Bahan Ajar Fisika Terintegrasi Konsep MSTBK Kelas XI SMA. Impuls dan Momentum

Transkripsi

1 Impuls dan Momentum Bahan ajar ini menyajikan materi impuls dan momentum yang mencakup defenisi impuls, momentum, hubungan impuls dan momentum dan hukum kekekalan momentum. Melalui materi dan contoh soal yang disediakan ananda akan menemukan pengintegrasian Matematika, Sains, teknologi, bencana alam, dan karakter mulia (MSTBK) sehingga belajar Fisika akan lebih menyenangkan. Selain itu, untuk meningkatkan pemahaman ananda pada materi ananda dapat menjawab soal-soal UN dan SNMPTN yang telah disediakan pada bahan ajar ini. Pupuklah sikap kerja keras dan gemar membaca untuk menemukan fakta menarik tentang Fisika dan bacalah referensi lain untuk menambah pengetahuanmu. Selamat belajar..! P a g e - 1 -

2 Bacalah petunjuk belajar berikut dengan cermat untuk mempermudah ananda menggunakan bahan ajar ini! 1. Bacalah do a sebelum memulai pembelajaran. 2. Jangan lupa membaca KI, KD, dan tujuan dari pembelajaran. 3. Bacalah pendahuluan yang menggambarkan isi materi yang akan dipelajari. 4. Pahami peta pikiran dan cakupan materi yang diberikan. 5. Pelajari materi dan contoh soal secara seksama kemudian kerjakan latihan soal yang diberikan. 6. Temukanlah integrasi dari konsep Matematika, Sains, Teknologi, Bencana lam dan Karakter Mulia (MSTBK) pada bahan ajar ini 7. Kerjakanlah evaluasi secara cermat dan teliti. 8. Bila ananda menemukan kesulitan, konsultasikan dengan guru pembimbing. 9. P a g e - 2 -

3 KOMPETENSI INTI KI 1 Menghayati dan mengamalkan ajaran agama yang dianutnya. KI 2 Menghayati dan mengamalkan perilaku jujur, disiplin, tanggung jawab, peduli (gotong royong, kerjasama, toleran, damai), santun, responsif dan pro-aktif dan menunjukkan sikap sebagai bagian dari solusi atas berbagai permasalahan dalam berinteraksi secara efektif dengan lingkungan sosial dan alam serta dalam menempatkan diri sebagai cerminan bangsa dalam pergaulan dunia. KI 3 Memahami, menerapkan, dan menganalisis pengetahuan faktual, konseptual, prosedural, dan metakognitif berdasarkan rasa ingin tahunya tentang ilmu pengetahuan, teknologi, seni, budaya, dan humaniora dengan wawasan kemanusiaan, kebangsaan, kenegaraan, dan peradaban, terkait penyebab fenomena dan kejadian, serta menerapkan pengetahuan prosedural pada bidang kajian yang spesifik sesuai dengan bakat dan minatnya untuk memecahkan masalah. KI 4 Mengolah, menalar, dan menyaji dalam ranah konkret dan ranah abstrak terkait dengan pengembangan dari yang dipelajarinya di sekolah secara mandiri, bertindak secara efektif dan kreatif, serta mampu menggunakan metoda sesuai kaidah keilmuan. P a g e - 3 -

4 KOMPETENSI DSR DN INDIKTOR 1.1 Menyadari kebesaran Tuhan yang menciptakan dan mengatur alam jagad raya melalui pengamatan fenomena alam fisis dan pengukurannya. 2.1 Menunjukkan perilaku ilmiah (memiliki rasa ingin tahu; objektif; jujur; cermat; tekun; hati-hati; bertanggung jawab; terbuka; kritis; kreatif; inovatif; dan peduli lingkungan) dalam aktivitas sehari-hari sebagai wujud implementasi sikap dalam melakukan percobaan, melaporkan, dan berdiskusi. 3.5 Mendeskripsikan momentum dan impuls, hukum kekekalan momentum, serta penerapannya dalam kehidupan sehari-hari Indikator : Menjelaskan konsep impuls Memformulasikan konsep impuls Menjelaskan konsep momentum Memformulasikan konsep momentum Mengaitkan hubungan momentum dan impuls Menjelaskan hukum kekekalan momentum Menunjukkan relevansi impuls dan momentum dengan sains lainnya Menunjukkan relevansi impuls dan momentum dengan teknologi Menunjukkan relevansi impuls dan momentum dengan bencana alam 4.5 Memodifikasi roket sederhana dengan menerapkan hukum kekekalan momentum Indikator : Melakukan percobaan sederhana mengenai momentum, impuls dan tumbukan P a g e - 4 -

