PEMBUATAN ALAT PERAGA PENDIDIKAN FISIKA SUB MATERI GERAK JATUH BEBAS BERBASIS MIKROKONTROLER ARDUINO UNO Ardhi Wicaksono S 1), Isnan Nur Rifai 2) Program Studi Diploma Elektronika dan Instrumentasi, Sekolah Vokasi, UGM kangwicak@gmail.com 1), isnannur85@gmail.com 2) Abstrak Alat peraga mampu mengubah materi ajar yang abstrak menjadi kongkrit dan realistik. Penyediaan perangkat alat peraga merupakan bagian dari pemenuhan kebutuhan bagi pelaku kegiatan belajar mengajar. Penelitian ini bertujuan untuk merancang sebuah alat peraga Fisika pada materi Gerak Jatuh Bebas. Alat Peraga ini menghitung waktu benda jatuh dari ketinggian yang ditentukan. Dengan mengetahui massa benda, maka dapat dihitung besarnya energi-energi yang dihasilkan karena proses benda jatuh bebas. Energi Kinetik, Energi Mekanik dan Energi Potensial adalah energi yang dihitung dengan alat peraga ini. Mula-mula alat melakukan pembacaan ketinggian benda yang akan dijatuhkan, menggunakan sensor ultrasonic. Massa benda dimasukkan sebagai masukan menggunakan papan tombol 4x4. Benda yang jatuh akan melewati sensor photodiode atas yang akan memicu perhitungan waktu benda jatuh. Saat sampai di dasar, benda akan melewati sensor photodiode dan menekan switch bawah, sekaligus memicu untuk mengakhiri perhitungan waktu. yang terhitung digunakan untuk mencari kecepatan benda jatuh, sebagai nilai untuk menghitung energi-energi yang disebabkan benda jatuh secara otomatis. Alat Peraga ini mampu memberikan visualisasi serta menjadi pembanding antara hasil teori yang berlaku. Adanya alat peraga Fisika Materi Gerak Jatuh Bebas ini, diharapkan membantu pelaku kegiatan belajar mengajar dalam meningkatkan aktivitas belajar serta meningkatkan pemahaman konsep Gerak Jatuh Bebas. Kata kunci : Gerak Jatuh Bebas, Mikrokontroler, Arduino Uno 1. PENDAHULUAN Perkembangan dan kemajuan Ilmu Pengetahuan dan Teknologi (IPTEK) berpengaruh dalam dunia pendidikan. Pengaruh ini dapat dirasakan terutama pada berbagai ilmu termasuk kelompok ilmu pengetahuan alam, seperti bidang Fisika. Kesulitan siswa dalam menguasai konsep fisika yang kebanyakan bersifat abstrak. Upaya meminimal pemahaman konsep siswa yang lemah perlu adanya penyediaan media pembelajaran yang memadai. Salah satu komponen media pembelajaran adalah alat peraga. Pembelajaran pada setiap individu diharapkan memperoleh hasil yang optimal yaitu prestasi belajar. Untuk memperoleh prestasi belajar dipengaruhi oleh faktor internal dan faktor eksternal. Penggunaan alat peraga merupakan salah satu bentuk faktor eksternal yang dapat digunakan oleh pengajar untuk mengkomunikasikan bahan ajar kepada peserta didik. Tujuan penggunaan alat peraga adalah agar para peserta didik lebih mudah menerima materi bahan ajar yang disampaikan oleh pengajar. Hal tersebut diatas dapat dipecahkan dengan adanya penggunaan alat peraga pendidikan. Alat peraga pendidikan Fisika ini dapat membuat pendidikan lebih efektif untuk memberikan pemahaman praktis kepada 440
