Bab 3 Usaha dan Energi
A. B. C. D.
Usaha Energi Daya Hukum Kekekalan Energi Mekanik
Sumber: http://www.e-dukasi.net
Usaha dan Energi Dalam bab ini akan diperkenalkan konsep usaha yang menghubungkan konsep gaya dan konsep energi. Dilanjutkan dengan teorema usaha dan energi yang dapat digunakan untuk memecahkan masalah gerak yang melibatkan gaya. Melalui materi dan contoh soal yang disediakan ananda akan menemukan nilainilai karakter yang dapat ananda gunakan dalam kehidupan. Selain itu, untuk mempermudah ananda dalam memahami konsep fisika ananda dapat melakukan praktikum dengan LKS dan mengerjakan soal-soal latihan yang sudah disediakan. Selamat belajaR.. .. .. !!!
Bahan Ajar Fisika SMA Kelas Kelas XI Bermuatan Bermuatan Nilai-Nilai Karakter
1
Bagi Guru 1. Sebelum menggunakan bahan ajar ini, guru diharapkan dapat membagi peserta didik menjadi beberapa kelompok, minimal dalam satu kelompok kelompok terdiri dari 4 orang. 2. Guru mengarahkan peserta didik bekerja sama didalam kelompoknya untuk mengerjakan Lembar Kerja (LK) yang terdapat dalam bahan ajar i ni. 3. Sebelum melakukan praktikum, guru terlebih dahulu menyiapkan alat dan bahan yang terdapat didalam bahan ajar untuk mempermudah peserta didik dalam melaksanakan praktikum. 4. Hasil evaluasi dapat dikoreksi dengan cara mencocokkannya dengan lembar respon balikan (feedback), apabila peserta didik mengalami kesulitan guru diharapkan dapat menuntun dan
Bagi Peserta didik Bacalah petunjuk belajar berikut dengan cermat untuk mempermudah ananda menggunakan bahan ajar ini ! 1. Berdoalah dengan khusyuk setiap akan memulai pembelajaran. 2. Jangan lupa membaca KI, KD, dan tujuan pembelajaran dari materi ini. 3. Bacalah referensi lain yang berhubungan dengan materi dalam Bahan Ajar ini untuk menambah wawasan anda. 4. Pahamilah peta konsep yang telah disajikan. 5. Pelajari setiap materi yang diberikan bila perlu garis bawahi hal – hal hal yang menurut ananda penting. 6. Pahami contoh soal yang ada, kemudian kerjakan uji kompetensi yang talah disediakan. 7. Temukanlah nilai – nilai – nilai nilai karakter yang terdapat pada materi Usaha, Energi dan Daya. 8. Terapkanlah nilai-nilai nilai-nilai karakter karakter yang telah ananda dapatkan pada materi ini dalam kehidupan sehari-hari 9. Bacalah panduan yang terdapat pada Lembar Kerja (LK), dan mulailah mengerjakannya dengan teman sekelompok ananda. 10. Kerjakanlah evaluasi pada materi ini dengan cermat dan teliti. 11. Bila dalam mengerjakan tugas/soal anda menemukan kesulitan, konsultasikan dengan guru pembimbing. 12. Ananda dapat melihat seberapa besar pemahaman ananda pada materi ini dengan mencocokkan jawaban hasil evaluasi ananda dengan lembaran feedback yang ada di halaman belakang bahan ajar ini.
Bahan Ajar Fisika SMA Kelas Kelas XI Bermuatan Bermuatan Nilai-Nilai Karakter
2
Peta Konsep
Untuk mempermudah mempelajari bab ini, silahkan ananda perhatikan peta konsep berikut !
Bahan Ajar Fisika SMA Kelas Kelas XI Bermuatan Bermuatan Nilai-Nilai Karakter
3
Kompetensi Inti KI. 1 Menghayati dan mengamalkan ajaran agama yang
dinutnya KI. 2 Menghayati dan mengamalkan perilaku jujur, displin,
tanggungjawab,
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 dlam 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 masalaah. 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.
