DR. Ibnu Mas’ud (drim) Guru Fisika SMK Negeri 8 Malang
Jl. Kurma No. 05 Kampung Mandar Sapeken Hp. 0856 4970 2765 – 0852 3440 0737
KONSULTASI FISIKA
KATA PENGANTAR
Syukur dan alhamdulillah selalu dipanjatkan oleh penulis ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, atas karunia dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat meyusun buku untuk SMK Negeri 8 Malang bidang adaptif yaitu FISIKA.
Didorong oleh rasa tanggungjawab sebagai pengajar mata diklat fisika, serta ikut mencerdaskan bangsa melalui pengabdian dalam bidang pendidikan, maka kami susun buku FISIKA ini.
Dengan buku FISIKA ini diharapkan siswa mampu mengembangkan kemapuan berfikir analisis induktif dan deduktif dengan menggunakan konsep dan prinsip fisika untuk menjelaskan peristiwa-peristiwa alam dan menyelesaikan masalah baik secara kuantatif dan kualitatif.
Buku FISIKA ini sengaja penulis beri judul KONSULTASI FISIKA Sekolah Menengah yang disajikan dalam lima (5) bab, yang tiap bab yang telah disesuaikan dengan Standar Kompetensi dan Komptensi dasar yang digunakan di sekolah yang mengacu pada kurikulum KTSP.
Sebenarnya buku ini merupakan edisi revisi dari buku yang terdahulu, dan telah di terbitkan secara khusus untuk siswa SMKN 8 Malang.
Soal-soal dalam buku FISIKA ini disusun dari yang paling mudah sampai yang menantang dan bahannya sebagain besar diambil dari soal-soal EBTANAS, UAN SMA dan SMK serta Ujian Seleksi Masuk (USM) Perguruan tinggi dengan tujuan siswa terbiasa dengan soal yang diujukan di PT, sehingga pada saat mengikuti tes masuk PT siswa dapat bersaing dengan siswa SMA.
ii
KONSULTASI FISIKA
KATA PENGANTAR
Perlu Kalian perhatikan, pada saat mengerjakan soal, selalu berusaha dan milikilah keyakian “ Jika Saya Mau, Pasti Saya Bisa” dan “ Man Jadda Wa Jadda (siapa yang bersungguh-sungguh, akan sukses)” maka kalian juga dapat menguasai konsep fisika.
Akhirnya Penulis berharap semoga buku FISIKA ini dapat bermanfaat bagi siswa dan pendidik dalam membantu proses kegiatan belajar mengajar. Kritik dan saran yang konstruktif selalu kami harapkan demi penyempurnaan Buku FISIKA ini di edisi yang akan datang.
Malang,
Januari 2013
Penulis
iii
KONSULTASI FISIKA
DAFTAR ISI
Sampul Awal Kata Pengantar Daftar Isi
i ii iv
BAB 1 Sifat Mekanik Zat A. Konsep Elastisitas Bahan B. Sifat Elastisitas Zat Padat C. Konsep Stress, Strain, dan Modulus Young D. Konsep Hukum Hooke E. Rangkaian Pegas Game Fisika Evaluasi Bab 1
1 3 4 5 8 10 13 15
Bab 2 Getaran, Gelombang, dan Bunyi A. Konsep Getaran B. Getaran padda Bandul dan Pegas C. Simpangan pada Getaran D. Konsep Gelombang E. Besaran Fisis pada Gelombang F. Simpangan pada Gelombang Berjalan G. Simpangan pada Gelombang Diam H. Konsep Bunyi I. Sumber Bunyi J. Intensitas dan Taraf Intensitas K. Efek Doppler Game Fisika Evaluasi Bab 2
19 20 23 28 30 33 35 39 44 46 50 53 56 58
Bab 3 Fluida Statis A. Konsep Massa Jenis B. Tekanan pada Fluida C. Tekanan Hidrostatis D. Tekanan Atmosfer dan Tekanan Mutlak E. Hukum Pokok Hidrostatis F. Hukum Pascal G. Hukum Archimedes H. Tegangan Permukaan pada Fluida (Pengayaan) I. Vikositas (Pengayaan) J. Hukum Stokes untuk Fluida Kental (Pengayaan) K. Kecepatan Terminal (Pengayaan) Game Fisika
