Menguasai Fisika Kelas 11 Semester 1 Kurikulum 2013: Panduan Lengkap dengan Contoh Soal

Fisika, ilmu yang mempelajari tentang alam semesta dan segala fenomena di dalamnya, seringkali dianggap sebagai mata pelajaran yang menantang. Namun, dengan pemahaman konsep yang kuat dan latihan soal yang terarah, fisika dapat menjadi subjek yang menarik dan memuaskan. Khususnya bagi siswa kelas 11 semester 1 yang mengikuti Kurikulum 2013, penguasaan materi awal menjadi kunci keberhasilan di semester-semester berikutnya.

Kurikulum 2013 pada jenjang SMA menekankan pada pendekatan ilmiah, keterampilan proses, dan penerapan konsep dalam kehidupan sehari-hari. Untuk fisika kelas 11 semester 1, fokus utamanya adalah pada Mekanika, yang mencakup topik-topik fundamental seperti Kinematika Gerak, Dinamika Gerak, Usaha dan Energi, serta Momentum dan Impuls. Memahami konsep-konsep ini bukan hanya penting untuk lulus ujian, tetapi juga untuk membangun fondasi yang kokoh bagi studi fisika di tingkat yang lebih tinggi.

Artikel ini akan mengupas tuntas materi-materi penting dalam fisika kelas 11 semester 1 Kurikulum 2013, dilengkapi dengan berbagai contoh soal yang bervariasi, mulai dari yang konseptual hingga yang bersifat analitis. Tujuannya adalah untuk memberikan gambaran yang komprehensif dan membantu siswa dalam mempersiapkan diri menghadapi ujian serta memperdalam pemahaman mereka.

Bab 1: Kinematika Gerak Lurus

Kinematika gerak lurus mempelajari tentang deskripsi gerak benda tanpa memperhatikan penyebabnya. Konsep-konsep kunci di sini meliputi posisi, perpindahan, kecepatan (rata-rata dan sesaat), serta percepatan (rata-rata dan sesaat).

Konsep-Konsep Penting:

• Posisi ($vecr$): Lokasi suatu benda dalam ruang.
• Perpindahan ($Delta vecr$): Perubahan posisi benda ($Delta vecr = vecr_f – vecr_i$). Merupakan besaran vektor.
• Jarak: Panjang lintasan total yang ditempuh benda. Merupakan besaran skalar.
• Kecepatan Rata-rata ($vecv_rata-rata$): Perpindahan dibagi selang waktu ($vecv_rata-rata = fracDelta vecrDelta t$).
• Kecepatan Sesaat ($vecv$): Kecepatan benda pada suatu waktu tertentu. Merupakan turunan pertama dari posisi terhadap waktu ($vecv = fracdvecrdt$).
• Percepatan Rata-rata ($veca_rata-rata$): Perubahan kecepatan dibagi selang waktu ($veca_rata-rata = fracDelta vecvDelta t$).
• Percepatan Sesaat ($veca$): Percepatan benda pada suatu waktu tertentu. Merupakan turunan pertama dari kecepatan terhadap waktu atau turunan kedua dari posisi terhadap waktu ($veca = fracdvecvdt = fracd^2vecrdt^2$).

Jenis-Jenis Gerak Lurus:

1. Gerak Lurus Beraturan (GLB): Gerak benda dengan kecepatan konstan ($vecv = textkonstan$) dan percepatan nol ($veca = 0$).

   • Persamaan: $s = v cdot t$ (untuk gerak searah sumbu) atau $vecr(t) = vecr_0 + vecv t$.

2. Gerak Lurus Berubah Beraturan (GLBB): Gerak benda dengan percepatan konstan ($veca = textkonstan$). Kecepatan benda berubah secara beraturan.

   • Persamaan:
     • $v_t = v_0 + a t$
     • $s = v_0 t + frac12 a t^2$
     • $v_t^2 = v_0^2 + 2 a s$
   • Di mana: $v_0$ (kecepatan awal), $v_t$ (kecepatan akhir), $a$ (percepatan), $t$ (waktu), $s$ (jarak tempuh).

