Hz.

d. Cepat Rambat Gelombang (v): Cepat rambat gelombang dapat dihitung dengan $v = lambda f$ atau $v = omega/k$.
Menggunakan $v = lambda f$: $v = 5 text m times 1 text Hz = 5$ m/s.
Menggunakan $v = omega/k$: $v = (2pi) / (0.4pi) = 2 / 0.4 = 5$ m/s.

e. Arah Rambat Gelombang: Perhatikan tanda di antara suku waktu (t) dan suku jarak (x) dalam argumen fungsi sinus. Jika tanda tersebut negatif (seperti dalam kasus ini, $-0.4pi x$), maka gelombang merambat ke arah sumbu-x positif. Jika tandanya positif, gelombang merambat ke arah sumbu-x negatif.

Contoh Soal 2 (Intensitas dan Tingkat Intensitas Bunyi):
Seorang anak berteriak di telinga Anda dengan intensitas bunyi 10⁻⁵ W/m². Jika intensitas ambang pendengaran adalah 10⁻¹² W/m², hitunglah tingkat intensitas bunyi yang Anda dengar. Jika Anda menjauh dari anak tersebut hingga intensitas bunyi berkurang menjadi seperempatnya, berapa tingkat intensitas bunyi yang baru?

Pembahasan Soal 2:
a. Tingkat intensitas bunyi awal:
Diketahui: $I_1 = 10^-5$ W/m² dan $I_0 = 10^-12$ W/m².
Rumus tingkat intensitas bunyi: $beta = 10 log (I/I_0)$.
$beta_1 = 10 log (10^-5 / 10^-12)$
$beta_1 = 10 log (10^-5 – (-12))$
$beta_1 = 10 log (10^7)$
Karena $log(10^x) = x$, maka:
$beta_1 = 10 times 7 = 70$ dB.

b. Tingkat intensitas bunyi baru:
Intensitas bunyi berkurang menjadi seperempatnya, berarti $I_2 = (1/4)I_1$.
$I_2 = (1/4) times 10^-5$ W/m².
$beta_2 = 10 log (I_2 / I_0)$
$beta_2 = 10 log (((1/4) times 10^-5) / 10^-12)$
$beta_2 = 10 log ((1/4) times 10^7)$
$beta_2 = 10 (log(1/4) + log(10^7))$
$beta_2 = 10 (log(0.25) + 7)$
Menggunakan kalkulator, $log(0.25) approx -0.602$.
$beta_2 = 10 (-0.602 + 7)$
$beta_2 = 10 (6.398)$
$beta_2 approx 63.98$ dB.

**Alternatif perhitungan perubahan tingkat intensitas:**
Kita bisa juga melihat perubahan tingkat intensitasnya saja.
$beta_2 - beta_1 = 10 log(I_2/I_0) - 10 log(I_1/I_0)$
$beta_2 - beta_1 = 10 (log(I_2/I_0) - log(I_1/I_0))$
$beta_2 - beta_1 = 10 log((I_2/I_0) / (I_1/I_0))$
$beta_2 - beta_1 = 10 log(I_2/I_1)$
Karena $I_2 = (1/4)I_1$, maka $I_2/I_1 = 1/4$.
$beta_2 - beta_1 = 10 log(1/4)$
$beta_2 - beta_1 = 10 (log(1) - log(4))$
$beta_2 - beta_1 = 10 (0 - log(4))$
$beta_2 - beta_1 = -10 log(4)$
$beta_2 - beta_1 approx -10 times 0.602 = -6.02$ dB.
Jadi, $beta_2 = beta_1 - 6.02 text dB = 70 text dB - 6.02 text dB = 63.98$ dB.

Bagian 2: Optik Geometri

Optik geometri mempelajari sifat cahaya dalam kaitannya dengan pemantulan dan pembiasan, serta bagaimana cahaya membentuk bayangan pada cermin dan lensa.