5 . Kemampuan Matematika Prasyarat B. Definisi impuls C. Definisi Momentum Linear D. Hubungan Impuls dengan Momentum Linear E. Hukum Kekekalan Momentum F. Relevansi Momentum dan Impuls pada Sains Lainnya G. Relevansi Momentum dan Impuls pada Teknologi H. Relevansi Momentum dan Impuls pada Bencana lam P a g e - 5 -

6 Setelah berdiskusi dan mengerjakan tugas, diharapkan siswa dapat: 1. Menumbuhkan nilai religius melalui pengamatan terhadap ciptaan tuhan 2. Menciptakan karakter yang baik, seperti religius, jujur, disiplin, bertanggung jawab, peduli (kerjasama, toleransi), santun, responsif, dan rasa ingin tahu. 3. Menyebutkan pengertian impuls 4. Memformulasikan persamaan impuls 5. Menjelaskan pengertian momentum 6. Memformulasikan persamaan momentum 7. Menyatakan keterkaitan impuls dan momentum 8. Menunjukkan kaitan momentum dan Impuls dengan sains lainnya 9. Menunjukkan kaitan momentum dan Impuls dengan teknologi 10. Menunjukkan relevansi momentum dan Impuls pada bencana alam 11. Melakukan percobaan sederhana mengenai ayunan bandul dan pegas P a g e - 6 -

7 Kerjakanlah kemampuan matematis prasyarat berikut ini dengan bekerja keras dan teliti. 1. Diketahui dua persamaan: a 2b 10 2a 3b 1 Tentukan nilai a dan b! 2. Diketahui persamaan: q y s p r dimana: y 0, 3, s 10, r 5, dan 70 4q 6p. Tentukan nilai q dan p! Pernahkah ananda menonton acara olahraga tinju di televisi? Kenapa petinju menggunakan sarung tinju? Kenapa petinju harus meninju dengan kekuatan yang besar dan dalam rentang waktu yang sesingkat mungkin? Gambar 1. Petinju melakukan pukulan (sumber: republika.co.id) P a g e - 7 -

8 Nah, untuk menjawab pertanyaan ini, belajarlah dengan kerja keras dan temukan fakta-fakta menarik lainnya dengan sikap gemar membaca. Untuk membuat suatu benda yang diam menjadi bergerak diperlukan sebuah gaya yang bekerja pada benda tersebut selama interval waktu tertentu. Gaya yang diperlukan untuk membuat sebuah benda tersebut bergerak dalam interval waktu tertentu disebut impuls. Impuls merupakan besaran vektor yang arahnya searah dengan gaya yang diberikan pada benda. Impuls dapat dirumuskan sebagai hasil perkalian gaya dengan interval waktu. Secara matematis dituliskan:... (1) Dengan = gaya (N) = interval waktu (s) = impuls (N.s) Misalnya seseorang yang bermain kelereng dibawah ini. Walaupun kontak antara jari jentikan dengan kelereng hanya sesaat, namun bola dapat bergerak dengan kecepatan tertentu sehingga kelereng berpindah. Gambar 2. Orang yang sedang bermain kelereng Besarnya impuls dapat dihitung dengan menggunakan grafik hubungan gaya F terhadap waktu t, yaitu luas bidang pada grafik F terhadap t. Gambar 3. Luas daerah dibawah grafik F t menunjukkan impuls yang dialami benda P a g e - 8 -

