BAHAN AJAR FISIKA KELAS XI SMA SEMESTER 1 BERDASARKAN KURIKULUM 2013 USAHA DAN ENERGI Disusun Oleh : Nama : Muhammad Rahfiqa Zainal NIM : 1201437 Prodi : Pendidikan Fisika (R) JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI PADANG 2016
A. Kompetensi Dasar 3.4 Mendeskripsikan konsep usaha, perubahan energi, kekekalan momentum, dan kekekalan energi 4.4 Memecahkan masalah dengan menggunakan metode ilmiah terkait dengan konsep gaya dan kekekalan energi B. Indikator Pencapaian Kompetensi Ranah Kognitif 3.4.1. Menyebutkan defenisi tentang konsep usaha dan energy 3.4.2. Menjelaskan konsep-konsep tentang usaha dan energi 3.4.3. Membedakan antara konsep usaha dan energy 3.4.4. Menjelaskan konsep energi kinetik dan energi potensial 3.4.5. Membandingkan antara energi kinetik dengan energi potensial 3.4.6. Menentukan hubungan usaha dengan energi kinetik 3.4.7. Menentukan hubungan usaha dengan energi potensial 3.4.8. Menghitung usaha, energi kinetik, energi potensial dalam menyelesaikan berbagai permasalahan gerak dalam kehidupan sehari-hari 3.4.9. Menjelaskan hukum kekekalan momentum 3.4.10. Menganalisis bentuk hukum kekekalan energi mekanik dalam menyelasaikan berbagai masalah dalam kehidupan sehari-hari Ranah Afektif 1. Mendengarkan penjelasan tentang materi dan aktif melibatkan diri dalam pembelajaran 2. Menjawab pertanyaan terkait simulasi yang diberikan serta berbagai permasalahan gerak dalam kehidupan sehari-hari 3. Mempertanyakan tentang konsep usaha dan energy 4. Melaporkan hasil diskusi 5. Menampilkan hasil diskusi Ranah Psikomotor 4.4.1 Mengumpulkan materi-materi terkait dengan konsep usaha dan energi serta hubungannya 4.4.2 Mengumpulkan alat dan bahan yang digunakan dalam praktikum 4.4.3 Membuat resume materi sebagai bahan untuk diskusi 4.4.4 Mengisi data yang diperoleh dari hasil praktikum 4.4.5 Membuat laporan praktikum 4.4.6 Menarik kesimpulan mengenai materi C. Tujuan Pembelajaran Ranah Kognitif Jika diberikan tugas tentang gerak, siswa SMA kelas XI mampu :Menyimpulkan materi-materi terkait dengan konsep usaha secara lengkap 3.4.1.1. Mendefenisikan konsep usaha dengan benar
3.4.1.2. Mendefenisikan konsep energi dengan benar 3.4.2.1. Menguraikan konsep usaha dengan benar 3.4.2.2. Menguraikan konsep energi dengan benar 3.4.3.1. Mencirikan minimal 2 konsep usaha 3.4.3.2. Mencirikan minimal 2 konsep energy 3.4.3.3. Membedakan konsep usaha dan energi secara benar 3.4.4.1. Menguraikan konsep energi kinetik dengan benar 3.4.4.2. Menguraikan konsep energi potensial dengan benar 3.4.5.1. Mencirikan minimal 2 konsep energi kinetik 3.4.5.2. Mencirikan minimal 2 konsep energi potensial 3.4.5.3. Membandingkan antara konsep energi kinetik dengan energi potensial secara benar 3.4.6.1. Menentukan hubungan antara usaha dan energi kinetik 3.4.7.1. Menentukan hubungan antara usaha dan energi potensial 3.4.8.1. Menghitung usaha dalam berbagai permasalahan gerak dalam kehidupan sehari- hari dengan benar 3.4.8.2. Menghitung energi kinetik dalam berbagai permasalahan gerak dalam kehidupan sehari- hari dengan benar 3.4.8.3. Menghitung energi potensial dalam berbagai