Konsep Kunci:

• Pemantulan Cahaya: Terjadi ketika cahaya jatuh pada permukaan datar dan memantul kembali. Hukum Snellius Pemantulan: sudut datang sama dengan sudut pantul ($theta_i = theta_r$).
• Pembiasan Cahaya: Terjadi ketika cahaya melewati dua medium berbeda, menyebabkan perubahan arah rambat. Hukum Snellius Pembiasan: $n_1 sin theta_1 = n_2 sin theta_2$, di mana $n$ adalah indeks bias medium.
• Cermin Datar: Menghasilkan bayangan maya, tegak, sama besar, dan berjarak sama di belakang cermin.
• Cermin Lengkung (Cekung & Cembung):
  • Rumus Lensa/Cermin: $1/f = 1/s + 1/s’$, di mana $f$ adalah fokus, $s$ adalah jarak benda, dan $s’$ adalah jarak bayangan.
  • Perbesaran (M): $M = |s’/s| = |h’/h|$, di mana $h’$ adalah tinggi bayangan dan $h$ adalah tinggi benda.
  • Tanda Konvensi:
    • $f$ positif untuk cermin cekung dan lensa cembung.
    • $f$ negatif untuk cermin cembung dan lensa cekung.
    • $s$ selalu positif (benda nyata).
    • $s’$ positif untuk bayangan nyata (di depan cermin/di belakang lensa).
    • $s’$ negatif untuk bayangan maya (di belakang cermin/di depan lensa).
• Lensa Tipis (Cembung & Cekung): Bekerja berdasarkan prinsip pembiasan. Lensa cembung mengumpulkan cahaya (konvergen), lensa cekung menyebarkan cahaya (divergen).
• Alat Optik: Kaca mata, lup, mikroskop, teleskop.

Contoh Soal 3 (Cermin Cekung):
Sebuah benda setinggi 4 cm diletakkan 10 cm di depan cermin cekung yang memiliki jari-jari kelengkungan 20 cm. Tentukan sifat, letak, dan perbesaran bayangan yang terbentuk.

Pembahasan Soal 3:
Diketahui:

• Tinggi benda, $h = 4$ cm.
• Jarak benda, $s = 10$ cm.
• Jari-jari kelengkungan, $R = 20$ cm.

Pertama, kita perlu mencari jarak fokus (f) cermin cekung. Untuk cermin, $f = R/2$.
Karena cerminnya cekung, fokusnya positif.
$f = 20 text cm / 2 = 10$ cm.

Sekarang kita gunakan rumus cermin: $1/f = 1/s + 1/s’$.
$1/10 = 1/10 + 1/s’$
$1/s’ = 1/10 – 1/10$
$1/s’ = 0$
$s’ = infty$

Interpretasi:
Ketika jarak benda sama dengan jarak fokus cermin cekung, bayangan akan terbentuk di tak terhingga. Ini berarti berkas cahaya akan keluar dari cermin sejajar.

Namun, mari kita periksa kembali jika ada kekeliruan dalam interpretasi umum atau jika soal ini mengarah pada konsep spesifik. Dalam kasus cermin cekung, jika benda diletakkan tepat di titik fokus, sinar pantul akan sejajar dan tidak akan membentuk bayangan di tempat tertentu (atau dianggap di tak terhingga).

Mari kita asumsikan ada sedikit perbedaan nilai atau soal ini memang dirancang untuk menguji kasus khusus ini. Jika $s = f$, maka $s’ = infty$.

Jika kita menggunakan konsep perbesaran:
$M = -s’/s$
Karena $s’ = infty$, perbesaran juga menjadi tidak terdefinisi dalam arti konvensional, yang mengkonfirmasi bayangan di tak terhingga.

Sifat Bayangan: Bayangan di tak terhingga seringkali diinterpretasikan sebagai tidak terbentuk atau tidak dapat ditangkap layar (maya). Namun, dalam konteks pembentukan bayangan yang jelas, ini menandakan kondisi khusus.