Bahan Ajar Fisika SMA Kelas XI Bermuatan Nilai-Nilai Karakter
4
Kompetensi Dasar Bertambah keimanannya dengan menyadari hubungan keteraturan dan kompleksitas alam dan jagad raya terhadap kebesaran Tuhan yang menciptakannya. 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; teliti; 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. 2.2Menghargai kerja individu dan kelompok dalam aktivitas seharihari sebagai wujud implementasi melaksanakanpercobaan dan melaporkan hasil percobaan 3.3Menganalisis konsep energi, usaha, hubungan usaha dan perubahan energi, dan hukum kekekalan energi untuk menyelesaikan permasalahan gerak dalam kejadian sehari-hari 4.3Memecahkan masalah dengan menggunakan metode ilmiah terkait dengan konsep usaha, energi, daya, dan kekekalan energi
Indikator Pencapaian Kompetensi
1.1.1 Meyakini kebesaran Allah yang telah menciptakan semua yang ada di bumi diperuntukkan untuk umatNya agar dikelola dan dimanfaatkan dalam rangka mengabdi kepada Allah SWT 3.3.2 Bertanggung jawab merawat dan menjaga keseimbangan alam agar tidak terjadi kerusakan 2.1.1Menunjukkan perilaku jujur,disiplin,tanggung jawab, peduli, santun, responsif dan pro aktif dalam melakukan percobaan sebagai wujud implementasi sikap dalam melakukan percobaan dan berdiskusi 2.2.1Menghargai pendapat teman sebagai wujud implementasi dalam melaksanakan diskusi 3.2.1Menjelaskan perbedaan pengertian usaha dalam fisika dan usaha dalam kehidupan sehari-hari 3.2.2Mendeskripsikan hubungan antara usaha, gaya, dan perpindahan 3.2.3 Menganalisis usaha dari grafik gaya sebagai fungsi gerak
Bahan Ajar Fisika SMA Kelas XI Bermuatan Nilai-Nilai Karakter
5
Tujuan Pembelajaran
Karakter
Setelah kegiatan mengamati, eksperimen, diskusi kelompok,
Religius,
dalam pembelajaran usaha dan energi diharapkan peserta didik
ingin
tahu,
dapat:
objektif,
jujur,
1.1.1
2.1.1
2.1.2
2.1.3
rasa
Allah yang telah menciptakan semua yang ada di bumi
teliti,
cermat,
diperuntukkan untuk umatNya agar manusia berusaha
tekun,
mengelola dan memanfaatkannya dalam rangka mengabdi
bertanggung
kepada Allah SWT
jawab,terbuka,
Menunjukkan perilaku jujur,disiplin,tanggung jawab,
kritis,
peduli, santun, responsif dan pro aktif dalam melakukan
inovatif,
percobaan sebagai wujud implementasi sikap dalam
lingkungan,
melakukan percobaan dan berdiskusi
keterampilan
Memiliki rasa ingin tahu, objektif, cermat, hati-hati, kritis,
menggunakan alat
kreatif dan inovatif yang tinggi tentang konsep usaha,
percobaan,
konsep energi, hubungan usaha dan perubahan energi, dan
melakukan
hukum kekekalan energi untuk menyelesaikan
percobaan secara
permasalahan gerak dalam kejadian sehari-hari
sistematis.
hati-hati,
kreatif, peduli
Menghargai pendapat teman sebagai wujud implementasi dalam melaksanakan diskusi
3.3.1
Menjelaskan perbedaan pengertian usaha dalam fisika dan usaha dalam kehidupan sehari-hari
3.3.2
Mendeskripsikan hubungan antara usaha, gaya, dan perpindahan
3.3.3
Menganalisis grafik hubungan gaya dengan fungsi jarak.
4.3.1
Mencoba melakukan percobaan tentang usaha
Bahan Ajar Fisika SMA Kelas XI Bermuatan Nilai-Nilai Karakter
7
Pratikum Usaha
A. Tujuan
Mengetahui pengaruh sudut antara gaya dan perpindahan terhadap usaha yang dilakukan B. Alat dan Bahan
1. Beban
4. Mistar
2. Tali
5. Neraca pegas
3. Busur C. Langkah Kerja
1. 2. 3. 4.
Siapkan alat dan bahan yang dibutuhkan diatas meja Timbang lah beban dengan menggunakan neraca pegas Buat titik A dan B sejauh 1 meter. Kaitkan neraca pegas pada beban, jaga agar neraca pegas sejajar dengan meja. dengan kelajuan tetap.