63 65 66 69 72 73 75 79 86 88 89 90 92
iv
KONSULTASI FISIKA
DAFTAR ISI
Evaluasi Modul 3
94
Bab 4 Fluida Dinamis A. Konsep Fluida B. Persamaan Kontinuitas C. Konsep Asas Bernoulli D. Penerapan Asas Bernoulli Game Fisika Evaluasi Modul 4
101 103 104 107 110 117 119
Bab 5 Suhu dan Kalor A. Konsep Suhu dan Termometer B. Konsep Kalor, Kalor Jenis, dan Kapasitas Kalor C. Perubahan Wujud D. Asas Black E. Pemuaian Zat F. Perpindahan Kalor Game Fisika Evaluasi Bab 4 Daftar Pustaka Tentang Penulis
125 127 131 134 137 139 144 149 151 156 157
v
SIFAT MEKANIK ZAT
Gambar di atas merupakan salah satu dari penerapan pegas dalam kehidupan sehari – hari, yaitu sistem suspensi. Suspensi menghubungkan body kendaraan dengan roda-roda, suspensi ini adalah sebuah sistem yang menunjang kenyamanan dalam berkendara, kareana suspensi memiliki beberapa komponen di dalamnya.Fungsi dari suspensi ini antara lain: •
Suspensi dapat menyerap getaran, ayunan, dan guncangan yang diterima kendaraan saat berjalan ini sama dengan fungsi roda yang juga bisa menyerap getaran saat jalan dan menjaga kenyamanan penumpang
•
Suspensi menopang body kendaraan dan menjaga hubungan geometris yang benar antara body dan roda-roda.
•
Suspensi mengirimkan tenaga gerak dan pengereman yang diakibatkan oleh gesekan yang terjadi antara permukaan jala, antara chasis dan body.
KONSULTASI FISIKA
SIFAT MEKANIK ZAT
Standar Kompetensi (SK)
Menerapkan konsep sifat mekanik bahan Kompetensi Dasar (KD)
1. Menguasai Konsep Elastisitas Bahan 2. Menguasai Hukum Hooke 3. Memahami Konsep Elastisitas, Tegangan, Regangan Dan Modulus Young 4. Menganalisis Pengaruh Gaya Pada Sifat Elastisitas Bahan (pengayaan)
2
KONSULTASI FISIKA
SIFAT MEKANIK ZAT
Sifat elastis atau elastisitas adalah kemampuan suatu benda untuk kembali ke bentuk semula setelah gaya luar yang bekerja padanya dihilangkan/hilang. Sehingga benda elastis adalah benda yang memiliki sifat elastis. Beberapa contoh benda sehari – hari yang memiliki sifat elastis.
Balon
pegas
Ban
Sifat tak elastis atau plastis adalah kemampuan suatu benda untuk tidak kembali ke bentuk awalnya segera setelah gaya luar yang bekerja padanya dihilangkan / hilang. Sehingga benda plastis adalah benda yang memiliki sifat plastis. Beberapa contoh benda sehari – hari yang memiliki sifat plastis.
Plastisin
Tanah liat
3
adonan kue
KONSULTASI FISIKA
SIFAT MEKANIK ZAT
Perubahan bentuk terjadi akibat adanya pengaruh gaya yang besarnya sama dan dikerjakan pada benda padat. Terdapat tiga macam peubahan bentuk, yaitu : 1. Regangan, merupakan perubahan bentuk yang terjadi jika dua gaya yang sama besar dan berlawanan arah diberikan pada kedua ujung benda dengan arah menjauh.
Contoh konsep regangan
contoh regangan dalam kehidupan sehari-hari
2. Mampatan, merupakan perubahan bentuk yang terjadi jika dua gaya yang sama besar dan berlawan arah diberikan pada kedua unjung benda dengan arah saling mendekat.
