Review: Proses Penemuan Hukum Fisika

Transkripsi

1 Review: Proses Penemuan Hukum Fisika Rujukan: Physics, the Human Adventure From Copernicus to Einstein and Beyond Holton, P. and Brush, S.G. Rutgers Univ. Press, 2001 Penyusun Materi Tayangan: Pekik Nurwantoro

2 Unsur Penting Prosedur Saintifik Kebanyakan temuan berasal dari kejadian yang (pada awalnya) tidak diharapkan Namun: Hanya orang yang memiliki pengalaman, kepakaran atau keahlian yang mencukupilah yang mampu mengubah kejadian tak terduga tersebut menjadi suatu temuan penting

3 Unsur Penting Prosedur Saintifik Metode saintifik untuk penemuan penting bisa jadi berbeda untuk individu yang berbeda Namun: Terdapat kesamaan yaitu bahwa hanya orang yang melakukan kajian dan pengecekan terus-meneruslah yang akan mendapatkan temuan penting

4 Unsur Penting Prosedur Saintifik Suatu temuan bisa jadi hanyalah sekedar perluasan atau perbaikan dari common sense Namun: Hanya orang yang sudah terlatihlah yang mampu menemukan penyelesaian suatu masalah

5 Unsur Penting Prosedur Saintifik Metode saintifik tidak dapat dipisahkan dari pengamatan dan percobaan Namun, Hanya pengamatan dan percobaan yang dipandu pada suatu pencarian terhadap sesuatulah yang akan memberikan jawaban suatu masalah

6 Unsur Penting Prosedur Saintifik Beberapa penemuan berawal dari adanya feeling atau intuisi Namun: Hanya orang yang secara maksimal menggunakan daya pikirlah yang memiliki feeling atau intuisi tersebut hingga mendapatkan suatu temuan

7 Urutan Perumusan Hukum Fisika Pengetahuan dasar tentang Sains Pemahaman terhadap masalah Perkiraan penyelesaian Percobaan pendahuluan Pengamatan dan percobaan lanjutan yang lebih terarah Perumusan penyelesaian, Hukum Fisika

8 Batasan Hukum Fisika Berbeda dengan istilah Hukum yang biasa dipahami, Hukum Fisika sebenarnya tidak tanpa keterbatasan: Hukum Fisika bisa jadi tidak benar selamanya Hukum Fisika bisa jadi tidak berlaku secara menyeluruh Hukum Fisika bisa jadi dapat berubah

9 Materi Pembahasan: Hukum-hukum Kekekalan

10 Manfaat Hukum Kekekalan Salah satu petunjuk bahwa alam yang nampaknya rumit dan kompleks, sebenarnya mengikuti suatu aturan yang sederhana Tidak menjadi persoalan tentang bagaimana detail interaksi antar partikel, akan ada jumlahan besaran terukur yang terjamin bernilai konstan

11 Hukum Kekekalan Massa Tiga konsep yang melandasi Hukum Kekekalan Massa: Sistem terisolasi atau sistem tertutup: perilaku obyek tidak dipengaruhi oleh sekitarnya Massa: mewakili besaran dari materi Total massa dalam suatu sistem tertutup akan tetap konstan

12 Apakah Massa benar-benar Kekal? Hingga sekarang, bukti-bukti eksperimen yang melibatkan sistem yang bereaksi secara kimia menunjukkan bahwa Hukum Kekekalan Massa adalah benar Bagaimana yang terjadi pada reaksi nuklir? Selama massa dan energi dipandang sepadan, maka tidak ada yang salah pada Hukum Kekekalan Massa

13 Latar Belakang Bukanlah sesuatu yang mengherankan ketika kita melihat ada suatu benda yang bergerak akibat adanya dorongan atau tarikan pada benda tersebut Tetapi: Akan muncul sedikit tanda-tanya ketika kita melihat suatu benda tetap bergerak, padahal tidak nampak ada dorongan atau tarikan pada benda tersebut

14 Pengertian Momentum Konsep Momentum menjadi jawaban atas pertanyaan tersebut: Benda tersebut tetap mampu bergerak meskipun tidak ada yang mendorong atau menariknya, karena benda tersebut menyimpan suatu besaran fisis yang menjamin gerak benda dapat berlangsung. Besaran gerak tersebut dikenal sebagai Momentum

