Ujian Akhir Semester (UAS) Fisika Kelas 10 Semester 2 merupakan penanda penting dalam perjalanan belajar fisika di tingkat SMA. Materi yang disajikan pada semester ini biasanya mencakup topik-topik krusial yang menjadi dasar pemahaman konsep fisika yang lebih lanjut. Mempersiapkan diri dengan baik adalah kunci keberhasilan. Artikel ini hadir untuk membantu Anda menguasai materi UAS Fisika Kelas 10 Semester 2 melalui penyajian contoh soal pilihan yang relevan dan pembahasan yang mendalam.
Semester 2 Fisika Kelas 10 umumnya berfokus pada Dinamika Gerak Lurus dan Gaya, Usaha, Energi, dan Daya, serta Momentum dan Impuls. Ketiga topik ini saling berkaitan dan membentuk pemahaman yang komprehensif tentang bagaimana benda bergerak dan berinteraksi.
Mari kita bedah satu per satu topik tersebut dengan contoh soal dan pembahasannya.
Bagian 1: Dinamika Gerak Lurus dan Gaya
Bagian ini adalah inti dari pemahaman kita tentang bagaimana gaya mempengaruhi gerakan benda. Konsep utama yang akan diuji meliputi Hukum Newton tentang Gerak, gaya gesek, gaya tegangan tali, dan penerapan hukum-hukum tersebut dalam berbagai skenario.
Konsep Kunci:
- Hukum Newton I (Hukum Kelembaman): Benda akan tetap diam atau bergerak lurus beraturan jika tidak ada resultan gaya yang bekerja padanya.
- Hukum Newton II: Percepatan sebuah benda berbanding lurus dengan resultan gaya yang bekerja padanya dan berbanding terbalik dengan massanya ($Sigma F = m cdot a$).
- Hukum Newton III: Untuk setiap aksi, ada reaksi yang sama besar dan berlawanan arah ($vecFaksi = -vecFreaksi$).
- Gaya Gesek: Gaya yang melawan gerakan relatif antara dua permukaan yang bersentuhan. Dibagi menjadi gaya gesek statis ($mu_s N$) dan gaya gesek kinetis ($mu_k N$).
- Diagram Benda Bebas (Free-Body Diagram): Sketsa yang menunjukkan semua gaya yang bekerja pada suatu benda.
Contoh Soal 1 (Hukum Newton II dan Gaya Gesek):
Sebuah balok bermassa 5 kg ditarik di atas permukaan horizontal dengan gaya konstan 20 N searah dengan arah gerak. Jika koefisien gesek kinetis antara balok dan permukaan adalah 0,2, tentukan percepatan balok tersebut! (g = 10 m/s²)
Pembahasan:
-
Identifikasi Data yang Diketahui:
- Massa balok ($m$) = 5 kg
- Gaya tarik ($F_tarik$) = 20 N
- Koefisien gesek kinetis ($mu_k$) = 0,2
- Percepatan gravitasi ($g$) = 10 m/s²
-
Buat Diagram Benda Bebas:
- Gaya berat ($W$) ke bawah: $W = m cdot g = 5 text kg cdot 10 text m/s^2 = 50 text N$
- Gaya normal ($N$) ke atas (karena permukaan horizontal dan tidak ada gaya vertikal lain yang signifikan).
- Gaya tarik ($F_tarik$) ke kanan (searah gerak).
- Gaya gesek kinetis ($f_k$) ke kiri (melawan arah gerak).
-
Terapkan Hukum Newton II pada Arah Vertikal:
Karena balok bergerak horizontal, tidak ada percepatan vertikal. Maka, resultan gaya vertikal adalah nol.
$Sigma F_y = 0$
$N – W = 0$
$N = W = 50 text N$ -
Hitung Gaya Gesek Kinetis:
Gaya gesek kinetis dihitung menggunakan rumus:
$f_k = mu_k cdot N$
$f_k = 0,2 cdot 50 text N = 10 text N$ -
Terapkan Hukum Newton II pada Arah Horizontal:
Resultan gaya horizontal akan menyebabkan percepatan pada balok.
$Sigma Fx = m cdot a$
$Ftarik – f_k = m cdot a$
$20 text N – 10 text N = 5 text kg cdot a$
$10 text N = 5 text kg cdot a$ -
Hitung Percepatan:
$a = frac10 text N5 text kg = 2 text m/s^2$
Jadi, percepatan balok tersebut adalah 2 m/s².
Contoh Soal 2 (Sistem Katrol Sederhana):
Dua balok dihubungkan oleh tali melalui sebuah katrol licin. Balok A bermassa 3 kg dihubungkan dengan balok B bermassa 2 kg yang digantung vertikal. Tentukan percepatan sistem dan tegangan tali! (g = 10 m/s²)
Pembahasan:
-
Identifikasi Data yang Diketahui:
- Massa balok A ($m_A$) = 3 kg
- Massa balok B ($m_B$) = 2 kg
- Katrol licin (artinya gaya gesek pada katrol diabaikan dan tali tidak bermassa).