Contoh Soal Kinematika Gerak Lurus:

Soal 1 (Konseptual):
Seorang siswa berlari dari rumahnya ke sekolah. Dia menempuh jarak 100 meter ke timur, kemudian berbelok ke utara sejauh 50 meter. Jika waktu tempuh total adalah 50 detik, tentukan:
a. Jarak yang ditempuh siswa.
b. Perpindahan siswa.
c. Kecepatan rata-rata siswa.

Pembahasan Soal 1:
a. Jarak: Jarak adalah panjang lintasan total. Siswa menempuh 100 m ke timur + 50 m ke utara.
Jarak = 100 m + 50 m = 150 m.

b. Perpindahan: Perpindahan adalah vektor dari posisi awal ke posisi akhir. Kita dapat menggunakan teorema Pythagoras untuk mencari besar perpindahan. Posisi awal di (0,0). Posisi akhir di (100, 50) (menganggap timur sumbu-x positif dan utara sumbu-y positif).
Perpindahan ($Delta vecr$) = $sqrt(100 text m)^2 + (50 text m)^2 = sqrt10000 + 2500 = sqrt12500 = sqrt2500 times 5 = 50sqrt5$ meter.
Arah perpindahan dapat dinyatakan dengan sudut terhadap sumbu timur, $theta = arctan(frac50100) = arctan(0.5) approx 26.57^circ$ ke utara dari timur.

c. Kecepatan Rata-rata: Kecepatan rata-rata adalah perpindahan dibagi waktu.
$vecv_rata-rata = fracDelta vecrDelta t = frac50sqrt5 text m50 text s = sqrt5$ m/s.
Arahnya sama dengan arah perpindahan, yaitu sekitar $26.57^circ$ ke utara dari timur.

Soal 2 (GLBB):
Sebuah mobil bergerak dengan kecepatan awal 10 m/s. Mobil tersebut kemudian dipercepat secara konstan sebesar 2 m/s$^2$ selama 5 detik. Tentukan:
a. Kecepatan mobil setelah 5 detik.
b. Jarak yang ditempuh mobil selama 5 detik tersebut.

Pembahasan Soal 2:
Diketahui:
$v_0 = 10$ m/s
$a = 2$ m/s$^2$
$t = 5$ s

a. Kecepatan mobil setelah 5 detik ($v_t$):
Menggunakan rumus $v_t = v_0 + a t$:
$v_t = 10 text m/s + (2 text m/s^2)(5 text s) = 10 text m/s + 10 text m/s = 20$ m/s.

b. Jarak yang ditempuh mobil ($s$):
Menggunakan rumus $s = v_0 t + frac12 a t^2$:
$s = (10 text m/s)(5 text s) + frac12 (2 text m/s^2)(5 text s)^2$
$s = 50 text m + frac12 (2 text m/s^2)(25 text s^2)$
$s = 50 text m + 25 text m = 75$ m.

Bab 2: Dinamika Gerak

Dinamika gerak mempelajari tentang penyebab gerak, yaitu gaya. Bab ini akan membahas Hukum Newton tentang Gerak dan aplikasinya.

Konsep-Konsep Penting:

• Gaya ($vecF$): Tarikan atau dorongan yang dapat mengubah keadaan gerak benda. Merupakan besaran vektor.
• Hukum Newton I (Hukum Kelembaman): Jika resultan gaya yang bekerja pada benda adalah nol, maka benda akan tetap diam atau bergerak lurus beraturan. $Sigma vecF = 0 implies vecv = textkonstan$.
• Hukum Newton II: Percepatan yang ditimbulkan oleh resultan gaya pada suatu benda berbanding lurus dengan resultan gaya dan berbanding terbalik dengan massa benda. $Sigma vecF = m veca$.
• Hukum Newton III (Aksi-Reaksi): Untuk setiap aksi, ada reaksi yang sama besar dan berlawanan arah. $vecFaksi = -vecFreaksi$.
• Gaya Berat ($vecW$): Gaya gravitasi yang bekerja pada benda, $vecW = m vecg$, di mana $m$ adalah massa dan $vecg$ adalah percepatan gravitasi.
• Gaya Normal ($vecN$): Gaya yang diberikan oleh permukaan tegak lurus terhadap permukaan kontak.
• Gaya Gesek ($vecf$): Gaya yang melawan gerakan atau kecenderungan gerakan antara dua permukaan yang bersentuhan.
  • Gaya Gesek Statis Maksimum ($fs,max$): $fs,max = mu_s N$, di mana $mu_s$ adalah koefisien gesek statis.
  • Gaya Gesek Kinetis ($f_k$): $f_k = mu_k N$, di mana $mu_k$ adalah koefisien gesek kinetis ($mu_k < mu_s$).