5. Lakukan percobaan kedua dengan cara mengatur neraca dengan meja sehingga membentuk sudut 300, 450, 900
Bahan Ajar Fisika SMA Kelas XI Bermuatan Nilai-Nilai Karakter
9
6. Catat data percobaan yang telah dilakukan ke dalam tabel berikut ! No Sudut F dan s Perpindahan (m) Gaya (N) 1 00 2 300 3 450 4 900 7. Pada sudut berapakah usaha yang dilakukan paling besar ?
Usaha (J)
……………………………………………………………………………………...
...........…………………………………………………………………………….. ......………………………………………………………………………………… …………………………………………......................................................... 8. Pada sudut berapakah usaha yang dilakukan paling kecil ? …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… ……………………………........................................................................
9. Hubungan antara sudut dengan gaya dan usaha dapat di nyatakan sebagai berikut? …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… ……………………..................................................................................
.............................................................................................................. 10. Tuliskan kesimpulan yang ananda dapatkan dari percobaan yang telah dilakukan ! ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………
Bahan Ajar Fisika SMA Kelas XI Bermuatan Nilai-Nilai Karakter
10
Ananda pasti tahu permainan roller coaster seperti gambar disampingkan?Permain an ini terkenal sangatmenakutkan.Tap i sungguh mengherankan, ternyata roller coaster yang bergerak dengan kecepatan luar biasa itu tidak mempunyai mesin.
Sumber: www.findingdulcinea.com
Padahal sebagian besar kendaraan yang kita naiki seperti mobil atau kereta api mendapat tenaga dorong dari mesin. K alau begitu, tahukah ananda bagaimana roller coaster yang tidak memiliki alat pendorong bisa bergerak dengan cepat?Nah, untuk mendapatkan ja ikutilah pembahasan jawabannya berikut iini.
Nilai Karakter : Pastinya ananda semua penasaran dengan pertanyaan diaatas kan? Kalau ananda penasaran berarti ananda telah memiliki karakter rasa ingin tahu. Garis bawahilah materi yang ananda anggap penting sesuai dengan tujuan pembelajaran untuk melatih ananda bekerja keras belajar.
Dalam percakapan sehari-hari kita sering menggunakan kata usaha, dimana usaha diartikan sebagai segala sesuatu yang dikerjakan oleh manusia. Misalnya Yaya berusaha mempelajari materi kinematika yang akan diujikan minggu depan, dan seperti pada gambar 1.(a), Handi yang berusaha sekuat tenaga untuk mendorong dinding tetapi dinding tidak
bergerak. Jadi, usaha dalam kehidupan sehari-harimerupakan kegiatan yang dilakukan oleh manusia, tanpa memperdulikan tercapai atau tidak tujuannya.Apakah pengertian usaha dalam Fisika?
Bahan Ajar Fisika SMA Kelas XI Bermuatan Nilai-Nilai Karakter
11
Dalam fisika, usaha merupakan segala sesuatu yang dilakukan oleh gaya pada sebuah benda, yang menyebabkan benda bergerak pada jarak tertentu. Sebagai contoh terlihat pada gambar 1.(b), dimana budi mendorong meja
dengan sekuat tenaga sehingga meja berpindah dari posisi a ke b. Akan (a)
(b)
Gambar 1. Seseorang yang sedang melakukan usaha; (a) mendorong dinding, (b) mendorong meja
tetapi apabila meja yang didorong budi tidak berpindah maka budi dikatakan tidak berusaha.
Setelah memahami kedua ilustrasi tersebut, terlihat bahwa Budi merupakan anak yangkritis .Untuk melakukan suatu pekerjaanBudi berfikir terlebih dahulu agar tidak melakukan hal yang sia-sia. Hal ini terlihat dari meja yang didorong oleh Budi dapat berpindah dari a ke b. Sedangkan Handibukan merupakan anak yang kritis karena Handi melakukan sesuatu yang sia-sia, terlihat dari dindingnya yang didorong sekuat tenaga namun tidak bergerak (diam) sehingga perpindahannya nol. Pada gambar 2. Menunjukkan gaya F yang bekerja pada benda yang terletak pada bidang horizontal sehingga benda berpindah sejauh s. Maka gaya F melakukan usaha sebesar W, yang dapat dirumuskan secara matematis sebagai berikut :
Gambar 2. Usaha dilakukan oleh gaya F
=.