Kemungkinan Koreksi Soal/Interpretasi:
Soal seperti ini terkadang menguji pemahaman batas. Jika soal menginginkan bayangan yang terbentuk dan terukur, maka jarak benda seharusnya tidak sama persis dengan jarak fokus.

Asumsi jika jarak benda sedikit berbeda:
Misalnya jika $s = 11$ cm.
$1/10 = 1/11 + 1/s’$
$1/s’ = 1/10 – 1/11 = (11-10)/110 = 1/110$
$s’ = 110$ cm.
Perbesaran $M = -s’/s = -110/11 = -10$.
Bayangan nyata, terbalik, diperbesar 10 kali, terletak 110 cm di depan cermin.

Kembali ke Soal Asli (s=10 cm, f=10 cm):
Ketika benda berada di fokus cermin cekung, sinar yang datang sejajar setelah dipantulkan akan berpotongan di tak terhingga. Ini berarti tidak ada bayangan yang terbentuk di depan cermin atau di belakang cermin. Kondisi ini seringkali diartikan sebagai "bayangan tidak terbentuk" atau "bayangan di tak terhingga".

Contoh Soal 4 (Lensa Cembung):
Sebuah benda setinggi 3 cm diletakkan 30 cm di depan lensa cembung yang memiliki fokus 20 cm. Tentukan sifat, letak, dan perbesaran bayangan yang terbentuk.

Pembahasan Soal 4:
Diketahui:

• Tinggi benda, $h = 3$ cm.
• Jarak benda, $s = 30$ cm.
• Jarak fokus lensa cembung, $f = 20$ cm (positif karena cembung).

Kita gunakan rumus lensa: $1/f = 1/s + 1/s’$.
$1/20 = 1/30 + 1/s’$
$1/s’ = 1/20 – 1/30$
$1/s’ = (3 – 2) / 60$
$1/s’ = 1/60$
$s’ = 60$ cm.

Karena $s’$ bernilai positif, bayangan bersifat nyata.
Karena $s’$ positif dan lensa cembung, bayangan terletak di belakang lensa sejauh 60 cm.

Selanjutnya, kita hitung perbesaran (M):
$M = -s’/s$
$M = -60 text cm / 30 text cm$
$M = -2$.

Tanda negatif pada M menunjukkan bayangan bersifat terbalik.
Nilai $|M| = 2$ menunjukkan bayangan diperbesar 2 kali.
Tinggi bayangan ($h’$):
$M = h’/h$
$-2 = h’ / 3 text cm$
$h’ = -2 times 3 text cm = -6$ cm.
Tinggi bayangan adalah 6 cm (tanda negatif mengkonfirmasi terbalik).

Jadi, sifat bayangan adalah nyata, terbalik, dan diperbesar 2 kali. Letak bayangan adalah 60 cm di belakang lensa.

Bagian 3: Suhu dan Kalor

Bagian ini mempelajari konsep perpindahan panas, perubahan suhu, dan perubahan wujud zat.

Konsep Kunci:

• Suhu: Ukuran derajat panas atau dingin suatu benda. Skala umum: Celsius (°C), Fahrenheit (°F), Kelvin (K).
  • Konversi: $K = °C + 273.15$
  • Konversi: $°F = (9/5)°C + 32$
• Kalor: Energi panas yang berpindah dari benda bersuhu lebih tinggi ke benda bersuhu lebih rendah.
• Kalor Laten (Q_laten): Kalor yang dibutuhkan/dilepaskan saat terjadi perubahan wujud tanpa perubahan suhu (misal: melebur, membeku, menguap, mengembun).
  • Rumus: $Q = m L$, di mana $m$ adalah massa dan $L$ adalah kalor laten.
• Kalor Jenis (Q_jenis): Kalor yang dibutuhkan/dilepaskan untuk menaikkan/menurunkan suhu 1 kg zat sebesar 1°C.
  • Rumus: $Q = mcDelta T$, di mana $c$ adalah kalor jenis dan $Delta T$ adalah perubahan suhu.
• Azas Black: Jika dua benda dengan suhu berbeda dicampur, maka kalor yang dilepaskan benda panas sama dengan kalor yang diterima benda dingin, asalkan tidak ada kalor yang hilang ke lingkungan.
  • Rumus: $Qlepas = Qterima$.