Contoh konsep mampatan
contoh mampatan dalam kehidupan sehari - hari
3. Geseran, merupakan perubahan bentuk yang terjadi jika kedua gaya yang sama besar dan berlawanan arah diberikan pada masing – masing sisi, sehingga benda mengalami perubahan kedudukan sejauh ∆l.
contoh konsep geseran
4
KONSULTASI FISIKA
SIFAT MEKANIK ZAT
1. Stress/Tegangan (σ), merupakan besarnya gaya (F) yang bekerja pada satu bidang luasan (A). tegangan dirumuskan :
σ=
F A
F
Dengan : σ
= tegangan (N/m2)
F
= gaya yang bekerja pada suatu bidang (N)
A
= luas bidang yang dipengaruhi gaya (m2)
σ×A
2. Strain/Regangan (e), merupakn perbandingan antara perubahan panjang (∆l) dengan panjang awal suatu benda (lo). yang dirumuskan :
e=
∆l lo
∆l
Dengan : e
= regangan
e × lo
∆l = Perubahan panjang (m) lo
= panjang awal (m)
3. Modulus Elastisitas atau Modulus Young (E atau Y), merupakan perbandingan antara tegangan (σ) dengan regangan (e). Modulus Elastisitas juga didefinisikan sebagai kekuatan suatu benda dalam mempertahankan batas elastisitasnya. Yang dirumuskan :
E=
σ e
=
F ⋅ lo A ⋅ ∆l
Dengan :
5
KONSULTASI FISIKA
SIFAT MEKANIK ZAT
E = modulus Young (N/m2) e = regangan σ = tegangan (N/m2) F = gaya yang bekerja pada suatu bidang (N) A = luas bidang yang dipengaruhi gaya (m2) ∆l = Perubahan panjang (m)
F × lo
E × A × ∆l
lo = panjang awal (m)
E × A × ∆l
Kawat logam panjangnya 80 0 cm dan luas penampang 4 cm2. Ujung yang satu diikat pada atap dan ujung yang lain ditarik dengan gaya 50 N. Ternyata menjadi 84 cm. Tentukan: a. regangan kawat, b. tegangan pada kawat, c. Modulus odulus elastisitas kawat! Pembahasan: lo = 60 cm ; l = 64 cm; ∆l = 84 – 80 = 4 cm = 4 x 10- 2 m A = 4 cm2 = 4.10-4 m2 ; F = 50 N a. Regangan (e) e=
∆l 4 1 = = = 0,05 l o 80 20
b. Tegangan (σ)
σ=
F 50 = = 1,25 ⋅ 10 5 N / m 2 −4 A 4 ⋅ 10
c. Modulus Young (E)
E=
σ e
=
1,25 ⋅ 10 5 = 25 ⋅ 10 6 N / m 2 0,05
6
KONSULTASI FISIKA
SIFAT MEKANIK ZAT
1. Pegas dengan panjang mula-mula 10
5. Kawat logam yang panjangnya 4 m
cm, kemudian diberi beban ternyata
dan luas penampangnya 0,5 cm2
panjang pegas sekarang menjadi 12
bertambah panjang 0,20 cm ketika
cm, maka regangan jenisnya?
ujung – ujungnya ditarik dengan dengan
2. Kawat
berpenampang
16
mm2
gaya
5000
N.
tentukan
modulus elastisitasnya ?
panjangnya 80 cm ditarik dengan gaya 40 N, sehingga panjangnya
6. Sebatang
silinder
timah
hitam
bertambah 0,5 mm. tentukan: a.
panjang 1 meter (E = 1,6 x 1010
tegangan; b. regangan; c. modulus
N/m2) yang memiliki luas penampang
elastisitas kawat adalah?
1,25 x 10-3 m2 ditarik oleh gaya 2500 N. Tenutkan : a. Tegangan ; b.
3. Batang
logam
elastisitas
memiliki
2.106
modulus luas
7. Logam mempunyai panjang 1 m dan
penampang 2 cm2 dan panjang 1 m.
luas penampang 2 cm2. Ujung-ujung
Jika
maka
batang ditekan dengan gaya 200 N,
tentukan: a. tegangan batang, b.
sehingga panjangnya berkurang 1
regangan batang, c. pertambahan
cm. Besar modulus elastisitas logam
panjang!
tersebut adalah.
diberi
4. Seutas
kawat
gaya
N/m2,
Regangan.
