Menguasai Fisika Kelas 10 Semester 2: Contoh Soal dan Pembahasan Mendalam

Fisika kelas 10 semester 2 merupakan fase penting dalam membangun pemahaman dasar tentang fenomena alam yang lebih kompleks. Materi yang disajikan biasanya mencakup topik-topik krusial seperti usaha, energi, daya, momentum, impuls, serta gerak rotasi. Memahami konsep-konsep ini tidak hanya penting untuk kesuksesan akademis, tetapi juga untuk membentuk cara pandang ilmiah terhadap dunia di sekitar kita.

Artikel ini akan mengajak Anda untuk menjelajahi beberapa contoh soal yang representatif dari materi fisika kelas 10 semester 2, lengkap dengan pembahasan langkah demi langkah yang mendalam. Tujuannya adalah agar siswa dapat tidak hanya menghafal rumus, tetapi juga memahami mengapa dan bagaimana rumus tersebut diterapkan, serta mengembangkan kemampuan analisis dan pemecahan masalah.

Bab 1: Usaha, Energi, dan Daya

Konsep Kunci:

• Usaha (W): Dilakukan oleh gaya ketika gaya tersebut menyebabkan perpindahan pada benda. Dihitung dengan rumus $W = F cdot s cdot costheta$.
• Energi Potensial (EP): Energi yang dimiliki benda karena posisinya. Untuk benda di dekat permukaan bumi, $EP = mgh$.
• Energi Kinetik (EK): Energi yang dimiliki benda karena geraknya. Dihitung dengan rumus $EK = frac12mv^2$.
• Hukum Kekekalan Energi Mekanik: Jika hanya gaya konservatif yang bekerja, jumlah energi potensial dan energi kinetik suatu benda tetap konstan ($EP_1 + EK_1 = EP_2 + EK_2$).
• Daya (P): Laju usaha yang dilakukan atau energi yang ditransfer. Dihitung dengan rumus $P = fracWt$ atau $P = fracDelta EKt$.

Contoh Soal 1.1:

Sebuah balok bermassa 5 kg ditarik mendatar di atas permukaan lantai licin dengan gaya konstan sebesar 20 N sejauh 4 meter. Hitunglah usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut!

Pembahasan 1.1:

Dalam soal ini, kita diminta untuk menghitung usaha yang dilakukan oleh gaya.
Diketahui:

• Massa balok ($m$) = 5 kg (informasi ini tidak langsung digunakan untuk menghitung usaha, tetapi berguna untuk konsep energi).
• Gaya yang diberikan ($F$) = 20 N.
• Perpindahan ($s$) = 4 meter.
• Arah gaya sejajar dengan arah perpindahan, sehingga sudut ($theta$) antara gaya dan perpindahan adalah 0 derajat. Nilai $cos(0^circ) = 1$.

Rumus usaha adalah:
$W = F cdot s cdot costheta$

Substitusikan nilai-nilai yang diketahui:
$W = 20 text N cdot 4 text m cdot cos(0^circ)$
$W = 20 text N cdot 4 text m cdot 1$
$W = 80 text Joule$

Jadi, usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut adalah 80 Joule.

Contoh Soal 1.2:

Sebuah bola dilempar vertikal ke atas dari ketinggian 2 meter di atas tanah dengan kecepatan awal 10 m/s. Jika massa bola adalah 0.5 kg dan percepatan gravitasi $g = 10 text m/s^2$, tentukan:
a. Energi kinetik bola saat dilempar.
b. Energi potensial bola saat dilempar.
c. Energi mekanik bola saat dilempar.
d. Ketinggian maksimum yang dicapai bola.
e. Energi kinetik bola saat mencapai ketinggian maksimum.
f. Energi potensial bola saat mencapai ketinggian maksimum.
g. Energi mekanik bola saat mencapai ketinggian maksimum.