9 Latihan Soal SPMB Sebuah benda bermassa 2 kg yang sedang bergerak dengan laju tetap, tiba-tiba menumbuk karung pasir sehingga mengalami gaya F sebagai fungsi waktu seperti terlihat pada grafik di bawah. Perubahan laju benda selama 4 detik pertama adalah m/s. 10 D. 25 B. 15 E. 30 C. 20 (Sumber: SPMB 2007) Perbanyak pembahasan mengenai contoh soal yang berkaitan dengan Momentum dan impuls dengan disiplin dan diskusikan secara bersama. Momentum dimiliki oleh benda yang bergerak. Momentum adalah kecenderungan benda yang bergerak untuk melanjutkan gerakannya pada kelajuan yang konstan. Semakin besar kecepatan suatu benda bergerak, maka semakin besar momentum benda tersebut untuk dihentikan. Momentum merupakan besaran vektor yang searah dengan kecepatan benda. Momentum dapat dirumuskan sebagai hasil perkalian massa dengan kecepatan. Secara matematis dituliskan:...(2) Dimana p = momentum (kgm/s) m = massa benda (kg) v = kecepatan benda (m/s) P a g e - 9 -

10 (a) (b) Gambar 3. (a)kereta api yang sedang bergerak, (b) mobil yang sedang bergerak Jika dibandingkan momentum kereta api dan mobil yang bergerak dengan kecepatan yang sama, berdasarkan persamaan (3) dapat diketahui bahwa momentum kereta api lebih besar dari pada momentum mobil. Namun, momentum kereta api akan nol jika kereta api sedang dalam keadaan diam. Kita tidak bisa meninjau momentum suatu benda hanya berdasarkan salah satu dari massa atau kecepatannya saja. Bekerja keras dan komunikatif sangat berpengaruh terhadap kesuksesan, semakin sering kita mempraktekkan dua hal tersebut dalam berbagai hal, maka kesuksesan akan semakin dekat dengan kita, namun apabila kita jauh dari kedua sikap tersebut, maka kesuksesan tersebut juga akan jauh dari kita. Dapatkah ananda menghitung waktu sentuh ketika tangan ananda memukul dinding dengan cepat? Sulit, bukan? Lalu bagimana cara ananda menentukan nilai impuls saat tangan ananda memukul dinding tersebut? Nah, untuk menjawab pertanyaan ini, ayo berpikir kritis. pa yang bisa kita lakukan agar menentukan nilai impuls menjadi lebih mudah. Karena waktu kontak tangan dengan dinding sangat cepat, jadi ada cara yang lebih mudah untuk menghitung impuls yaitu dengan menggunakan bantuan momentum. Pada gambar di bawah ini sebuah mobil sedang bergerak dengan kecepatan tetap v 0. Tiba-tiba ia ditabrak oleh mobil B sehingga kecepatannya menjadi v. nggap gaya rata-rata yang diterima oleh mobil adalah sebesar Menurut hukum Newton II jika benda menerima gaya maka benda akan dipercepat. Percepatan rata-rata yang dihasilkan oleh gaya F ini adalah: P a g e

11 Sebelumnya kita telah mempelajari bahwa percepatan rata-rata adalah perubahan kecepatan persatuan waktu: t adalah waktu untuk merubah kecepatan dari ke atau dalam hal ini sama dengan lama gaya bekerja. Dari kedua persamaan di atas kita peroleh: I = m(v v 0 ) I p dimana: I = Impuls (N.s)... (3) m = Massa benda (kg) v = Kecepatan akhir benda (m/s) v o = Keceptan awal benda (m/s) Δp = Perubahan momentum (N.s) Latihan Soal Ujian Nasional Pada percobaan momentum di laboratorium fisika, untuk mengetahui hubungan antara perubahan momentum dengan gaya maka dilakukan percobaan dengan menggunakan massa yang berbeda-beda dan kecepatan yang berbeda juga didapatkan data seperti tabel di bawah. Di tabel tersebut buatlah kesimpulan, benda mana yang menghasilkan gaya paling besar ketika benda menumbuk dinding dan setelah tumbukan langsung berhenti.... D. D B. B E. E C. C (Sumber: EBTNS 2005, No. 8) P a g e