(1)
Keterangan : W
=
usaha (joule)
Bahan Ajar Fisika SMA Kelas XI Bermuatan Nilai-Nilai Karakter
12
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilia-nilai Karakter Kelas XI F
=
gaya yang sejajar dengan perpindahan (N)
s
= perpindahan (m)
Baik gaya maupun perpindahan merupakan besaran vektor. Sesuai dengan konsep perkalian titik antara dua buah vektor, maka usaha W merupakan besaran skalar. Dalam sistem satuan SI, satuan usaha adalah Joule, yang dilambangkan dengan huruf J. Satu Joule didefinisikan sebagai besarnya usaha yang dilakukan oleh sebuah gaya 1 Newton yang bekerja searah dengan perpindahan benda, yang menyebabkan benda berpindah sejauh 1 meter. Dengan demikian, Untuk Usaha yang lebih besar, biasanya
digunakan
satuan
kilojoule (kJ) dan megajoule (MJ). 1 kJ
1 joule = 1 newton x 1 meter 1J = 1Nm
= 1000 J
1 MJ = 1000 000 J
Seorang anak mengangkat sebuah kotak dengan gaya 160 N. Hitunglah usaha yang telah dilakukan anak tersebut ketika : a) Anak tersebut diam di tempat sambil menyangga kotak di atas kepalanya. b) Anak tersebut mengangkat kotak dan bergerak sejauh 10 meter,
Penyelesaian : F = 160 N : a) W = .....? jika s = 0 b) W = .....? jika s = 10 m Jawaban : a) Ketika anak mengangkat kotak diatas kepala tetapi tetap diam di tempat : Maka s = 0 Sehingga W = F.s = (160 N) (0) =0 b) Ketika bergerak sejauh 10 m : Maka s = 10 m Sehingga W = F .s = (160 N) (1 m) =1600 joule Diketahui Ditanya
Ingat : Pada kasus a), walaupun anak tersebut mengeluarkan keringat untuk menahan kotak diatas kepalanya, tetapi ia dikatakan tidak melakukan usaha.
13
Mila Anggela / 12733
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilia-nilai Karakter Kelas XI Dalam kehidupan, untuk mencapai suatu tujuan kita harus bekerja keras ,melangkah setahap demi setahap ke depan. Jika kita selalu melangkah maju ke depan maka dapat dikatakan kita melakukanperubahan dari keadaan semula. Sedangkan jika kita diam, tidak melakukan apa-apa maka tujuan kita tidak akan pernah tercapai, karena tidak terjadi perubahan apa-apa dalam hidup kita.
1. Usaha yang Dilakukan Gaya Membentuk Sudut Sembarang
Gambar 3. Usaha dilakukan oleh gaya yang membentuk sudut
Perhatikan gambar 3. Toni menarik balok dengan suatu gaya konstan F dan menyebabkan balok berpindah sejauh s dan tidak searah dengan gaya F . Komponen gaya
yang segaris dengan perpindahan adalah F x = F cos , dengan
merupakan sudut apit antara
arah gaya dan bidang horizontal. Berdasarkan defenisi usaha tersebut dapat diperoleh persamaan sebagai berikut. W
.
= = F cos .
(2)
Keterangan : W F s
= = = =
usaha (joule) gaya yang sejajar dengan perpindahan (N) perpindahan (m) sudut antara F dan s
Menurut ananda mana yang lebih mudah menarik balok tanpa menggunakan tali, atau menggunakan tali? Tentu lebih mudah menggunakan tali kan? Coba bayangkan bila Toni menarik balok tanpa bantuan tali, pekerjaan yang dilakukan oleh Toni akan terasa berat. Toni merupakan anak yang kreatif dan kritis , agar pekerjaan yang dilakukannya lebih cepat selesai maka Toni menggunakan tali sebagai alternatif untuk menghemat tenaga yang dimilikinya. Untuk itu, dalam mengerjakan tugas yang telah diberikan oleh guru diharapkan ananda dapat menyelesaikan tugas dengan cara yang tepat dan carilah informasi dari berbagai sumber. Agar pekerjaan yang telah diberikan guru dapat terselesaikan dengan mudah dan tepat pada waktunya. 14
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilia-nilai Karakter Kelas XI Sekarang coba perhatikan contoh soal dibawah ini dengan teliti!