permasalahan gerak dalam kehidupan sehari- hari dengan benar 3.4.9.1. Mengemukakan bunyi Hukum kekekalan momentum dengan tepat 3.4.9.2. Menjelaskan konsep hukum kekekalan momentum dengan benar 3.4.10.1. Menganalisis bentuk hukum kekekalan energi mekanik dalam gerak parabola dengan benar 3.4.10.2. Menganalisis bentuk hukum kekekalan energi mekanik dalam gerak melingkar dengan benar 3.4.10.3. Menganalisis bentuk hukum kekekalan energi mekanik dalam gerak setelit/planet dengan benar Ranah Psikomotorik 4.4.1.1. Menyimpulkan hubungan antara konsep usaha dan energi dengan benar 4.4.1.2. Menyimpulkan materi-materi tentang hukum kekekalan energi mekanik secara lengkap 4.4.2.1. Mengumpulkan alat praktikum dengan benar 4.4.2.2. Mengumpulkan bahan praktikum dengan benar 4.4.3.1. Membuat resume materi usaha dengan benar sebagai bahan untuk diskusi 4.4.3.2. Membuat resume materi energi dengan benar sebagai bahan untuk diskusi 4.4.3.3. Membuat resume hubungan antara konsep usaha dan energi dengan benar sebagai bahan untuk diskusi 4.4.3.4. Membuat resume materi hukum kekekalan energi mekanik dengan benar sebagai bahan untuk diskusi 4.4.4.1. Mengisi data hasil praktikum gerak parabola dengan benar
4.4.5.1. Membuat laporan hasil praktikum tentang gerak parabola dengan benar 4.4.6.1. Menarik kesimpulan tentang materi usaha dengan benar 4.4.6.2. Menarik kesimpulan tentang materi energi dengan benar 4.4.6.3. Menarik kesimpulan tentang hubungan antara usaha dan energi dengan benar 4.4.6.4. Menarik kesimpulan tentang materi hukum kekekalan energi mekanik dengan benar
P E T A K O N S E P USAHA DAN ENERGI Usaha Energi Energi Potensial Sistem Planet Sistem Konservatif Usaha Oleh Gaya Konstan Usaha Oleh Gaya Tidak Konstan Energi Kinetik Energi Mekanik Berlaku Hukum Kekekalan Contoh Energi Potensi al - Gaya Sentri Petal -Gaya Normal Gaya yang diberi kan pada pegas
A. USAHA 1. Pengertian Usaha Dalam fisika, usaha merupakan proses perubahan Energi dan usaha ini selalu dihubungkan dengan gaya (F) yang menyebabkan perpindahan (s) suatu benda. Dengan kata lain, bila ada gaya yang menyebabkan perpindahan suatu benda, maka dikatakan gaya tersebut melakukan usaha terhadap benda. Usaha secara spesifik dapat juga didefinisikan sebagai hasil kali besar perpindahan dengan komponen gaya yang sejajar dengan perpindahan. 2. Usaha Oleh Gaya Konstan Pengertian usaha yang diterangkan di atas adalah usaha oleh gaya konstan, artinya arah dan nilainya konstan. Besar (nilai) usaha yang dilakukan oleh sebuah gaya (F) pada suatu benda yang mengakibatkan perpindahan sebesar s, dapat dirumuskan kembali dengan kalimat, sebagai berikut: Besar usaha oleh gaya konstan didefinisikan sebagai hasil besar komponen gaya pada arah perpindahan dengan besarnya perpindahan yang dihasilkan. Apabila usaha tersebut dirumuskan secara matematis dapat ditulis sebagai berikut: W = F s s (1) W F s S : Besar Usaha (kg. m 2 /s 2, joule atau newton. meter) : Besar komponen gaya pada arah perpindahan (newton) : Besar perpindahan (m) Jika gaya yang bekerja membentuk sudut α dengan arah perpindahan, perhatikan gambar dibawah ini.