12 Sebuah bola diam yang massanya 100 gr dipukul dengan gaya sebesar F oleh sebuah pemukul, setelah dipukul kecepatannya menjadi 20 m/s, selang waktu kontak pemukul dan bola 0,25 sekon, maka nilai F adalah Newton D. 8 Newton B. 5 Newton E. 10 Newton C. 6 Newton (Sumber: EBTNS 2006, No. 8) Suatu tumbukan selalu melibatkan sedikitnya dua benda. Misalnya pada permainan pukul bola pada gambar 4 dibawah ini. Sesaat sebelum tumbukan, bola kuning bergerak mendekati pemukul di tangan anak kecil dengan momentum Gambar 4. Permainan pukul bola m v dan pemukul anak dalam keadaan diam dengan momentum m B v B. Sehingga momentum sistem sebelum tumbukan adalah: p m v m B v B... (4) Momentum sistem partikel sesudah tumbukan adalah p mv mbv B... (5) p p dikenal sebagai hukum konservasi momentum linear yang berbunyi : Dalam peristiwa tumbukan, momentum benda sebelum tumbukan akan sama dengan momentum bola setelah tumbukan asalkan tidak ada gaya luar yang bekerja pada sistem. Formulasi hukum konservasi momentum linear dinyatakan oleh psebelum p sesudah p p B p p B m v m B v B m v mbv B... (6) dimana : m = Massa benda (kg) m B = Massa benda B (kg) P a g e

13 v = Kecepatan benda sesaat sebelum tumbukan (m/s) v B = Kecepatan benda B sesaat sebelum tumbukan (m/s) v = Kecepatan benda sesaat sesudah tumbukan (m/s) v B = Kecepatan benda B sesaat sesudah tumbukan (m/s) Banyak ilmuwan berpendapat bahwa ledakan besar menjadi awal terbentuknya jagat raya. Menurut teori Dentuman Besar (Big Bang-Theory), jagat raya pada mulanya adalah massa sangat besar yang memiliki massa jenis sangat besar pula. Reaksi inti menyebabkan massa tersebut meledak dahsyat dan mengembang sangat cepat dengan menjauhi pusat ledakan. Bintang yang terbentuk dan memiliki gravitasi terkuat menjadi pusatnya. Ledakan dahsyat terjadi sekira 13,7 miliar tahun yang lalu. Ledakan itu mengakibatkan banyak materi terlontar ke segala penjuru jagat raya. Materi tersebut akhirnya membentuk bintang, planet, debu kosmis, asteroid, dan meteor. lexandra Friedman, seorang ahli fisika Rusia, merintis teori Dentuman Besar pada tahun Ia berpendapat bahwa struktur jagat raya tidak statis. Impuls kecil mungkin cukup menjadikan struktur keseluruhan mengembang atau mengerut sesuai dengan teori relativitas Einstein. Berdasarkan perhitungan Georges Lemaitre pada tahun 1927, jagat raya memiliki permulaan dan mengalami pengembangan Gambar 5. Teori Big Bang (Sumber: ichthus.info) akibat sesuatu yang memicunya. Ia mengusulkan bahwa jagat raya awalnya merupakan atom primitif. Pendukung teori Dentuman Besar adalah Edwin Hubble, seorang astronom dari merika Serikat. Ia berpendapat bahwa semua galaksi mengalami pergeseran spektrum merah, yaitu pergeseran cahaya bintang-bintang mendekati spektrum merah. Hal ini berarti bintang-bintang itu bergerak menjauhi Bumi dan saling menjauh satu dengan lainnya. Menurutnya, dahulu bintang-bintang saling berdekatan dan berkumpul pada satu titik massa mampat yang disebut singularitas. Volume nol ini akhirnya meledak dan mengembang. P a g e