100
vertikal
N
yang
pada
8. Kawat dengan luas penampang 16
ujung bawahnya diberi beban 1500 N
mm2
memiliki
dengan
panjang
64,2
cm.
jika
panjangnya gaya
80
40
cm N
ditarik
sehingga
modulus elastisitas (Young) kawat
panjangnya
tesebut 1,6 x 1010 N/m2. tentukan
hitunglah : a. tegangan; b. regangan
panjang kawat sebelum diberi beban.
; dan modulus elastisitas.
7
bertambah
0,5
cm.
KONSULTASI FISIKA
SIFAT MEKANIK ZAT
Hukum Hooke menjelaskan:
“jika gaya tarik tidak melampaui batas elastisitas bahan, maka perubahan ubahan panjang (∆x) pegas berbanding lurus/sebanding dengan gaya tariknya (F)”
Sehingg dirumuskan :
F = k ⋅ ∆x Dengan :
F k × ∆x
F = gaya pegas (N)s k
= konstanta pegas (N/m)
∆x = perubahan panjang pegas (m)
Suatu pegas akan bertambah panjang 10 cm jika diberik gaya 10 N. hitunglah konstannta pegas tersebut?
Pembahasan : ∆x = 10 cm = 0,1 m; F = 10 N
F = k ⋅ ∆x F 10 k= = ∆x 0,1 k = 100 N / m
8
KONSULTASI FISIKA
SIFAT MEKANIK ZAT
1. Benda bermassa 4,5 kg digantungkan pada pegas
sehingga
pegas
itu
beban 0,3 kg digantungkan pada salah
bertambah
satu ujungnya. tentukan panjang pegas
panjang sebesar 9 cm. Berapakah tetapan
tanpa beban.
pegas tersebut? (g = 10 m/s2).
6. Suatu pegas akan bertambah panjang 2. Sebuah
pegas
yang
digantungkan
10
cm
jika
diberi
gaya
10
N.
vertikal panjangnya 10 cm. Jika pegas
berapakah pertambahan panjang pegas
diberi beban 1,2
jika diberi gaya 7 N?
bertambah
kg,
pegas
panjang menjadi
19
akan cm.
7. Jika pegas diberi gaya sebesar 400 N
Berapakah panjang pegas tersebut jika
dan mengalami pertambahan panjang
diberi beban 1 kg?
sebesar 4 cm, maka tetapan pegasnya 3. Sebuah
pegas memiliki
panjang
20
menjadi ?
cm. Saat ditarik dengan gaya 12,5 N panjang pegasnya menjadi
8. Pegas
22 cm.
yang
digantung
vertical
Berapakah panjang pegas jika ditarik
panjangnya 15 cm. jika diregangkan
gaya sebesar 37,5 N?
dengan
gaya sebesar 0,5 N panjang
pegas menjadi 27 cm. panjang pegas 4. Sepotong pegas yang digantung dan diberi
beban
0,1
kg,
mengalami pertambahan
jika diregangkan dengan gaya sebesar
ternyata
0,6 N sebesar ?
panjang
sebesar 2 cm. jika percepatan gravitasi bumi 10 m/s2, maka nilai konstanta pegas tersebut adalah ? 5. Pegas N/m.
memiliki panjang
tetapan pegas
20
pegas
50
cm,
jika
9
KONSULTASI FISIKA
SIFAT MEKANIK ZAT
Dalam kehidupan sehari – hari beberapa pegas dapat dirangkai secara seri, pararel ataupun gabungan dari keduanya.
1. Rangkaian Seri Rangkaian pegas secara seri dapat dilihat pada gambar di samping. Dari gambar diperoleh bahwa jika dua pegas di susun secara
k1
ks
seri maka akan berlaku beberapa hal, yaitu: a) Gaya tarik (F) yang dialami tiap pegas sama besarnya, dan gaya
k2
ini sama dengan gaya tarik yang dialami pegas pengganti. F
F1 = F2 = … = F
F
b) Pertambahan panjang pegas penggantinya (Δx), sama dengan
Tips
total pertambahan panjang tiap-tiap pegas.