Gambar 1 : Sebuah benda yang bermassa m ditarik dengan gaya F membentuk sudut α dengan horisontal. Jika gaya yang melakukan usaha membentuk sudut α dengan perpindahan, maka gaya tersebut dapat diuraikan ke dalam dua komponen, yaitu : Komponen y : F y = F sin α Komponen x, gaya yang searah dengan perpindahan : F x = F cos α Sesuai dengan rumus (1), F s merupakan komponen gaya pada arah perpindahan, maka pada rumus (8.1) F s digantikan dengan F cos α dan dapat dituliskan sebagai: W = F y. s = F cos α s = F s cos α (2) Usaha adalah besaran skalar, dimana usaha merupakan perkalian skalar (dot product) antara vektor gaya dan vektor perpindahan. Oleh karena itu usaha merupakan besaran skalar. W = F. s (3) 3. Satuan dan Dimensi Usaha Untuk mencari satuan dan dimensi usaha, dapat diturunkan dari rumus (1). Jika digunakan Satuan Sistem Internasional maka, gaya F dalam newton (kg m/s 2 ) dan perpindahan s dinyatakan dalam meter (m). Satuan usaha = satuan gaya x satuan perpindahan satuan usaha = kg m/s 2 x m = kg m2 /s 2
= joule Satu Joule adalah besar usaha yang dilakukan oleh gaya satu newton untuk memindahkan benda sejauh satu meter Untuk mencari dimensinya: dimensi usaha = dimensi gaya x dimensi perpindahan [ W ] = [ F ]. [ s ] = MLT -2. L = ML 2 T -2 4. Usaha yang dihasilkan Lebih dari Satu Gaya Seandainya pada sebuah benda bekerja 3 buah gaya F 1, F 2, dan F 3 sehingga benda mengalami perpindahan sejauh s. gaya F 1.membentuk sudut α 1 dengan vektor s, F 2 membentuk sudut α 2, dan F 3 membentuk sudut α 3. Berapakah usaha oleh ketiga gaya tersebut terhadap benda. Gambar 2 : Usaha oleh beberapa gaya Usaha masing-masing gaya dapat dicari dengan menggunakan rumus (2) W = F s cos α Gaya F 1 akan melakukan usaha sebesar W 1 = F 1 s cos α 1
Gaya F 2 akan melakukan usaha sebesar W 2 = F 2 s cos α 2 Gaya F 3 akan melakukan usaha sebesar W 3 = F 3 s cos α 3 Maka Usaha total (Usaha yang dilakukan oleh ketiga gaya tersebut) W = W 1 + W 2 + W 3 = F 1 s cos α 1 + F 2 s cos α 2 + F 3 s cos α 3 (4) B. ENERGI 1. Pengertian Energi Energi sering juga disebut dengan tenaga. Dalam kehidupan sehari-hari energi dihubungkan dengan gerak, misal orang yang energik artinya orang yang selalu bergerak tidak pernah diam. Energi dihubungkan juga dengan kerja. Jadi Energi didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan kerja. Dalam Fisika energi dihubungkan dengan gerak, yaitu kemapuan untuk melakukan kerja mekanik. Energi dialam adalah besaran yang kekal, dengan sifat-sifat sebagai berikut : a. Transformasi energi : energi dapat diubah menjadi energi bentuk lain, tidak dapat hilang misal energi pembakaran berubah menjadi energi penggerak mesin b. Transfer energi : energi dapat dipindahkan dari suatu benda kebenda lain atau dari sistem ke sistem lain, misal kita memasak air, energi dari api pindah ke air menjadi energi panas, energi panas atau kalor dipindah lagi keuap menjadi energi uap c. Kerja : energi dapat dipindah ke sistem lain melalui gaya yang menyebabkan pergeseran, yaitu kerja mekanik
d. Energi tidak dapat dibentuk dari nol dan tidak dapat dimusnahkan Sumber-sumber energi yang banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari misalnya: energi minyak bumi, energi batubara, energi air terjun, energi nuklir dan energi kimia. 2. Macam-macam Energi 2.1 Energi Potensial Energi potensial diartikan sebagai energi yang dimiliki benda karena keadaan atau kedudukan (posisinya). Misalnya, energi pegas (per), energi ketapel, energi busur, dan energi air terjun. Energi potensial juga dapat diartikan sebagai energi yang tersimpan dalam suatu benda. Misalnya energi kimia dan energi listrik. Contoh energi kimia adalah energi minyak bumi dan energi nuklir. 2.1.1. Energi Potensial Gravitasi Energi potensial gravitasi adalah energi yang dimiliki benda karena kedudukan ketinggian dari benda lain. Secara matematis ditulis sebagai berikut. E P = m g h Keterangan: Ep : energi potensial gravitasi (N) m : massa benda (kg) g : percepatan gravitasi (m/s2) h : ketinggian terhadap acuan (m) Gambar 4.9 Benda memiliki energi potensial karena 2. 2 Energi Kinetik Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh benda karena geraknya. Secara umum energi kinetik suatu benda yang memiliki massa m dan bergerak dengan kecepatan v dirumuskan oleh persamaan berikut. E k = ½ m v 2 Pada persamaan diatas tampak bahwa energi kinetik sebanding dengan massa m dan kuadrat kecepatan (v2).