- Percepatan gravitasi ($g$) = 10 m/s²
-
Buat Diagram Benda Bebas untuk Masing-masing Balok:
- Balok A (di atas permukaan horizontal, diasumsikan licin untuk penyederhanaan, jika tidak ada informasi gesekan maka diasumsikan licin):
- Gaya berat ($W_A$) ke bawah: $W_A = m_A cdot g = 3 text kg cdot 10 text m/s^2 = 30 text N$
- Gaya normal ($N_A$) ke atas.
- Tegangan tali ($T$) ke kanan (mendorong balok A bergerak ke kanan).
- Balok B (digantung vertikal):
- Gaya berat ($W_B$) ke bawah: $W_B = m_B cdot g = 2 text kg cdot 10 text m/s^2 = 20 text N$
- Tegangan tali ($T$) ke atas.
- Balok A (di atas permukaan horizontal, diasumsikan licin untuk penyederhanaan, jika tidak ada informasi gesekan maka diasumsikan licin):
-
Asumsi Arah Gerak Sistem:
Karena balok B lebih berat dari gaya yang mendorong balok A (jika ada gesekan maka ini perlu dipertimbangkan lebih teliti, namun dalam kasus ini, kita asumsikan balok B yang menarik balok A). Balok B akan turun dan balok A akan bergerak ke kanan. Jadi, percepatan sistem ($a$) ke kanan untuk A dan ke bawah untuk B. -
Terapkan Hukum Newton II pada Masing-masing Balok:
- Balok A (horizontal):
$Sigma F_Ax = m_A cdot a$
$T = m_A cdot a$ (Persamaan 1) - Balok B (vertikal):
$Sigma F_By = m_B cdot a$ (Perhatikan arah gerak, gaya yang lebih besar dikurangi gaya yang lebih kecil)
$W_B – T = m_B cdot a$
$m_B cdot g – T = m_B cdot a$ (Persamaan 2)
- Balok A (horizontal):
-
Selesaikan Sistem Persamaan:
Kita memiliki dua persamaan dengan dua variabel tak diketahui ($a$ dan $T$). Substitusikan Persamaan 1 ke Persamaan 2:
$m_B cdot g – (m_A cdot a) = m_B cdot a$
$m_B cdot g = m_A cdot a + m_B cdot a$
$m_B cdot g = a (m_A + m_B)$ -
Hitung Percepatan Sistem:
$a = fracm_B cdot gm_A + m_B$
$a = frac2 text kg cdot 10 text m/s^23 text kg + 2 text kg$
$a = frac20 text N5 text kg = 4 text m/s^2$ -
Hitung Tegangan Tali:
Gunakan Persamaan 1:
$T = m_A cdot a$
$T = 3 text kg cdot 4 text m/s^2 = 12 text N$Atau gunakan Persamaan 2:
$T = m_B cdot g – m_B cdot a$
$T = (2 text kg cdot 10 text m/s^2) – (2 text kg cdot 4 text m/s^2)$
$T = 20 text N – 8 text N = 12 text N$
Jadi, percepatan sistem adalah 4 m/s² dan tegangan talinya adalah 12 N.
Bagian 2: Usaha, Energi, dan Daya
Bagian ini membahas tentang bagaimana gaya dapat menyebabkan perubahan pada energi suatu benda. Konsep-konsep seperti usaha, energi kinetik, energi potensial, hukum kekekalan energi mekanik, dan daya menjadi fokus utama.
Konsep Kunci:
- Usaha (W): Energi yang ditransfer ketika sebuah gaya bekerja pada suatu benda dan menyebabkan perpindahan. Dihitung sebagai $W = F cdot d cdot cos theta$.
- Energi Kinetik ($E_k$): Energi yang dimiliki benda karena gerakannya. Dihitung sebagai $E_k = frac12 m v^2$.
- Energi Potensial Gravitasi ($E_p$): Energi yang dimiliki benda karena posisinya terhadap titik acuan. Dihitung sebagai $E_p = m cdot g cdot h$.
- Hukum Kekekalan Energi Mekanik: Jika hanya gaya konservatif (seperti gaya gravitasi) yang bekerja, energi mekanik total (jumlah energi kinetik dan energi potensial) suatu sistem adalah konstan. $E_mekanik = E_k + E_p = textkonstan$.
- Daya (P): Laju di mana usaha dilakukan atau energi ditransfer. Dihitung sebagai $P = fracWt$ atau $P = F cdot v$.