siswa tentang fenomena Fisika yang sedang atau akan dipelajari. Penggunaan alat peraga tentu saja harus disesuaikan dengan tuntunan kurikulum dan tingkat kemampuan serta kemantapan para siswa. Alat peraga pembelajaran adalah sarana komunikasi dan interaksi antara guru dengan siswa dalam proses pembelajaran (Arsyad, 2005). Alat peraga pembelajaran adalah sesuatu yang dapat digunakan untuk menyampaikan pesan sehingga dapat merangsang pikiran, perasaan, perhatian, minat serta perhatian siswa sehingga proses belajar mengajar terjadi. Nur H. (2012), melakukan penelitian tentang Pengaruh Penggunaan Alat Peraga IPA Terhadap Prestasi Belajar Pada Materi Pesawat Sederhana Siswa Kelas V SDN 4 Wates, pada penelitiannya menjelaskan bahwa penggunaan alat peraga IPA berpengaruh terhadap prestasi belajar siswa terutama pada materi pesawat sederhana. Hasil penelitian yang dilakukan, menunjukkan bahwa ada perbedaan yang signifikan pada prestasi belajar Siswa antara pembelajaran dengan menggunakan alat peraga IPA dengan pembelajaran yang tidak menggunakan alat peraga IPA. Dengan kesimpulan adalah pembelajaran dengan menggunakan alat peraga IPA mempunyai pengaruh yang sangat signifikan terhadap prestasi belajar pada materi pesawat sederhana siswa kelas V SD N 4 Wates. Berdasarkan permasalahan diatas, maka dilakukan penelitian Pembuatan Alat Peraga Pendidikan Fisika dengan mengambil tema pada sub pelajaran Gerak yaitu Gerak Jatuh Bebas. Pembuatan alat peraga Gerak Jatuh Bebas merupakan penelitian Research and Development. Alat peraga yang dibuat terlebih dahulu melewati tahap pemberian saran dari ahli serta guru bidang studi IPA 441 yang kemudian perlu dilakukan penilaian kelayakannya sebelum benar-benar digunakan di dalam pembelajaran. 2. PEMBAHASAN Pada penelitian ini dibuat Instrumen berupa Alat Peraga Pendidikan Fisika Gerak Jatuh Bebas. Alat peraga pada penelitian ini menterjemahkan konsep teori Gerak Jatuh Bebas ke suatu bentuk alat peraga Prinsip kerja alat peraga ini adalah menghitung waktu benda jatuh dari ketinggian tertentu. Dengan mengetahui massa benda, maka dapat dihitung energi-energi yang ditimbulkan saat benda menyentuh dasar. 2.1 Perancangan dan Implementasi Pada penelitian ini, perancangan dilakukan secara hardware dan secara software. Perancangan hardware berupa perancangan fisik dan mekanik dari alat peraga. Sedangkan perancangan software berupa rancangan program pada Mikrokontroler Arduino Uno. Perancangan hardware pada alat peraga ini dilakukan perancangan alat yang bisa menggambarkan fenomena gerak jatuh bebas. Secara garis besar, blok diagram rancangan hardware alat peraga ini ditunjukkan pada gambar 2.1 Gambar 2.1 Bagian input alat peraga berupa sensor yang digunakan untuk mengukur ketinggian benda mula-mula secara otomatis dan device untuk memasukkan nilai massa benda. Pengukuran ketinggian ini menggunakan sensor ultrasonic seperti ditunjukkan pada gambar 2.2 (2006).