• Untuk menentukan
x = x1 + x2 + …
konstanta pengganti seri (ks) dua (2) buah pegas.
c) Kebalikan tetapan (konstanta) pegas pengganti seri (ks) sama
ks =
dengan total dari kebalikan tiap-tiap tetapan pegas.
k1 ⋅ k 2 k1 + k 2
• Untuk menentukan
1 1 1 = + + ... k s k1 k 2
konstanta pengganti seri (ks) yang nilai konstantanya sama.
ks =
k n
2. Rangkaian paralel Rangkaian pegas secara paralel dapat dilihat pada gambar berikut ini. Dari gambar diperoleh bahwa jika dua pegas di susun secara paralel maka akan berlaku beberapa hal, yaitu:
10
KONSULTASI FISIKA
SIFAT MEKANIK ZAT
1) Gaya tarik pada pegas pengganti (F) sama dengan total gaya tarik pada tiap pegas. k1
k2
F = F1 + F2 + …
2) Pertambahan panjang (Δx) tiap pegas sama besarnya, dan pertambahan panjang ini sama dengan pertambahan panjang
F
pegas pengganti.
Δx1 = Δx2 = … = Δx
kp
3) tetapan (konstanta) pegas pengganti paralel (kp) sama dengan penjumlahan dari tiap-tiap tiap tetapan pegas. F
k p = k1 + k 2 + ...
Dua pegas dengan tetapan tapan pegas 100 N/m dan 300 N/m, tentukan konstanta pengganti jika keduanya di susun: a. seri ; b. paralel.
Pembahasan : a. Disusun seri. ks =
b. disusun paralel
k1 ⋅ k 2 k1 + k 2
k p = k1 + k 2 k p = 100 + 300 = 400
100 ⋅ 300 30000 ks = = = 75 100 + 300 400
11
KONSULTASI FISIKA
SIFAT MEKANIK ZAT
1. Dua pegas identik memiliki tetapan
3. Dari gambar berikut ini, jika k = 200
pegas 600 N/m. Tentukanlah konstanta
N/m,
sistem pegas jika: a. disusun seri; b.
pegas.
tentukanlah
konstanta
sistem
disusun paralel.
2. Perhatikanlah
gambar
sistem
pegas
berikut ini. 4. Perhatikan gambar berikut ini!
Jika k1= k2 = 600 N/m, k3= 1.200 N/m, dan m = 3 kg, tentukanlah tetapan
Perbandingan konstanta sistem pegas
sistem pegas.
(a) dan (b) adalah…
Belajar adalah keharusan, sukses adalah pilihan …….
12
KONSULTASI FISIKA
SIFAT MEKANIK ZAT Game Fisika
Sebelum Anda Berlatih untuk evaluasi Bab 1, mari kita bermain game terlebih dulu… !
TEKA – TEKI EDISI SIFAT MEKANIK ZAT
1
1
2
2
3
4
4-6
3
5
7
5
6
7
8
9
10
13
KONSULTASI FISIKA
SIFAT MEKANIK ZAT
Soal Menurun
1. Besaran pada tegangan. 2. Akibat dari gaya terhadap suatu luasan 3. Dorongan / tarikan 4. … merupakan salah satu contoh benda elastis. 5. Termasuk contoh benda plastis. 6. Pegas termasuk contoh benda elastis, sedangkan …. Termasuk contoh benda plastis. 7. Tegangan (bhs. Inggris)
Soal Mendatar
1. Sifat yang kembali ke bentuk semula setelah gaya yang diberikan kepadanya di hilangkan. 2. Perbandingan antara perubahan panjang dengan panjang awal. 3. k pada hukum Newton adalah …. Pegas. 4. Benda yang menjadi objek pada Hukum Hooke. 5. Satuan dari gaya pegas. 6. Regangan (Bhs. Inggris) 7. Sifat yang tidak kembali ke bentuk semula setelah gaya yang diberikan kepadanya di hilangkan. 8. Jika pegas dirangkai ….., maka nilai gaya pada setiap pegas sama. 9. Satuan dari perubahan panjang. 10. Ilmuwan yang mempelajari tentang modulus elastisitas.
14
KONSULTASI FISIKA
SIFAT MEKANIK ZAT
Pilihan Ganda … !
1.