Contoh Soal 5 (Azas Black):
Berapa gram air bersuhu 100°C yang harus dicampurkan ke dalam 500 gram air bersuhu 20°C agar suhu campurannya menjadi 40°C? (Kalor jenis air = 4200 J/kg°C)

Pembahasan Soal 5:
Diketahui:

• Massa air dingin ($m_1$) = 500 gram = 0.5 kg.
• Suhu air dingin ($T_1$) = 20°C.
• Suhu air panas ($T_2$) = 100°C.
• Suhu campuran ($T_campuran$) = 40°C.
• Kalor jenis air ($c$) = 4200 J/kg°C.

Ditanya: Massa air panas ($m_2$) dalam gram.

Menurut Azas Black: $Qterima = Qlepas$.
Air dingin akan menerima kalor, sedangkan air panas akan melepaskan kalor.

Kalor yang diterima air dingin:
$Q_terima = m1 c (Tcampuran – T1)$
$Qterima = (0.5 text kg) times (4200 text J/kg°C) times (40°C – 20°C)$
$Qterima = 0.5 times 4200 times 20$
$Qterima = 42000$ Joule.

Kalor yang dilepaskan air panas:
$Q_lepas = m_2 c (T2 – Tcampuran)$
$Q_lepas = m2 times (4200 text J/kg°C) times (100°C – 40°C)$
$Qlepas = m2 times 4200 times 60$
$Qlepas = m_2 times 252000$ Joule.

Menggunakan Azas Black ($Qterima = Qlepas$):
$42000 text J = m_2 times 252000 text J/kg$
$m_2 = 42000 / 252000$ kg
$m_2 = 42 / 252$ kg
$m_2 = 1/6$ kg.

Karena ditanya dalam gram, kita konversi:
$m_2 = (1/6) text kg times 1000 text g/kg$
$m_2 = 1000 / 6$ gram
$m_2 approx 166.67$ gram.

Jadi, dibutuhkan sekitar 166.67 gram air bersuhu 100°C.

Bagian 4: Listrik Dinamis

Listrik dinamis mempelajari aliran muatan listrik (arus listrik) dan hubungan antara tegangan, arus, dan hambatan.

Konsep Kunci:

• Arus Listrik (I): Laju aliran muatan listrik. Satuan Ampere (A).
  • Rumus: $I = Q/t$, di mana $Q$ adalah muatan dan $t$ adalah waktu.
• Tegangan Listrik (V): Perbedaan potensial antara dua titik dalam rangkaian. Satuan Volt (V).
• Hambatan Listrik (R): Kemampuan suatu bahan untuk menghambat aliran arus listrik. Satuan Ohm (Ω).
• Hukum Ohm: Hubungan antara tegangan, arus, dan hambatan.
  • Rumus: $V = IR$.
• Rangkaian Seri: Komponen-komponen disusun berurutan.
  • Hambatan total: $R_total = R_1 + R_2 + R_3 + …$
  • Arus sama di setiap komponen: $I_total = I_1 = I_2 = I_3 = …$
  • Tegangan terbagi: $V_total = V_1 + V_2 + V_3 + …$
• Rangkaian Paralel: Komponen-komponen disusun bercabang.
  • Kebalikan hambatan total: $1/R_total = 1/R_1 + 1/R_2 + 1/R_3 + …$
  • Tegangan sama di setiap komponen: $V_total = V_1 = V_2 = V_3 = …$
  • Arus terbagi: $I_total = I_1 + I_2 + I_3 + …$
• Daya Listrik (P): Laju energi listrik yang digunakan. Satuan Watt (W).
  • Rumus: $P = VI = I^2R = V^2/R$.
• Energi Listrik (E): Energi yang dihasilkan atau dikonsumsi oleh alat listrik.
  • Rumus: $E = P times t = VIt = I^2Rt = (V^2/R)t$.