14 Gambar 6. irbag pada kendaraan (Sumber : irbag merupakan sebuah bantal di kendaraan yang berisi suatu gas, dimana ketika terjadi tabrakan, bantal ini akan mengembang dan melindungi penumpang kendaraan dari kecelakaan.bagaimana cara kerja irbag? Beberapa milisekon sebelum kendaran mengalami tabrakan, sistem sensor yang disebut sebagai CU singkatan dari ir Bag Control Unit pada kendaraan, yang didalamnya terdapat berbagai macam sensor seperti accelerometer, impact/crash sensor,brake pressure sensor, dll akan mendeteksi pengereman mendadak yang dilakukan oleh pengemudi. Sistem sensor ini akan mengirimkan pulsa listrik yang akan diterima oleh inflator, yakni sebuah alat yangakan menyebakan airbag terpompa dan mengembang karena terisi oleh gas nitrogen yang merupakan hasil dekomposisi dari padatan sodium azide (NaN). Proses mengembangnya airbag ini terjadi dalam waktu hanya 0,25 detik dengan kecepatan mengembang sebesar mil/jam.walaupun airbag ini berguna untuk mencegah kecelakaan pada orang dewasa, namun airbag ini membahayakan untuk anak usia balita, mengapa? Hantaman dari airbag di desain untuk mengenai dada orang dewasa dengan jarak sekitar 10 inchi dari setir kendaraan, jika hantaman ini mengenai anak balita akibatnya akan mengenai bagian kepala balita tersebut yang dampaknya menyebabkan kecelakaan pada bagian kepala. Karena itu di beberapa negara maju terdapat aturan-aturan khusus yang mengatur mengenai sistem keamanan kendaraanini khususnya yang berhubungan dengan keselamatan anak-anak. P a g e

15 Fenomena Tsunami Tsunami terjadi akibat adanya perpatahan lempeng atau pergeseran lempeng bumi sehingga yang pada awalnya permukaan laut relatif tenang, dengan adanya pergeseran lempeng tersebut maka permukaan laut menjadi naik akibat terdapat gangguan. Dalam bentuk apakah gangguan tersebut? Menarik, bukan? Tingkatkan keingintahuanmu dengan rajin membaca dan diskusikan dengan teman sebangkumu! Gangguan yang diakibatkan oleh perpatahan lempeng bumi berupa energi. dapun energi yang dihasilkan tersebut berbentuk impuls. Impuls adalah gaya yang terjadi secara tiba-tiba dalam kurun waktu tertentu. Perpatahan lempeng atau pergeseran lempeng bumi terjadi dalam kurun waktu tertentu. Perpatahan atau pergeseran lempeng bumi tersebut menghasilkan gaya yang sangat besar, sehingga gangguan tersebut menghasilkan impuls. Dengan adanya gangguan impuls, maka terjadi perubahan momentum. Perubahan momentum dapat dilihat ketika air laut mengalir dengan tenang, dengan massa dan kecepatan tertentu. Namun ketika terjadi patahan atau pergeseran lempeng, maka kecepatan air akan berubah menjadi lebih cepat. Hal itulah yang menyebabkan tsunami begitu dahsyat. I p F. t mv mv 2 Semakin lamanya waktu terjadinya patahan lempengan maka nilai impuls akan semakin besar, akibatnya dengan semakin besarnya impuls, maka nilai kecepatan kedua ( v 2 ) akan semakin besar, akibatnya gelombang tsunami akan semakin dahsyat. 1 P a g e