Benda yang apabila gaya yang
C. Pegas, tanah liat dan plastisin
bekerja padanya di hilangkan, maka
D. Plastisin, tanah liat dan adonan kue
akan kembali ke bentuk semula,
E. Plastisin, adonan kue dan pentil
disebut benda … A. plastis B. elastis
4.
Pegas dengan konstanta 10 N/m,
C. padat
berapakah gaya yang harus
D. aneh
diberikan agar bertambah panjang 4
E. karet
cm. A. 40 N
2.
Ardi memiliki tiga buah pegas
B. 14 N
dengan konstanta masing-masing 20
C. 6 N
N/m, 30 N/m, dan 60 N/m. jika
D. 0,4 N
ketiga pegas ini diusun paralel, maka
E. 0,04 N
besar susunan penggantinya adalah 5.
… N/m
Kawat memiliki panjang 20 cm
A. 60
ditarik sehingga panjangnya menjadi
B. 110
22 cm, maka regangan yang terjadi
C. 10
pada kawat adalah …
D. 0,1
A. 10
E. 1/60
B. 0,1 C. 20/22
3.
Berikut ini yang termasuk dalam
D. 10/11
benda plastis adalah …
E. 22/20
A. Kain, karet, dan kayu B. Tali, benang, dan pegas
15
KONSULTASI FISIKA 6.
SIFAT MEKANIK ZAT
Kawat dengan luas penampang 2 x
9.
Dua pegas dengan konstanta 40 N/m
10-6 N/m2 ditarik dengan gaya 20 N,
dan 40 N/m, jika kedua pegas
maka tegangan yang dihasilkan
disusun seri dan ditarik dengan gaya
adalah … N/m2
2 N maka pertambahan panjang
A. 105
yang terjadi adalah … m
B. 104
A. 10
C. 103
B. 0,1
D. 10-4
C. 0,01
E. 10-5
D. 1 E. 80
7.
Kawat memiliki modulus elastisitas 2 10. Tiga buah pegas dengan tetapan
x 1011 N/m2 ditarik dengan gaya 20 N jika luas penampang kawat 4 x 10-
berturut – turut 40 N/m, 20 N/m,
8
dan 80 N/m. jika ketiga pegas
, maka regangan yang terjadi pada
8.
kawat tersebut adalah …
disusun seri dan agar pergas dapat
A. 4
meregang sepanjang 7 cm, maka
B. 40
gaya yang harus diberikan pada
C. 400
ketiga pegas adalah … N
D. 4000
A. 80
E. 4000
B. 8
Dua pegas dengan konstanta 200
C. 0,8
N/m dan 400 N/m, jika kedua pegas
D. 0,08
disusun seri maka konstanta
E. 0,08
penggantinya adalah … N/m A. 600 B. 200 C. 135 D. 133 E. 800
16
KONSULTASI FISIKA
SIFAT MEKANIK ZAT
Uraian … !
No. 1.
Soal
Jawaban
Kawat dengan luas penampang 5.10-4 m2 ditarik gaya 10 N. Berapakah tegangan yang dirasakan kawat tersebut?
2.
Batang logam panjangnya 60 cm dan luas penampangnya 3 cm2. Modulus elastisitasnya sebesar 4.106 N/m. Tentukan: a. regangan batang, b. pertambahan panjang dan tegangan batang saat diberi gaya 15 N!
3.
Sebuah pegas yang ditarik gaya 12 N dapat diukur panjangnya sebesar 15 cm. Kemudian saat diberi gaya 20 N ternyata panjangnya menjadi 17 cm. a. berapakah konstanta pegasnya, b. berapakah gaya yang diberikan jika terukur panjang pegas menjadi 19 cm?
4.
Dua pegas identik dirangkai dengan dua cara seperti pada gambar di bawah.
17
KONSULTASI FISIKA
SIFAT MEKANIK ZAT
Tentukan perbandingan konstanta penggantinya?
5.
Empat buah pegas disusun seperti gambar.
Jika k1 = 60 N/m, k2 = 30 N/m, k3 = 40 N/m, k4 = 60 N/m. Kemudian bagian bawahnya diberi beban bermassa 600 gr. Tentukan: a. konstanta pegas pengganti, b. gaya yang dirasakan k4 dan k1, c. pertambahan panjang pegas k4 dan k2, d. pertambahan panjang pegas
18