Sebuah kereta mainan ditarik oleh seorang anak kecil dengan gaya sebesar 10 N. Jika kereta mainan tersebut bergerak sejauh 10 m, berapakah usaha yang telah dilakukan oleh anak kecil tersebut a) Kereta mainan ditarik secara horizontal tanpa menggunakan tali. b) Kereta mainan ditarik menggunakan tali sehingga membentuk s udut 30 o. Penyelesaian Diketahui :F = 10 N s = 10 m Ditanya:a) W = ....? jika s = 10 m b) W = ....? jika s = 10 m membentuk sudut 30 o. Jawaban : a) Kereta mainan ditarik secara horizontal tanpa menggunakan tali. Maka W =Fs = (10 N) (10 m) = 100 joule b)
Kereta mainan ditarik menggunakan tali sehingga membentuk s udut 30 o. Maka W = F s cos = (10 N) (10 m) cos 30 o = 100 ( 0,5 ) = 50 joule
Dari contoh 1.2, dimana kereta mainan yang ditarik tanpa menggunakan tali ternyata membutuhkaan usaha yang lebih besar untuk mencapai jarak 10 m daripada menarik kereta dengan menggunakan tali yang membentuk sudut 30 o.
Hal
ini
dapat
kita
ambil
hikmahnya
yakni
dalam
mengejar
prestasi
dan
kesuksesan,kita akan melalui banyak hambatan dan tantangan, untuk itu kita harus dapat memikirkan cara yang lebih efektif dan selalu memperbaharui serta mengkreasikan setiap langkah sehingga kita memperoleh strategi-strategi baru (menggunakan tali) untuk melalui tantangan tersebut dengan maksimal (jarak yang sama) tanpa melakukan hal yang sia-sia.
2. Usaha yang Dilakukan oleh Berbagai Gaya Pada kehidupan sehari-hari, jarang dijumpai adanya gaya tunggal yang bekerja pada benda. Misalnya, saat Ananda berjalan. Gaya-gaya yang bekerja pada saat Ananda berjalan adalah gaya berat, gaya normal, dan gaya gesekan. Bagaimanakah cara menentukan usaha yang dilakukan oleh berbagai gaya? Untuk dapat menentukan usahanya, Ananda harus mengetahui besar gaya dan arahnya.
15
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI a. Masing – masing gaya bekerja serentak pada perpindahan yang sama Usaha total yang dilakukan oleh beberapa gaya yang bekerja serentak dapat dihitung sebagai hasil kali resultan komponen gaya yang segaris dengan perpindahan dan besarnya perpindahan.
(3)
Perhatikan gambar di bawah ini! Ada dua orang peserta didik A dan B menarik peti yang terletak pada lantai.
Tentukanlah besar perpindahan peti yang ditarik oleh peserta didik A dan B jika besarnya gaya kedua peserta didik tersebut masing-masing 10 N dan 20 N dan usaha yang dikerahkan 72 joule!
Penyelesaian Diketahui :
F A
= 10 N
F B
= 20 N = 370 A = 600 B W = 72 J Ditanya: s = …? Jawaban : 72 J =(F A + F B ) s 72 J = ( 10 cos 37 + 20 cos 60 ) s 72 J = ( 10 . 0,8 + 20 . 0,5 ) s 72 J = ( 8 + 10 ) s
s =
72
=
4m
16
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI b. Masing-masing gaya bekerja pada perpindahan yang berbeda Mengingat bahwa usaha adalah besaran skalar, maka usaha yang dilakukan oleh beberapa gaya pada perpindahan yang berbeda dapat dihitung sebagai hasil penjumlahan aljabar dari usaha yang dilakukan oleh masing-masing gaya secara individual. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut.
(4)
Perhatikan usaha yang dilakukan oleh beberapa gaya seperti terlihat pada gambar 4 berikut! Berdasarkan gambar disamping, diperoleh besarnya usaha yang dilakukan adalah
Gambar 4. Usaha yang dilakukan oleh beberapa gaya pada perpindahan yang berbeda \
Perhatikan gambar di bawah ini! Ada dua orang peserta didik A dan B menarik peti yang terletak pada lantai.