Pembahasan 1.2:

Diketahui:

• Massa bola ($m$) = 0.5 kg.
• Kecepatan awal ($v_1$) = 10 m/s.
• Ketinggian awal ($h_1$) = 2 meter.
• Percepatan gravitasi ($g$) = 10 m/s$^2$.

a. Energi kinetik bola saat dilempar ($EK_1$):
$EK_1 = frac12mv_1^2$
$EK_1 = frac12 cdot 0.5 text kg cdot (10 text m/s)^2$
$EK_1 = frac12 cdot 0.5 cdot 100 text J$
$EK_1 = 0.5 cdot 50 text J$
$EK_1 = 25 text Joule$

b. Energi potensial bola saat dilempar ($EP_1$):
$EP_1 = mgh_1$
$EP_1 = 0.5 text kg cdot 10 text m/s^2 cdot 2 text m$
$EP_1 = 10 text Joule$

c. Energi mekanik bola saat dilempar ($EM_1$):
Energi mekanik adalah jumlah energi kinetik dan energi potensial.
$EM_1 = EK_1 + EP_1$
$EM_1 = 25 text J + 10 text J$
$EM_1 = 35 text Joule$

d. Ketinggian maksimum yang dicapai bola ($h_max$):
Pada ketinggian maksimum, kecepatan bola sesaat adalah nol ($v_max = 0$). Kita gunakan hukum kekekalan energi mekanik. Misalkan titik 1 adalah saat dilempar dan titik 2 adalah saat mencapai ketinggian maksimum.
$EM1 = EMmax$
$EK_1 + EP1 = EKmax + EP_max$
$EK_1 + mgh1 = frac12mvmax^2 + mghmax$
Karena $vmax = 0$, maka $EKmax = 0$.
$25 text J + 10 text J = 0 + mghmax$
$35 text J = 0.5 text kg cdot 10 text m/s^2 cdot hmax$
$35 text J = 5 text N cdot hmax$
$hmax = frac35 text J5 text N$
$hmax = 7 text meter$

e. Energi kinetik bola saat mencapai ketinggian maksimum ($EK_max$):
Seperti yang dijelaskan pada poin d, pada ketinggian maksimum, kecepatan bola adalah nol.
$EKmax = frac12mvmax^2$
$EKmax = frac12 cdot 0.5 text kg cdot (0 text m/s)^2$
$EKmax = 0 text Joule$

f. Energi potensial bola saat mencapai ketinggian maksimum ($EP_max$):
$EPmax = mghmax$
$EPmax = 0.5 text kg cdot 10 text m/s^2 cdot 7 text m$
$EPmax = 35 text Joule$

g. Energi mekanik bola saat mencapai ketinggian maksimum ($EM_max$):
$EMmax = EKmax + EPmax$
$EMmax = 0 text J + 35 text J$
$EM_max = 35 text Joule$

Perhatikan bahwa energi mekanik total tetap konstan (35 Joule) selama bola bergerak, asalkan tidak ada gaya non-konservatif seperti gesekan udara yang signifikan.

Bab 2: Momentum dan Impuls

Konsep Kunci:

• Momentum (p): Ukuran kecenderungan benda untuk terus bergerak. Dihitung dengan rumus $p = mv$. Momentum adalah besaran vektor.
• Impuls (I): Perubahan momentum suatu benda. Dihitung dengan rumus $I = Delta p = pakhir – pawal$ atau $I = F cdot Delta t$.
• Hukum Kekekalan Momentum: Dalam sistem tertutup (tidak ada gaya luar), total momentum sebelum dan sesudah tumbukan adalah sama.

Contoh Soal 2.1:

Sebuah bola kasti bermassa 0.2 kg bergerak dengan kecepatan 20 m/s ke arah kanan. Bola tersebut dipukul balik dengan kecepatan 30 m/s ke arah kiri. Tentukan besar dan arah impuls yang diberikan pada bola!

Pembahasan 2.1:

Diketahui:

• Massa bola ($m$) = 0.2 kg.
• Kecepatan awal ($v_1$) = 20 m/s (kita tetapkan arah kanan sebagai positif).
• Kecepatan akhir ($v_2$) = -30 m/s (arah kiri adalah negatif).