3. Hubungan antara Usaha dan Energi 3.1 Hubungan Antara Usaha dan Energi Potensial 3.1.1. Hubungan Antara Usaha dengan Energi Potensial Gravitasi Misalnya sebuah balok bermassa m diikat pada seutas tali dan tali digulung pada suatu katrol licin. Anggap katrol dan tali tak bermassa. Balok mula-mula berada pada ketinggian h1, beberapa saat kemudia balok berada pada ketinggian h2. Perhatikan Gambar 4.11 Turunnya balok disebabkan adanya tarikan gaya gravitasi. Besarnya usaha gaya gravitasi sama dengan Gaya gravitasi (m g) dikalikan dengan perpindahan (h1 h2). Secara matematis ditulis sebagai berikut. W = mg (h1 h2) = mgh1 mgh2 = Ep1 Ep2 = (Ep1 Ep2) W = ΔEp Gambar Hubungan usaha dan energi potensial Dengan p _E merupakan negatif perubahan energi potensial gravitasi. Besarnya energi potensial grabvitasi sama dengan energi potensial akhir dikurangi energi potensial mula-mula ( p _E = Ep akhir Ep awal). Persamaan ini menyatakan bahwa usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi sama dengan minus perubahan energi potensial gravitasi. 3.2 Hubungan Antara Usaha dan Energi Kinetik Hubungan energi kinetik dengan usaha dijelaskan sebagai berikut. Sebuah benda pada posisi 1 bergerak dengan kelajuan v1. Kemudian benda dikenai gaya luar F, sehingga benda bergerak dipercepat beraturan. Dalam selang waktu t benda berpindah sejauh _x dari posisi 1 ke posisi 2. Pada posisi 2 benda bergerak dengan kelajuan v2.perhatikan Gambar 4.13!