Contoh Soal Dinamika Gerak:

Soal 3 (Hukum Newton II):
Sebuah balok bermassa 4 kg ditarik di atas permukaan horizontal licin oleh gaya horizontal sebesar 20 N. Tentukan percepatan balok tersebut.

Pembahasan Soal 3:
Diketahui:
$m = 4$ kg
$F = 20$ N
Karena permukaan licin, gaya gesek diabaikan.

Menggunakan Hukum Newton II: $Sigma F = m a$.
Dalam kasus ini, hanya ada gaya horizontal sebesar 20 N yang bekerja.
$20 text N = (4 text kg) a$
$a = frac20 text N4 text kg = 5$ m/s$^2$.

Soal 4 (Gaya Gesek):
Sebuah balok bermassa 5 kg diletakkan di atas meja mendatar. Koefisien gesek statis antara balok dan meja adalah 0.4, dan koefisien gesek kinetisnya adalah 0.3.
a. Jika balok ditarik dengan gaya horizontal 10 N, apakah balok akan bergerak? (Gunakan $g = 10$ m/s$^2$)
b. Jika balok ditarik dengan gaya horizontal 25 N, tentukan percepatan balok.

Pembahasan Soal 4:
Diketahui:
$m = 5$ kg
$mu_s = 0.4$
$mu_k = 0.3$
$g = 10$ m/s$^2$

Pertama, hitung gaya normal ($N$). Karena balok di atas meja mendatar, gaya normal sama dengan gaya berat.
$N = W = m g = (5 text kg)(10 text m/s^2) = 50$ N.

a. Gaya gesek statis maksimum:
$f_s,max = mu_s N = (0.4)(50 text N) = 20$ N.
Gaya tarik yang diberikan adalah 10 N. Karena gaya tarik (10 N) < gaya gesek statis maksimum (20 N), maka balok tidak akan bergerak. Gaya gesek yang bekerja adalah sama dengan gaya tarik, yaitu 10 N.

b. Jika balok ditarik dengan gaya 25 N:
Karena gaya tarik (25 N) > gaya gesek statis maksimum (20 N), balok akan bergerak. Gaya gesek yang bekerja sekarang adalah gaya gesek kinetis.
$f_k = mu_k N = (0.3)(50 text N) = 15$ N.

Menggunakan Hukum Newton II: $Sigma F = m a$.
Gaya tarik ke kanan (positif) dan gaya gesek ke kiri (negatif).
$F_tarik - f_k = m a$
$25 text N - 15 text N = (5 text kg) a$
$10 text N = (5 text kg) a$
$a = frac10 text N5 text kg = 2$ m/s$^2$.

Bab 3: Usaha dan Energi

Bab ini membahas konsep usaha, energi potensial, energi kinetik, dan hukum kekekalan energi mekanik.

Konsep-Konsep Penting:

• Usaha ($vecW$): Energi yang ditransfer ketika gaya bekerja pada benda dan menyebabkan perpindahan. $W = F cdot s cos theta$. Jika gaya searah perpindahan, $W = F cdot s$. Satuan usaha adalah Joule (J).
• Energi Kinetik ($E_k$): Energi yang dimiliki benda karena geraknya. $E_k = frac12 m v^2$.
• Energi Potensial Gravitasi ($E_p$): Energi yang dimiliki benda karena posisinya dalam medan gravitasi. $E_p = m g h$.
• Hukum Kekekalan Energi Mekanik: Jika hanya gaya konservatif (seperti gravitasi dan gaya pegas) yang bekerja, total energi mekanik (jumlah energi kinetik dan energi potensial) suatu sistem adalah konstan. $E_mekanik = E_k + E_p = textkonstan$.
  • $Ek,i + Ep,i = Ek,f + Ep,f$
• Teorema Usaha-Energi: Usaha total yang dilakukan pada benda sama dengan perubahan energi kinetiknya. $W_total = Delta Ek = Ek,f – E_k,i$.