Contoh Soal 3 (Usaha dan Energi Kinetik):
Sebuah mobil bermassa 1000 kg bergerak dengan kecepatan 20 m/s. Kemudian, mobil tersebut dipercepat hingga kecepatannya menjadi 30 m/s. Hitung usaha yang dilakukan oleh mesin mobil tersebut!
Pembahasan:
-
Identifikasi Data yang Diketahui:
- Massa mobil ($m$) = 1000 kg
- Kecepatan awal ($v_1$) = 20 m/s
- Kecepatan akhir ($v_2$) = 30 m/s
-
Gunakan Teorema Usaha-Energi:
Teorema ini menyatakan bahwa usaha total yang dilakukan pada suatu benda sama dengan perubahan energi kinetiknya.
$W_total = Delta Ek = Ek2 – E_k1$ -
Hitung Energi Kinetik Awal ($E_k1$):
$E_k1 = frac12 m v1^2$
$Ek1 = frac12 cdot 1000 text kg cdot (20 text m/s)^2$
$Ek1 = frac12 cdot 1000 text kg cdot 400 text m^2/texts^2$
$Ek1 = 200.000 text Joule$ -
Hitung Energi Kinetik Akhir ($E_k2$):
$E_k2 = frac12 m v2^2$
$Ek2 = frac12 cdot 1000 text kg cdot (30 text m/s)^2$
$Ek2 = frac12 cdot 1000 text kg cdot 900 text m^2/texts^2$
$Ek2 = 450.000 text Joule$ -
Hitung Usaha yang Dilakukan:
$W = Ek2 – Ek1$
$W = 450.000 text J – 200.000 text J$
$W = 250.000 text Joule$
Jadi, usaha yang dilakukan oleh mesin mobil tersebut adalah 250.000 Joule.
Contoh Soal 4 (Hukum Kekekalan Energi Mekanik):
Sebuah bola dijatuhkan bebas dari ketinggian 20 meter di atas tanah. Jika percepatan gravitasi adalah 10 m/s², tentukan kecepatan bola saat berada pada ketinggian 10 meter dari tanah!
Pembahasan:
-
Identifikasi Data yang Diketahui:
- Ketinggian awal ($h_1$) = 20 m
- Ketinggian akhir ($h_2$) = 10 m
- Percepatan gravitasi ($g$) = 10 m/s²
- Bola dijatuhkan bebas, artinya kecepatan awal ($v_1$) = 0 m/s.
-
Terapkan Hukum Kekekalan Energi Mekanik:
Energi mekanik pada keadaan awal sama dengan energi mekanik pada keadaan akhir.
$Emekanik1 = Emekanik2$
$Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2$ -
Hitung Komponen Energi pada Keadaan Awal:
- Energi Kinetik Awal ($E_k1$): Karena bola dijatuhkan bebas, $v1 = 0$, maka $Ek1 = frac12 m (0)^2 = 0$.
- Energi Potensial Awal ($Ep1$): $Ep1 = m cdot g cdot h_1 = m cdot 10 text m/s^2 cdot 20 text m = 200m text Joule$.
-
Hitung Komponen Energi pada Keadaan Akhir:
- Energi Kinetik Akhir ($Ek2$): $Ek2 = frac12 m v_2^2$ (di mana $v_2$ adalah kecepatan yang dicari).
- Energi Potensial Akhir ($Ep2$): $Ep2 = m cdot g cdot h_2 = m cdot 10 text m/s^2 cdot 10 text m = 100m text Joule$.
-
Selesaikan Persamaan Kekekalan Energi:
$0 + 200m = frac12 m v_2^2 + 100m$
Kita bisa membagi seluruh persamaan dengan $m$ (massa bola tidak memengaruhi hasil kecepatan pada ketinggian tertentu dalam kasus ini).
$200 = frac12 v_2^2 + 100$
$200 – 100 = frac12 v_2^2$
$100 = frac12 v_2^2$
$v_2^2 = 2 cdot 100 = 200$ -
Hitung Kecepatan Akhir:
$v_2 = sqrt200 = sqrt100 cdot 2 = 10sqrt2 text m/s$
Jadi, kecepatan bola saat berada pada ketinggian 10 meter dari tanah adalah $10sqrt2$ m/s.
Bagian 3: Momentum dan Impuls
Bagian terakhir ini membahas tentang konsep momentum dan bagaimana perubahan momentum terjadi akibat adanya impuls. Topik ini sering dikaitkan dengan tumbukan.
Konsep Kunci:
- Momentum ($p$): Ukuran kecenderungan suatu benda untuk terus bergerak. Dihitung sebagai $p = m cdot v$. Momentum adalah besaran vektor.
- Impuls ($J$): Perubahan momentum suatu benda. Dihitung sebagai $J = Delta p = pakhir – pawal$ atau $J = F_rata-rata cdot Delta t$.
- Hukum Kekekalan Momentum: Jika tidak ada gaya eksternal yang bekerja pada sistem, momentum total sistem tetap konstan.