15 Definisi Momentum p = mv Momentum total sejumlah N partikel: N p = p + + p = m v + + m v = m v i 1 N 1 1 N N i i i=1 N i=1

16 Hukum Kekekalan Momentum N N p = p i j i=1 j =1 m v + + m v = m v + + m v 1 1 N N 1 1 N N Dalam sistem tertutup, jumlah (vektor) momentum yang dimiliki N partikel sebelum kejadian akan sama dengan jumlah (vektor) momentum yang dimiliki M partikel setelah kejadian

17 Hukum Newton & Hukum Kekekalan Momentum Tinjau sistem tertutup yang terdiri atas 2 partikel A dan B saling berinteraksi Δm A v A Δt F AB = F BA = Δm B v B Δt ( ) m v m v = m v m v A A A A B B B B m v + m v = m v + m v A A B B A A B B

18 Contoh: Tumbukan Dua Peluru Peluru B diletakkan di atas meja dalam keadaan diam. Peluru A ditembakkan secara mendatar dengan kecepatan tertentu dan menumbuk peluru B. Saat tumbukan, peluru A menjadi terhenti dan peluru B bergerak. Berapa kecepatan peluru B setelah tumbukan tersebut?

19 Penyelesaian m v + m v = m v + m v A A B B A A B B m v + m 0 = m 0 + m v A A B A B B v = B m A m B v A Karena ma=mb diperoleh hasil v = v B A

20 Contoh: Tumbukan Dua Bandul Dua bandul A dan B berayun dari arah yang berlawanan dan bertumbukan pada titik terendahnya secara tak elastik hingga setelah itu keduanya menempel. Berapa kecepatan bandul A dan B setelah tumbukan tersebut?

21 Penyelesaian Karena bandul A dan B saling menempel dan bergerak bersama maka: v = v = v A B Mengingat kedua bandul datang dari arah yang berlawanan, maka mengingat operasi vektor, diperoleh: ( ) v m v m v = m v + m v = m + m A A B B A B A B m Av A m B v B v = m A + m B

22 Cahaya Memiliki Momentum? Sepintas sulit dipahami apabila dikatakan bahwa cahaya memiliki momentum=(massa) x (kecepatan). Umumnya cahaya dipahami hanya terkait dengan aspek gelombang, sehingga bagaimana pengertian massa, termasuk momentum cahaya? Selama aspek materi bagi cahaya belum diperhitungkan, maka momentum yang dimiliki cahaya akan nampak tidak masuk akal

23 Efek Compton & Hukum Kekekalan Momentum Tahun 1923, A.H. Compton menunjukkan bahwa berkas sinar-x yang dikenakan pada elektron bebas akan menyebabkan elektron terpental dan berkas sinar-x akan berbelok disertai perubahan panjang gelombang. Efek ini dapat dijelaskan oleh Hukum Kekekalan Momentum

24 Latar Belakang Christian Huygens ( ) mengawali perumusan kuantitatif hukum kekekalan tenaga pada masalah tumbukan, dengan memperkenalkan konsep besaran fisis mv 2, yang disebut vis viva (dari bahasa Latin yang berarti living force ) dan mengikuti aturan: Jumlah mv 2 dari seluruh benda yang berada pada sistem, setelah mengalami tumbukan elastik sempurna, akan tetap konstan seperti saat sebelum tumbukan

25 Manfaat? Tinjau masalah Tumbukan Dua Peluru yang disajikan saat membahas Hukum Kekekalan Momentum. Ketika hanya menerapkan hukum tersebut, penyelesaian v = v B A hanya diperoleh saat diketahui bahwa v A = 0 Namun dengan menambahkan aturan Huygens dalam bentuk Diperoleh bahwa m v 2 + m v 2 = m v 2 A A B B A A + m B, yang berarti v 2 B 0 = 2 v A v B v A = 0, v B = v A Jadi penyelesaian dapat diperoleh semata-mata dari infomasi data sebelum tumbukan saja