Contoh Soal Usaha dan Energi:

Soal 5 (Usaha):
Sebuah balok bermassa 2 kg didorong mendatar dengan gaya konstan 10 N sejauh 5 meter. Tentukan usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut.

Pembahasan Soal 5:
Diketahui:
$m = 2$ kg
$F = 10$ N
$s = 5$ m
Karena gaya searah dengan perpindahan, $cos theta = cos 0^circ = 1$.

$W = F cdot s cos theta$
$W = (10 text N)(5 text m)(1)$
$W = 50$ J.

Soal 6 (Hukum Kekekalan Energi Mekanik):
Sebuah bola dilempar vertikal ke atas dengan kecepatan awal 20 m/s dari ketinggian 2 meter di atas tanah. Jika massa bola 0.5 kg dan percepatan gravitasi 10 m/s$^2$, tentukan:
a. Energi kinetik awal bola.
b. Energi potensial awal bola.
c. Kecepatan bola saat mencapai ketinggian maksimum (dianggap mencapai ketinggian 20 meter di atas tanah).

Pembahasan Soal 6:
Diketahui:
$v_0 = 20$ m/s
$hi = 2$ m
$m = 0.5$ kg
$g = 10$ m/s$^2$
$hmax = 20$ m (ketinggian maksimum yang dicapai)

a. Energi kinetik awal ($E_k,i$):
$E_k,i = frac12 m v_0^2 = frac12 (0.5 text kg)(20 text m/s)^2 = frac12 (0.5 text kg)(400 text m^2/texts^2) = 100$ J.

b. Energi potensial awal ($E_p,i$):
$E_p,i = m g h_i = (0.5 text kg)(10 text m/s^2)(2 text m) = 10$ J.

c. Kecepatan bola saat mencapai ketinggian maksimum ($v_f$):
Pada ketinggian maksimum, kecepatan bola sesaat adalah nol ($vf = 0$).
Menggunakan Hukum Kekekalan Energi Mekanik: $Ek,i + Ep,i = Ek,f + Ep,f$
$Ek,i + E_p,i = frac12 m vf^2 + m g hmax$
$100 text J + 10 text J = frac12 (0.5 text kg)(0 text m/s)^2 + (0.5 text kg)(10 text m/s^2)(20 text m)$
$110 text J = 0 + 100 text J$.
Ada ketidaksesuaian dalam data soal atau asumsi. Jika bola dilempar ke atas, ketinggian maksimum yang dicapai bergantung pada kecepatan awal. Mari kita hitung ketinggian maksimum yang seharusnya dicapai dengan kecepatan awal 20 m/s, lalu gunakan itu.

Hitung ketinggian maksimum ($h_max'$) jika hanya energi awal yang diperhitungkan:
Pada ketinggian maksimum, $v_f = 0$.
$E_k,i + E_p,i = E_k,f + E_p,f$
$100 text J + 10 text J = 0 + m g h_max'$
$110 text J = (0.5 text kg)(10 text m/s^2) h_max'$
$110 text J = (5 text N) h_max'$
$h_max' = frac110 text J5 text N = 22$ meter.

Jadi, jika bola dilempar dengan kecepatan awal 20 m/s dari ketinggian 2 m, ketinggian maksimum yang dicapai adalah 22 meter di atas tanah.
Jika soal ingin menanyakan kecepatan bola saat mencapai ketinggian 20 meter di atas tanah (bukan ketinggian maksimum), maka perhitungannya:

$E_k,i + E_p,i = E_k,f + E_p,f$
$100 text J + 10 text J = frac12 (0.5 text kg) v_f^2 + (0.5 text kg)(10 text m/s^2)(20 text m)$
$110 text J = 0.25 v_f^2 + 100 text J$
$110 text J - 100 text J = 0.25 v_f^2$
$10 text J = 0.25 v_f^2$
$v_f^2 = frac10 text J0.25 text kg = 40 text m^2/texts^2$
$v_f = sqrt40 = sqrt4 times 10 = 2sqrt10$ m/s.