- Tumbukan: Interaksi antara dua atau lebih benda yang saling memberikan gaya dalam selang waktu yang singkat. Dibagi menjadi tumbukan lenting sempurna (energi kinetik kekal), tumbukan lenting sebagian (energi kinetik tidak kekal), dan tumbukan tidak lenting (benda menyatu setelah tumbukan).
Contoh Soal 5 (Impuls dan Gaya Rata-rata):
Seorang pemain bola menendang bola bermassa 0,5 kg yang awalnya diam. Bola bergerak dengan kecepatan 20 m/s setelah ditendang. Jika waktu kontak antara kaki dan bola adalah 0,01 detik, hitunglah gaya rata-rata yang diberikan oleh kaki pemain tersebut pada bola!
Pembahasan:
-
Identifikasi Data yang Diketahui:
- Massa bola ($m$) = 0,5 kg
- Kecepatan awal ($v_1$) = 0 m/s (diam)
- Kecepatan akhir ($v_2$) = 20 m/s
- Selang waktu kontak ($Delta t$) = 0,01 s
-
Hitung Momentum Awal dan Akhir:
- Momentum awal ($p_1$) = $m cdot v_1 = 0,5 text kg cdot 0 text m/s = 0 text kg m/s$
- Momentum akhir ($p_2$) = $m cdot v_2 = 0,5 text kg cdot 20 text m/s = 10 text kg m/s$
-
Hitung Perubahan Momentum (Impuls):
$J = Delta p = p_2 – p_1$
$J = 10 text kg m/s – 0 text kg m/s = 10 text kg m/s$ -
Gunakan Hubungan Impuls dan Gaya Rata-rata:
$J = F_rata-rata cdot Delta t$ -
Hitung Gaya Rata-rata:
$Frata-rata = fracJDelta t$
$Frata-rata = frac10 text kg m/s0,01 text s$
$F_rata-rata = 1000 text N$
Jadi, gaya rata-rata yang diberikan oleh kaki pemain tersebut pada bola adalah 1000 N.
Contoh Soal 6 (Hukum Kekekalan Momentum – Tumbukan Tidak Lenting):
Sebuah gerobak bermassa 4 kg bergerak dengan kecepatan 5 m/s. Gerobak ini menabrak gerobak lain yang bermassa 6 kg dan awalnya diam. Setelah tumbukan, kedua gerobak bergerak bersama-sama. Tentukan kecepatan kedua gerobak setelah tumbukan!
Pembahasan:
-
Identifikasi Data yang Diketahui:
- Massa gerobak 1 ($m_1$) = 4 kg
- Kecepatan gerobak 1 sebelum tumbukan ($v_1a$) = 5 m/s
- Massa gerobak 2 ($m_2$) = 6 kg
- Kecepatan gerobak 2 sebelum tumbukan ($v_2a$) = 0 m/s (diam)
- Tumbukan tidak lenting (kedua gerobak bergerak bersama setelah tumbukan), sehingga kecepatan akhir kedua gerobak sama ($v_1$ = $v_2$ = $v_b$).
-
Terapkan Hukum Kekekalan Momentum:
Momentum total sistem sebelum tumbukan sama dengan momentum total sistem setelah tumbukan.
$psebelum = psesudah$
$m1 v1a + m2 v2a = (m_1 + m_2) v_b$ -
Masukkan Nilai yang Diketahui:
$(4 text kg cdot 5 text m/s) + (6 text kg cdot 0 text m/s) = (4 text kg + 6 text kg) v_b$
$20 text kg m/s + 0 = (10 text kg) v_b$
$20 text kg m/s = 10 text kg v_b$ -
Hitung Kecepatan Bersama Setelah Tumbukan:
$v_b = frac20 text kg m/s10 text kg$
$v_b = 2 text m/s$
Jadi, kecepatan kedua gerobak setelah tumbukan adalah 2 m/s.
Penutup
Menguasai materi UAS Fisika Kelas 10 Semester 2 membutuhkan pemahaman konsep yang kuat dan latihan soal yang teratur. Dengan memahami prinsip-prinsip di balik Hukum Newton, Usaha dan Energi, serta Momentum dan Impuls, Anda akan lebih siap menghadapi berbagai jenis soal.
Pastikan Anda tidak hanya menghafal rumus, tetapi juga memahami makna fisiknya dan bagaimana rumus tersebut diturunkan. Latihlah diri Anda dengan berbagai variasi soal, termasuk soal cerita yang memerlukan analisis lebih mendalam. Gunakan diagram benda bebas dan diagram energi untuk memvisualisasikan masalah.
Semoga contoh soal dan pembahasan yang disajikan dalam artikel ini dapat menjadi bekal berharga dalam persiapan UAS Anda. Selamat belajar dan semoga sukses!