26 Konsep Usaha (Work) Usaha yang dilakukan gaya F 1 pada benda adalah F 1 s cosθ Pengertian Usaha dalam Fisika bisa jadi berbeda dengan istilah sehari-hari. Ketika seseorang mendorong dengan sekuat tenaga suatu dinding yang tegar, maka F 1 bernilai besar, cosθ = 1tapi s = 0, yang berarti tidak ada Usaha (menurut konsep Usaha dalam Fisika)

27 Usaha dan Energi (Energy) Bayangkan sebuah gaya Fap bekerja pada sebongkah es yang memiliki kecepatan v 1, dengan arah yang sejajar dengan arah gerak bongkahan es tersebut. Akibat adanya gaya maka bongkahan es mendapatkan percepatan sehingga kecepatan menjadi v 2 saat bergerak sejauh s. Memanfaatkan Hukum Newton II maka F s = ( ma)s = 1 ap 2 m v 2 v ( ) = 1 2 mv mv 1 2 Energi Kinetik (Ek) = 1 2 mv2 Usaha = perubahan energi kinetik = Δ Ek

28 Energi Potensial Tinjau saat suatu benda bermassa m, yang pada awalnya berada di lantai, dinaikkan hingga ketinggian h. Gaya yang diberikan saat benda bergerak dari dasar lantai ke ketinggian h: F ap = mg Maka usaha yang diperlukan: F s = ( mg)h = mgh ap Usaha yang diperlukan (tanda minus) untuk menahan benda pada ketinggian h sebesar mgh tersebut tidak hilang, namun tersimpan pada benda tersebut dalam bentuk energi yang disebut Energi Potensial (Ep)

29 Sistem Konservatif Andaikan benda yang menyimpan Ep=mgh tersebut dibiarkan jatuh dari ketinggian h, maka Ep akan diubah menjadi Ek sehingga benda akan berkecepatan v2 di dasar lantai, dengan memenuhi F ap s = 1 mv = mgh = (0 mgh) Δ Ek = Δ Ep atau Δ Ek + Δ Ep = 0 Nampak dalam sistem tersebut bahwa perubahan energi kinetik ditambah perubahan energi potensial akan nol. Sistem seperti itu disebut Sistem Konservatif

30 Hukum Kekekalan Energi Sistem konservatif dapat juga dipahami sebagai suatu sistem terisolasi, sedemikian hingga tidak ada energi yang dapat diterima atau diberikan ke luar. Karena itu maka tenaga total sistem, sebagai penambahan tenaga kinetik dan tenaga potensial, akan tetap konstan Δ Ek + Δ Ep = E k Ek + E p Ep = 0 Ungkapan seperti di atas dikenal sebagai Hukum Kekekalan Energi Ek + Ep = E k + E p

31 Contoh: Gerak Bandul Berbeda dengan Hukum Kekekalan Momentum yang berbentuk vektor, karena Hukum Kekekalan Energi berbentuk skalar maka sangat berguna diterapkan pada gerak benda yang komponen geraknya sulit ditentukan, seperti gerak bandul di atas.

32 Penyelesaian Menggunakan Hukum Kekekalan Energi, saat bandul dilepas dari simpangan di titik A, maka kecepatan di titik C menjadi 1 mv 2 2 c + mgh c = 1 mv 2 2 a + mgh a 1 mv 2 2 c + 0 = 0 + mgh a v c = 2gh a Dari Hukum Kekelakan Energi juga dapat dipahami bahwa bandul tersebut akan meneruskan geraknya karena masih memiliki tenaga kinetik yang cukup saat di titik terendah C untuk diubah ke tenaga potensial saat menuju titik E. Gerak tersebut akan terus berulang sehingga menjadi gerak osilasi

33 Education for Sustainable Development (EfSD) Dari hukum kekekalan massa, kekekalan momentum serta kekekalan energi memberi pelajaran bahwa ada suatu batasan yang dapat disediakan oleh alam (sistem terisolasi) yaitu jumlah dari beberapa besaran fisis perlu konstan. Apabila nampak ada satu besaran yang bisa dimanfaatkan sekarang, maka mestinya ada bentuk lain dari besaran tersebut yang tidak dapat dimanfaatkan lagi di masa datang Hakekat Pendidikan untuk Pengembangan Berkelanjutan (Education for Sustainable Development/EfSD): Perlu kebijaksanaan atau kehati-hatian dari kita semua dalam memanfaatkan alam