Jika yang dimaksud adalah ketinggian maksimum yang *dicapai* dari titik lempar, maka pada ketinggian maksimum $v_f=0$. Pertanyaan (c) perlu diperjelas. Jika yang ditanyakan adalah kecepatan saat mencapai ketinggian maksimum, maka jawabannya 0 m/s. Jika yang ditanyakan adalah kecepatan saat mencapai ketinggian 20m, maka jawabannya $2sqrt10$ m/s.

Bab 4: Momentum dan Impuls

Bab ini membahas konsep momentum, impuls, dan hubungan antara keduanya, serta hukum kekekalan momentum.

Konsep-Konsep Penting:

• Momentum ($vecp$): Ukuran kecenderungan benda untuk terus bergerak. Merupakan hasil kali massa dan kecepatan benda. $vecp = m vecv$. Merupakan besaran vektor.
• Impuls ($vecI$): Perubahan momentum suatu benda. Merupakan hasil kali gaya yang bekerja pada benda dengan selang waktu terjadinya gaya. $vecI = vecF Delta t = Delta vecp$.
• Hubungan Impuls-Momentum: $vecF Delta t = m Delta vecv$.
• Hukum Kekekalan Momentum: Jika tidak ada gaya luar yang bekerja pada sistem, total momentum sistem sebelum dan sesudah tumbukan adalah konstan. $Sigma vecpawal = Sigma vecpakhir$.

Contoh Soal Momentum dan Impuls:

Soal 7 (Impuls):
Sebuah bola bisbol bermassa 0.15 kg bergerak dengan kecepatan 40 m/s ke arah utara. Tongkat pemukul memberikan gaya rata-rata sebesar 12000 N pada bola selama 0.002 detik, mengubah arah bola menjadi 50 m/s ke selatan. Tentukan impuls yang diberikan oleh tongkat pemukul.

Pembahasan Soal 7:
Diketahui:
$m = 0.15$ kg
$vawal = 40$ m/s (utara)
$vakhir = 50$ m/s (selatan)
$Delta t = 0.002$ s
$F_rata-rata = 12000$ N

Kita bisa menghitung impuls dengan dua cara:
Cara 1: Menggunakan gaya rata-rata dan selang waktu.
$vecI = vecF Delta t$
Misalkan arah utara positif dan selatan negatif.
$vecI = (12000 text N) (0.002 text s)$
$vecI = 24$ Ns.
Arah impuls sama dengan arah gaya. Namun, soal ini lebih cocok dihitung dengan perubahan momentum.

Cara 2: Menggunakan perubahan momentum.
$vecI = Delta vecp = m vecvakhir – m vecvawal$
$vecpawal = (0.15 text kg)(40 text m/s) = 6$ kg m/s (utara, positif)
$vecpakhir = (0.15 text kg)(-50 text m/s) = -7.5$ kg m/s (selatan, negatif)

$vecI = vecpakhir – vecpawal$
$vecI = (-7.5 text kg m/s) – (6 text kg m/s)$
$vecI = -13.5$ kg m/s.

Jadi, impuls yang diberikan adalah 13.5 kg m/s ke arah selatan.

Catatan: Ada perbedaan hasil jika kita mengasumsikan gaya 12000 N itu sudah menyebabkan perubahan kecepatan tersebut. Namun, definisi impuls adalah perubahan momentum. Jika kita gunakan gaya rata-rata 12000 N, dan arah gaya berlawanan dengan arah awal bola (yaitu ke selatan), maka $F = -12000$ N. Maka $I = (-12000)(0.002) = -24$ Ns. Ini menunjukkan ada inkonsistensi dalam data soal, atau gaya 12000 N adalah gaya total yang bekerja pada bola selama kontak. Menggunakan perubahan momentum adalah cara yang lebih fundamental untuk mendefinisikan impuls.