Impuls adalah perubahan momentum:
$I = Delta p = pakhir – pawal$
$I = mv_2 – mv_1$

Substitusikan nilai-nilai yang diketahui:
$I = (0.2 text kg cdot (-30 text m/s)) – (0.2 text kg cdot 20 text m/s)$
$I = (-6 text kg m/s) – (4 text kg m/s)$
$I = -10 text kg m/s$

Tanda negatif menunjukkan bahwa arah impuls adalah ke kiri.

Jadi, besar impuls yang diberikan pada bola adalah 10 kg m/s, dengan arah ke kiri.

Contoh Soal 2.2:

Dua buah balok, A dan B, bergerak saling mendekat di atas permukaan horizontal licin. Massa balok A adalah 4 kg dengan kecepatan 5 m/s ke kanan, dan massa balok B adalah 6 kg dengan kecepatan 4 m/s ke kiri. Kedua balok bertumbukan dan menyatu (tumbukan tidak lenting sempurna). Tentukan kecepatan kedua balok setelah tumbukan!

Pembahasan 2.2:

Ini adalah contoh tumbukan tidak lenting sempurna, di mana kedua benda bergerak bersama setelah tumbukan. Kita akan menggunakan hukum kekekalan momentum.

Diketahui:

• Massa balok A ($m_A$) = 4 kg.
• Kecepatan awal balok A ($v_A1$) = 5 m/s (ke kanan, kita tetapkan positif).
• Massa balok B ($m_B$) = 6 kg.
• Kecepatan awal balok B ($v_B1$) = -4 m/s (ke kiri, negatif).

Momentum total sebelum tumbukan ($ptotal1$):
$ptotal1 = p_A + pB$
$ptotal1 = mA vA1 + mB vB1$
$ptotal1 = (4 text kg cdot 5 text m/s) + (6 text kg cdot (-4 text m/s))$
$ptotal1 = (20 text kg m/s) + (-24 text kg m/s)$
$p_total1 = -4 text kg m/s$

Momentum total setelah tumbukan ($p_total2$):
Karena kedua balok menyatu, massa total setelah tumbukan adalah $(m_A + m_B)$. Misalkan kecepatan kedua balok setelah tumbukan adalah $v2$.
$ptotal2 = (m_A + m_B) v2$
$ptotal2 = (4 text kg + 6 text kg) v2$
$ptotal2 = 10 text kg cdot v_2$

Menurut hukum kekekalan momentum, $ptotal1 = ptotal2$:
$-4 text kg m/s = 10 text kg cdot v_2$

Cari nilai $v_2$:
$v_2 = frac-4 text kg m/s10 text kg$
$v_2 = -0.4 text m/s$

Tanda negatif menunjukkan bahwa arah kecepatan gabungan kedua balok setelah tumbukan adalah ke kiri.

Jadi, kecepatan kedua balok setelah tumbukan adalah 0.4 m/s ke arah kiri.

Bab 3: Gerak Rotasi

Konsep Kunci:

• Momentum Sudut (L): Analog dengan momentum linear, ukuran kecenderungan benda untuk terus berputar. Dihitung dengan rumus $L = Iomega$, di mana $I$ adalah momen inersia dan $omega$ adalah kecepatan sudut.
• Momen Inersia (I): Ukuran kelembaman benda terhadap rotasi. Nilainya bergantung pada massa benda dan distribusi massa terhadap sumbu rotasi.
• Kecepatan Sudut ($omega$): Laju perubahan posisi sudut. Dihitung dengan rumus $omega = fracDelta thetaDelta t$. Hubungannya dengan kecepatan linear: $v = omega r$.
• Percepatan Sudut ($alpha$): Laju perubahan kecepatan sudut. Hubungannya dengan percepatan linear: $a = alpha r$.