16 Kerjakanlah latihan soal berikut ini dengan sungguh-sungguh. Lakukan dengan jujur dan bertanggung jawab dalam menjawab pertanyaan, karena yakinlah nanda akan merasa lebih paham jika nanda kerjakan sendiri. 1. Diketahui persamaan sebagai berikut. F (6 x 10-4 ) = 0,1 (15+15) Nilai F dari persamaan tersebut adalah 2. Bagaimanakah arah impuls I terhadap arah gaya impulsif F? a. rah impuls I searah dengan arah gaya impulsif F b. rah impuls I tegak lurus dengan arah gaya impulsif F c. rah impuls I membentuk sudut 60 derajad dengan arah gaya impulsif F d. rah impuls I berlawanan arah dengan arah gaya impulsif F e. rah impuls I membentuk sudut 45 derajad dengan arah gaya impulsif F 3. Sebuah bola bergerak ke utara dengan kelajuan 10 m/s, kemudian bola ditendang keselatan dengan gaya 40 N hingga kelajuan bola menjadi 20 m/s. jika massa bola 800 gram. Hitunglah impuls serta arahnya pada peristiwa tersebut! a. 10 kg m/s arah selatan b. 30 kg m/s arah selatan c. 24 kg m/s arah utara d. 10 kg m/s arah utara e. 24 kg m/s arah selatan P a g e

17 1.Di antara benda bergerak berikut ini, yang akan mengalami gaya terbesar bila menumbuk tembok sehingga berhenti adalah.... a. Benda bermassa 40 kg dengan kelajuan 25 m/s b. Benda bermassa 50 kg dengan kelajuan 15 m/s c. Benda bermassa 100 kg dengan kelajuan 10 m/s d. Benda bermassa 150 kg dengan kelajuan 7 m/s e. Benda bermassa 200 kg dengan kelajuan 5 m/s 2. Di antara bola-bola di bawah ini yang mendapatkan impuls terbesar adalah. a. Bola ditendang dengan gaya 100 newton, waktu sentuh 0,1 sekon b. Bola B didorong oleh gaya 100 newton selama 0,2 sekon c. Bola C ditendang dengan gaya 550 newton, waktu sentuh 1,3 sekon d. Bola D dipukul dengan gaya 50 newton, waktu sentuh 0,4 sekon e. Bola E didorong dengan gaya 500 newton, selama 0,3 sekon 3. Massa benda dua kali massa benda B. pabila kecepatan benda B tiga kali kecepatan benda, perbandingan momentum antara benda dan benda B adalah. a. 2 : 3 d. 1 : 6 b. 2 : 5 e. 6 : 1 c. 3 : 2 4. Pada permainan bola kasti, bola bermassa 0,5 kg mula-mula bergerak dengan kecepatan 2 m/s. Kemudian bola tersebut dipukul dengan gaya F berlawanan dengan gerak bola, sehingga kecepatan bola berubah menjadi 6 m/s. Bila bola bersentuhan dengan pemukul selama 0,01 sekon, maka perubahan momentumnya adalah. a. 8 kg m/s d. 4 kg m/s b. 6 kg m/s e. 2 kg m/s c. 5 kg m/s P a g e

18 5. Mobil bermassa 800 kg bergerak ke kanan dengan kecepatan 10 m/s. Mobil B bermassa 600 kg bergerak ke kiri dengan kecepatan 15 m/s. Hitung: a. Momentum mobil b. Momentum mobil B c. Jumlah momentum dan B 6. Sebuah benda bermassa 5 kg diberi gaya konstan 20 N sehingga kecepatannya bertambah dari 8 m/s menjadi 18 m/s. Hitunglah: a. Impuls yang bekerja pada benda b. Lamanya gaya bekerja Bagus Raharja Panduan Belajar Fisika 2 SM Kelas XI. Jakarta : Yudhistira Bob Foster Terpadu Fisika SM Jilid 2 untuk Kelas XI. Bandung : Erlangga Sri Handayani Fisika Kelas XI SM. Jakarta: Departemen Pendidikan Nasional Sunardi Siaga dan Sukses Jelang Ujian Nasional Fisika SM/M. Bandung : YRM WIDY Mikrajudin bdullah FISIK SM dan M Untuk Kelas XI. Jakarta: Gelora ksara Pratama Marthen Kanginan Fisika Kelas XI SM. Jakarta: Erlangga Marthen Kanginan Seribupena Fisika Untuk SM/M Kelas XI. Jakarta : Erlangga Marthen Kanginan FISIK Untuk SM/M Kelas XI. Jakarta : Erlangga P a g e