Mari kita revisi soal ini agar konsisten. Jika kita hanya menggunakan perubahan momentum:
Soal 7 (Revisi – Impuls):
Sebuah bola bisbol bermassa 0.15 kg bergerak dengan kecepatan 40 m/s ke arah utara. Tongkat pemukul memberikan gaya pada bola sehingga arah bola berubah menjadi 50 m/s ke selatan. Tentukan impuls yang diberikan oleh tongkat pemukul.

Pembahasan Soal 7 (Revisi):
Diketahui:
$m = 0.15$ kg
$vawal = 40$ m/s (utara)
$vakhir = 50$ m/s (selatan)

Kita akan menghitung impuls dengan menggunakan perubahan momentum.
Misalkan arah utara sebagai arah positif (+) dan arah selatan sebagai arah negatif (-).
Momentum awal ($vecpawal$):
$vecpawal = m cdot v_awal = (0.15 text kg)(+40 text m/s) = +6$ kg m/s (ke utara)

Momentum akhir ($vecpakhir$):
$vecpakhir = m cdot v_akhir = (0.15 text kg)(-50 text m/s) = -7.5$ kg m/s (ke selatan)

Impuls ($vecI$) adalah perubahan momentum:
$vecI = vecpakhir – vecpawal$
$vecI = (-7.5 text kg m/s) – (+6 text kg m/s)$
$vecI = -13.5$ kg m/s

Jadi, impuls yang diberikan oleh tongkat pemukul adalah 13.5 kg m/s ke arah selatan.

Soal 8 (Hukum Kekekalan Momentum):
Dua buah balok A dan B bergerak saling mendekat di atas permukaan horizontal licin. Balok A bermassa 2 kg bergerak ke kanan dengan kecepatan 4 m/s, dan balok B bermassa 3 kg bergerak ke kiri dengan kecepatan 2 m/s. Setelah tumbukan, kedua balok menempel dan bergerak bersama. Tentukan kecepatan kedua balok setelah tumbukan.

Pembahasan Soal 8:
Diketahui:
$mA = 2$ kg, $vA,awal = +4$ m/s (ke kanan)
$mB = 3$ kg, $vB,awal = -2$ m/s (ke kiri)
Setelah tumbukan, kedua balok menempel, sehingga $vA,akhir = vB,akhir = v_akhir$.

Menggunakan Hukum Kekekalan Momentum: $Sigma vecpawal = Sigma vecpakhir$.
$(mA vA,awal + mB vB,awal) = (m_A + mB) vakhir$

$(2 text kg)(+4 text m/s) + (3 text kg)(-2 text m/s) = (2 text kg + 3 text kg) vakhir$
$(8 text kg m/s) + (-6 text kg m/s) = (5 text kg) vakhir$
$2 text kg m/s = (5 text kg) vakhir$
$vakhir = frac2 text kg m/s5 text kg = +0.4$ m/s.

Jadi, kedua balok setelah tumbukan bergerak bersama ke kanan dengan kecepatan 0.4 m/s.

Penutup

Menguasai materi fisika kelas 11 semester 1 Kurikulum 2013 adalah langkah krusial untuk meraih kesuksesan akademis. Dengan memahami konsep-konsep dasar Kinematika, Dinamika, Usaha dan Energi, serta Momentum dan Impuls, siswa akan memiliki bekal yang memadai untuk menghadapi tantangan fisika selanjutnya.

Latihan soal yang variatif, seperti yang telah disajikan dalam artikel ini, sangat penting untuk menguji pemahaman dan melatih kemampuan analisis. Ingatlah bahwa fisika adalah tentang pemahaman, bukan sekadar menghafal rumus. Cobalah untuk memvisualisasikan fenomena fisika, menghubungkannya dengan kehidupan sehari-hari, dan jangan ragu untuk bertanya kepada guru atau teman jika menemui kesulitan.

Semoga artikel ini dapat menjadi panduan yang bermanfaat bagi seluruh siswa dalam menguasai fisika kelas 11 semester 1. Selamat belajar dan terus semangat!