Gambar 2.2 Sensor ini bekerja dengan cara memantulkan sonar berupa gelombang suara. Sensor ini akan menghitung waktu echo dari pantulan sonar sehingga dapat diketahui jarak sumber sonar ke benda. Pada alat peraga ini juga ditambahkan meteran sebagai pembanding pengukuran ketinggian. Pada bagian input ditambahkan juga device berupa papan tombol angka ukutan 4x4. Papan tombol angka ini digunakan untuk memasukkan nilai massa benda. Pada alat peraga sensor kecepatan yang digunakan adalah photodiode. Rangkaian sensor photodiode ini berjumlah dua yang dipasangkan pada ujung tempat benda diletakkan. Dan pada dasar benda jatuh. Sensor photodiode pada bagian atas dekat benda diletakkan berfungsi untuk memicu awal perhitungan waktu benda mulai jatuh. Sedangkan sensor photodioda pada bagian dasar berfungsi memicu penghentian waktu karena benda sudah mencapai dasar. Perancangan software pada penelitian ini dilakukan pemrograman pada Mikrokontroler Arduino Uno. Pemrograman dilakukan untuk mengatur fungsi utama dari alat peraga ini yaitu sebagai penghitung energi yang dihasilkan dari benda jatuh bebas. Pada software yang dibuat memiliki diagram alir sesuai ditunjukkan pada gambar 2.3 berikut ini. Gambar 2.3 Software yang dibuat digunakan untuk mengaktifkan sensor ping sebagai penghitung nilai ketinggian secara otomatis, sekaligus sebagai pemroses data. Software akan menghitung waktu benda jatuh, saat switch atas mulai aktif sampai dengan switch bawah aktif. Nilai waktu akan dihitung berdasarkan lamanya switch atas bawah aktif keduanya. Software juga memungkinkan rangkaian Mikrokontroler menerima input nilai massa benda dari papan tombol angka matrik 4x4. 442
Nilai waktu yang didapat digunakan untuk menghitung nilai kecepatan benda dengan menggunakan persamaan 2.1...(2.1) Keterangan V = Kecepatan (m/s) S = Jarak t = waktu Setelah didapatkan nilai kecepatan benda saat jatuh maka dapat digunakan untuk menghitung nilai-nilai energi yang dihasilkan saat benda jatuh. Nilai-nilai Energi yang dihitung adalah energi potensial, energi kinetik dan energi mekanik saat benda jatuh. Energi potensial dihitung dengan menggunakan persamaan 2.2...(2.2) Keterangan Ep = energi potensial (joule) m = massa benda (kg) g = gravitasi bumi (9,8m/s 2 ) h = ketinggian benda Dari perancangan software dan hardware yang dilakukan maka pada gambar 2.4 dan gambar 2.5 ditunjukkan bentuk fisik alat peraga yang dibuat pada penelitian ini. Gambar 2.4 Sedangkan energi kinetik dihitung menggunakan persamaan 2.3...(2.3) Keterangan Ek = energi kinetik (joule) m = massa benda (kg) v = kecepatan benda (m/s) Dan energi mekanik dihitung menggunakan persamaan 2.4...(2.4) Keterangan Em = energi mekanik (joule) Ep = energi potensial (joule) Ek = energi kinetik (joule) 443
merupakan akhir perhitungan waktu. Hasil dari perhitungan waktu dan ketinggian yang bervariasi ditunjukkan pada gambar 2.6 dan 2.7 Gambar 2.6 Gambar 2.7 Kemudian setelah waktu dan ketinggian diperoleh dan ditampilkan maka LCD akan menampilkan hasil perhitungan energi-energi yang dihasilkan dari jatuhnya benda, dengan variasi sesuai gambar 2.6 dan 2.7 ditunjukkan pada gambar 2.8 dan 2.9 Gambar 2.5 2.2 Pengujian dan Pembahasan Hasil Pengujian alat peraga pada penelitian ini dilakukan dengan cara menjatuhkan benda dari suatu ketinggian. Pada alat peraga ini benda dikaitkan pada sebuah kaitan. Input massa benda terlebih dahulu dimasukkan dengan papan tombol angka, kemudian tombol OK pada alat peraga ditekan. Setelah massa benda di-input-kan, maka ketika pengait dilepas maka benda akan jatuh dan melewati sensor photodiode sebagai switch