Contoh Soal 3.1:

Sebuah roda berputar dengan kecepatan sudut konstan 5 rad/s. Jika jari-jari roda adalah 0.3 meter, tentukan kecepatan linear pada tepi roda!

Pembahasan 3.1:

Diketahui:

• Kecepatan sudut ($omega$) = 5 rad/s.
• Jari-jari roda ($r$) = 0.3 meter.

Hubungan antara kecepatan linear ($v$) dan kecepatan sudut ($omega$) adalah:
$v = omega r$

Substitusikan nilai-nilai yang diketahui:
$v = 5 text rad/s cdot 0.3 text m$
$v = 1.5 text m/s$

Jadi, kecepatan linear pada tepi roda adalah 1.5 m/s.

Contoh Soal 3.2:

Sebuah silinder pejal bermassa 2 kg dan berjari-jari 0.1 meter diputar dengan momen inersia $I = frac12mR^2$. Jika silinder berputar dengan kecepatan sudut awal 10 rad/s dan kemudian diperlambat oleh gaya gesek sehingga berhenti dalam waktu 5 detik, tentukan:
a. Momentum sudut awal silinder.
b. Percepatan sudut silinder.
c. Gaya torsi (momen gaya) yang bekerja pada silinder.

Pembahasan 3.2:

Diketahui:

• Massa silinder ($m$) = 2 kg.
• Jari-jari silinder ($R$) = 0.1 meter.
• Rumus momen inersia silinder pejal: $I = frac12mR^2$.
• Kecepatan sudut awal ($omega_1$) = 10 rad/s.
• Kecepatan sudut akhir ($omega_2$) = 0 rad/s (berhenti).
• Waktu ($Delta t$) = 5 detik.

a. Momentum sudut awal silinder ($L_1$):
Pertama, hitung momen inersia silinder:
$I = frac12 cdot 2 text kg cdot (0.1 text m)^2$
$I = 1 text kg cdot 0.01 text m^2$
$I = 0.01 text kg m^2$

Kemudian, hitung momentum sudut awal:
$L_1 = I omega_1$
$L_1 = 0.01 text kg m^2 cdot 10 text rad/s$
$L_1 = 0.1 text kg m^2/texts$

b. Percepatan sudut silinder ($alpha$):
Percepatan sudut adalah perubahan kecepatan sudut dibagi waktu.
$alpha = fracDelta omegaDelta t = fracomega_2 – omega_1Delta t$
$alpha = frac0 text rad/s – 10 text rad/s5 text s$
$alpha = frac-10 text rad/s5 text s$
$alpha = -2 text rad/s^2$
Tanda negatif menunjukkan bahwa percepatan sudutnya adalah perlambatan.

c. Gaya torsi (momen gaya) yang bekerja pada silinder ($tau$):
Hubungan antara torsi dan percepatan sudut adalah $tau = I alpha$.
$tau = 0.01 text kg m^2 cdot (-2 text rad/s^2)$
$tau = -0.02 text Nm$
Tanda negatif menunjukkan bahwa torsi yang bekerja berlawanan arah dengan arah rotasi awal, sehingga menyebabkan perlambatan.

Jadi:

• Momentum sudut awal silinder adalah 0.1 kg m$^2$/s.
• Percepatan sudut silinder adalah -2 rad/s$^2$ (perlambatan).
• Gaya torsi yang bekerja pada silinder adalah -0.02 Nm (momen gaya yang melawan arah putaran).

Penutup

Memahami fisika kelas 10 semester 2 membutuhkan latihan yang konsisten dan pemahaman konsep yang kuat. Dengan mempelajari contoh soal dan pembahasannya secara mendalam, diharapkan siswa dapat membangun fondasi yang kokoh untuk menghadapi soal-soal yang lebih menantang. Ingatlah bahwa fisika adalah tentang bagaimana memahami dunia di sekitar kita, jadi cobalah untuk mengaitkan setiap konsep dengan fenomena sehari-hari. Teruslah berlatih, bertanya, dan jangan pernah takut untuk mencoba!