Contoh Soal 6 (Rangkaian Seri dan Paralel):
Perhatikan rangkaian listrik berikut. Tiga buah resistor masing-masing 2 Ω, 4 Ω, dan 6 Ω dihubungkan secara seri, kemudian rangkaian seri ini dihubungkan paralel dengan resistor 3 Ω. Seluruh rangkaian dihubungkan ke sumber tegangan 12 V. Hitunglah:
a. Hambatan total rangkaian.
b. Arus total yang mengalir dalam rangkaian.
c. Arus yang melalui resistor 3 Ω.
d. Tegangan pada ujung-ujung rangkaian seri (2 Ω, 4 Ω, 6 Ω).

Pembahasan Soal 6:
Pertama, kita identifikasi bagian-bagian rangkaian.
Ada rangkaian seri (R1, R2, R3) dan resistor tunggal (R4) yang dihubungkan paralel.

Resistor seri: $R_1 = 2$ Ω, $R_2 = 4$ Ω, $R_3 = 6$ Ω.
Resistor paralel: $R4 = 3$ Ω.
Sumber tegangan: $Vtotal = 12$ V.

a. Hambatan total rangkaian:
Hitung dulu hambatan total rangkaian seri ($Rseri$):
$Rseri = R_1 + R_2 + R_3 = 2 Omega + 4 Omega + 6 Omega = 12 Omega$.

Sekarang, $R_seri$ dan $R_4$ dihubungkan paralel. Hitung hambatan total rangkaian ($R_total$):
$1/R_total = 1/R_seri + 1/R_4$
$1/R_total = 1/12 Omega + 1/3 Omega$
$1/R_total = (1 + 4) / 12 Omega$
$1/R_total = 5/12 Omega$
$R_total = 12/5 Omega = 2.4 Omega$.

b. Arus total yang mengalir dalam rangkaian:
Menggunakan Hukum Ohm untuk seluruh rangkaian: $Itotal = Vtotal / Rtotal$.
$Itotal = 12 text V / 2.4 Omega$
$I_total = 5$ A.

c. Arus yang melalui resistor 3 Ω:
Resistor 3 Ω (R4) terhubung paralel dengan sumber tegangan 12 V (karena rangkaian seri juga memiliki tegangan yang sama dengan sumbernya saat dihubungkan paralel). Jadi, tegangan pada R4 sama dengan tegangan total.
Menggunakan Hukum Ohm untuk R4: $I4 = Vtotal / R_4$.
$I_4 = 12 text V / 3 Omega$
$I_4 = 4$ A.

d. Tegangan pada ujung-ujung rangkaian seri (2 Ω, 4 Ω, 6 Ω):
Karena rangkaian seri dihubungkan paralel dengan sumber tegangan 12 V, maka tegangan pada ujung-ujung rangkaian seri tersebut sama dengan tegangan sumber.
$Vseri = Vtotal = 12$ V.

**Alternatif perhitungan (untuk memeriksa konsistensi):**
Arus yang mengalir melalui rangkaian seri ($I_seri$) adalah $I_total - I_4 = 5 text A - 4 text A = 1 text A$.
Menggunakan Hukum Ohm pada rangkaian seri: $V_seri = I_seri times R_seri$.
$V_seri = 1 text A times 12 Omega = 12$ V. Hasilnya konsisten.

Penutup:

Memahami konsep-konsep fisika kelas XI semester 2 membutuhkan latihan soal yang konsisten dan pemahaman yang mendalam terhadap setiap langkah penyelesaian. Contoh-contoh soal di atas mencakup berbagai aspek dari gelombang, optik, suhu dan kalor, hingga listrik dinamis. Dengan menguasai materi ini, siswa akan lebih siap menghadapi tantangan akademis dan dapat melihat bagaimana fisika berperan penting dalam kehidupan sehari-hari. Terus berlatih dan jangan ragu untuk bertanya jika ada yang kurang jelas!