atas sekaligus mengaktifkan perhitungan waktu (timer). Saat switch atas aktif maka sensor ping juga akan mulai menghitung ketinggian awal benda. Nilai waktu dan ketinggian awal benda selanjutnya akan ditampilkan pada penampil (LCD) sesaat setelah benda mengenai dasar atau saat benda memicu switch bawah yang Gambar 2.8 Gambar 2.9 Percobaan alat peraga ini menggunakan tiga variasi massa benda yaitu 50, 100 dan 200 gram. Hasil pengukuran energi potensial, energi kinetik dan energi mekanik dengan variasi massa benda ditunjukkan pada Tabel 2.1, 2.2 dan 2.3 Massa (gram) 200 Tabel 2.1 Ep (joule) 0,47 0,18 0,93 0,66 0,18 1,30 0,80 0,18 1,56 0,89 0,21 1,75 444
100 50 0,97 0,23 1,89 0,62 0,18 0,61 0,73 0,19 0,71 0,89 0,22 0,87 1,02 0,25 1,00 1,11 0,26 1,08 0,63 0,29 0,31 0,79 0,27 0,39 0,89 0,27 0,44 0,96 0,30 0,47 1,07 0,28 0,53 Massa (gram) 200 100 50 Tabel 2.2 Ek (joule) 0,47 0,18 0,69 0,66 0,18 1,36 0,80 0,18 1,96 0,89 0,21 1,81 0,97 0,23 1,76 0,62 0,18 0,59 0,73 0,19 0,74 0,89 0,22 0,81 1,02 0,25 0,84 1,11 0,26 0,90 0,63 0,29 0,12 0,79 0,27 0,21 0,89 0,27 0,27 0,96 0,30 0,26 1,07 0,28 0,36 445
Massa (gram) 200 100 50 Tabel 2.3 Em (joule) 0,47 0,18 1,62 0,66 0,18 2,66 0,80 0,18 3,52 0,89 0,21 3,56 0,97 0,23 3,66 0,62 0,18 1,20 0,73 0,19 1,45 0,89 0,22 1,68 1,02 0,25 1,85 1,11 0,26 1,99 0,63 0,29 0,43 0,79 0,27 0,60 0,89 0,27 0,71 0,96 0,30 0,73 1,07 0,28 0,89 Pada pengujian alat peraga dilakukan juga perbandingan pengukuran tinggi dan waktu jatuhnya benda dengan menggunakan meteran dan stopwatch. Perbandingan ini dimaksudkan untuk memperoleh nilai akurasi perhitungan antara hasil pengukuran dengan alat dan hasil perhitungan manual dengan rumus. Hasil perbandingan tinggi dan waktu ditunjukkan pada tabel 2.4. Massa (gram) 200 100 50 Tabel 2.4 Alat Peraga Pengukuran Manual 0,47 0,18 0,46 0,21 0,66 0,18 0,64 0,20 0,80 0,18 0,76 0,20 0,89 0,21 0,88 0,21 0,97 0,23 0,95 0,30 0,62 0,18 0,56 0,21 0,73 0,19 0,68 0,26 0,89 0,22 0,82 0,30 1,02 0,25 0,96 0,40 1,11 0,26 1,07 0,39 0,63 0,29 0,60 0,37 0,79 0,27 0,73 0,41 0,89 0,27 0,85 0,49 0,96 0,30 0,96 0,37 1,07 0,28 1,07 0,57 446 Nilai akurasi dari alat peraga dalam perbandingan perhitungan tinggi dan waktu adalah 96,6 %. 3. KESIMPULAN DAN SARAN Berdasarkan hasil dari perancangan dan pengujian sistem secara keseluruhan dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Alat peraga yang dibuat dapat merepresentrasi fenomena fisika gerak jatuh bebas. 2. Alat peraga yang dibuat mampu melakukan penghitungan waktu, ketinggian serta energi-energi yang disebabkan jatuhnya benda. 3. Alat peraga yang dibuat memiliki tingkat akurasi 96.6% dibandingkan perhitungan dengan menggunakan cara manual. Dari penelitian yang dilakukan masih terdapat keterbatasan dari alat peraga yang dibuat, ada beberapa saran yang bisa dilakukan untuk mengembangkan alat peraga yang lebih baik secara sistem dan kinerja, antara lain: 1. Dikembangkan sistem mekanik yang lebih tinggi karena untuk pengukuran dalam penelitian ini maksimal 115 cm 2. Perlunya uji teknis lapangan dan percobaann langsung kepada pelaku kegiatan belajar mengajar, terkait efektifitas penggunaan alat dalam membantu memahami materi gerak jatuh bebas. 4. DAFTAR PUSTAKA Arsyad, A. 2009. Media Pembelajaran. Jakarta: PT Rajagrafindo Persada Nur H. 2012. Pengaruh Penggunaan Alat Peraga IPA Terhadap Prestasi Belajar Pada Materi Pesawat Sederhana Siswa Kelas V Sd N 4 Wates, Fakultas Ilmu Pendidikan, Universitas Negeri Yogyakarta
Parallax Inc, 2006, PING))) Ultrasonic Distance Sensor Datasheet, (Online), (http://www.parallax.com/product/28015, diakses 28 September 2013). 447