Gambar Hubungan usaha dan energi kinetik Pada posisi 1, benda bergerak dengan kelajuan v1, kemudian pada benda bekerja gaya F, sehingga benda berpindah sejauh Δx. Usaha yang dilakukan oleh gaya F pada benda adalah W = F Δx. Usaha dan energi adalah besaran skalar yang setara, maka Anda dapat pastikan bahwa penambahan energi kinetik berasal dari usaha W = F Δx. Secara matematis Anda akan dapat persamaan seperti berikut. 2 W = E k2 E k1 = ½ mv 22 - ½ mv 1 C. HUKUM KEKEKALAN MOMENTUM 1. Bunyi Hukum Kekekalan Momentum Hukum kekekalan momentum menyatakan bahwa jika tidak ada gaya luar yang bekerja pada sistem, maka momentum total sesaat sebelum sama dengan momentum total sesudah tumbukan. Gambar Hukum kekekalan momentum (sumber: BSE kelas 2 SMA fisika Setya Nurachmadani) Hukum ini dapat dirumuskan sebagai berikut : Δp 1 = - Δp 2 m 1 v 1 -m 1 v 1 = - (m 2 v 2 -m 2 v 2 ) m 1 v 1 + m 2 v 2 = m 1 v 1 + m 2 v 2 p 1 + p 2 = p 1 + p 2 jumlah momentum sebelum bertumbukan = jumlah momentum sesudah
(5.6) Keterangan: p 1, p 2 : momentum benda 1 dan 2 sebelum tumbukan p' 1, p' 2 : momentum benda 1 dan 2 sesudah makanan m 1, m 2 : massa benda 1 dan 2 v 1, v 2 : kecepatan benda 1 dan 2 sebelum tumbukan sv' 1, v' 2 : kecepatan benda 1 dan 2 sesudah tumbukan benda. Ketika menggunakan persamaan ini, Anda harus memerhatikan arah kecepatan tiap 2. Aplikasi Hukum Kekekalan Momentum Contoh aplikasi dari hukum kekekalan momentum adalah roket dan pistol. Pada Gambar 14.3 tampak sebuah pistol yang digantung pada seutas tali. Saat peluru ditembakkan ke kanan dengan alat jarak jauh seperti remote, senapan akan tertolak ke kiri. Percepatan yang diterima oleh pistol ini berasal dari gaya reaksi peluru pada pistol (hukum III Newton). Gambar Bukti hukum kekekalan momentum (sumber: BSE kelas 2 SMA fisika Setya Nurachmadani) Perhatikan Gambar 14.4! Contoh aplikasi yang lain adalah pada system roket. Percepatan roket diperoleh dengan cara yang mirip dengan bagaimana senapan memperoleh percepatan. Percepatan roket berasal dari tolakan gas yang disemburkan
roket. Tiap molekul gas dapat dianggap sebagai peluru kecil yang ditembakkan roket. Jika gaya gravitasi diabaikan, maka peristiwa peluncuran roket memenuhi hukum kekekalan momentum. Mula-mula sistem roket diam, sehingga momentumnya nol. Sesudah gas menyembur keluar dari ekor roket, momentum sistem tetap. Artinya momentum sebelum dan sesudah gas keluar sama. Berdasarkan hukum kekekalan momentum, besarnya kelajuan roket tergantung banyaknya bahan bakar yang digunakan dan besar kelajuan semburan gas. Hal inilah yang menyebabkan wahana roket dibuat bertahap banyak. Gambar Sistem roket menerapkan hukum kekekalan momentum linear (sumber: BSE kelas 2 SMA fisika Setya Nurachmadani) D. HUKUM KEKEKALAN ENERGI MEKANIK Usaha yang dilakukan gaya gravitasi dari suatu titik ke titik lain tidak bergantung pada jalan yang ditempuh. Jumlah energi kinetik dan energi potensial di dalam medan gravitasi konstan. Jumlah energi kinetik dan energi potensial ini disebut energi mekanik. Mari kita lihat contoh di bawah ini. Benda bermassa m dijatuhkan bebas dari titik A, dari suatu ketinggian h, benda mempunyai energi potensial E p terhadap permukaan bumi. Energi potensial ini berkurang selama perjalanan menuju bumi dan energi kinetiknya bertambah. Tetapi jumlah energi kinetik dan energi potensialnya di setiap titik pada lintasannya selalu tetap. Jumlah energi kinetik dan energi potensial dititik 1 sama dengan jumlah energi kinetik dan potensial dititik 2.
Gambar Benda bermassa m jatuh dari ketinggian h E M = E k + E p E k1 + E p1 = E k2 + E p2 = konstan = C 1/2mv 1 2 +mgh1 = 1/2mv 2 2 +mgh2
Jumlah energi kinetik dan energi potensial ini yang disebut energi mekanik. Hal ini dikenal sebagai Hukum kekekalan energi mekanik yang berbunyi : Jika pada suatu sistem hanya bekerja gaya-gaya yang bersifat konservatif, maka energi mekanik sistem pada posisi apa saja selalu tetap dengan kata lain energi mekanik pada posisi akhir sama dengan energi mekanik pada posisi awal.