Tentukanlah besar dan arah perpindahan peti yang ditarik oleh peserta didik A dan B jika besarnya gaya kedua peserta didik tersebut masing-masing 10 N dan 20 N dan usaha yang dikerahkan 8 joule!
17
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI Penyelesaian Diket : F A = 10 N F B = 20 N
= 370 = 600 B W =4J Ditanya: s = …? Jawaban : 4 J = (-F A +F B ) s 4 J = (-10 cos 37 + 12 cos 60 ) s 4 J = (-10 . 0,8 + 20 . 0,5 ) s 4 J = (-8 + 10 ) s A
4
s = = 2 m Dari contoh 1.3 dan contoh 1.4, terlihat bahwa apabila gaya yang bekerja searah maka perpindahan yang diperoleh lebih besar, sedangkan apabila gaya yang bekerja tidak searah maka perpindahan pun lebih kecil.
Begitu juga dalam kehidupan ini, apabila didalam kelompok kita bekerja sama dengan tujuan (arah) yang sama maka hasil (perpindahan) yang akan diperoleh lebih besar. Dan jika salah satu dari kelompok ada yang berbeda pendapat (arah) maka sesuatu yang kita kerjakan tidak akan cepat terselesaikan.
2. Menghitung Usaha dengan Grafik Usaha yang dilakukan oleh sebuah gaya dapat dilukiskan secara grafis, yaitu dengan menarik garis komponen gaya sebagai fungsi perpindahannya.Perhatikanlah Gambar 5! Luas daerah diarsir di bawah grafik F – s menyatakan usaha yang dilakukan oleh gaya sebesar F untuk perpindahan benda sejauh s. F (N)
s1
s2
s(m)
Gambar 5. Grafik F terhadap s
Mari kita hitung usaha yang tergambar pada grafik gaya terhadap perpindahan diatas, W = Luas persegi panjang = panjang x lebar
18
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI = F ∆s= F (s2 – s1) Lalu bagaimana menentukan besarnya usaha, jika gaya yang diberikan tidak teratur. Misalnya, saat 5 sekon pertama, gaya yang diberikan pada suatu benda membesar dari 2 N menjadi 8 N, sehingga benda berpindah kedudukan dari 3 m menjadi 12 m. Untuk menentukan kerja yang dilakukan oleh gaya yang tidak teratur, maka kita gambarkan gaya yang sejajar dengan perpindahan sebagai fungsi jarak s. Kita bagi jarak menjadi segmensegmen kecil
s.
Untuk setiap segmen, rata-rata gaya ditunjukkan dari garis putus-putus.
Kemudian usaha yang dilakukan merupakan luas persegi panjang dengan lebar atau panjang F. Jika kita membagi lagi jarak menjadi lebih banyak segmen,
s
s
dan tinggi
dapat lebih
kecil dan perkiraan kita mengenai kerja yang dilakukan bisa lebih akurat. Pada limit
s
mendekati nol, luas total dari banyak persegi panjang kecil tersebut mendekati luas dibawah kurva.Jadi usaha yang dilakukan oleh gaya yang tidak beraturan pada waktu memindahkan sebuah benda antara dua titik sama dengan luas daerah di bawah kurva. Pada contoh di samping : W = ½ (∆F) (∆ s) + (F) (∆s) = ½ ( 8 - 2 )( 12 – 3 ) + (2) (12-3) = 27 joule + 18joule = 45 joule
Sebuah gaya yang besarnya berubah-ubah bekerja pada sebuah benda, menyebabkan benda berpindah sejauh 25 meter dengan grafik seperti gambar dibawah ini. Tentukanlah besar usaha yang dilakukan ! F (N) 6 I
Penyelesaian
II
5
10
III
15
20
25
30
s(m)
Cara I( Cari usaha tiap-tiap daerah kemudian ditambahkan)
∆ ∆ = 6 05 0 = 56 = 15 J
WI =
19
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
F∆ 6205 615 = 90 J = ∆ ∆ 62520 65 = = 15 J =
WII = = = WIII
Wtotal = WI + WII + WII = 15 J + 90 J+ 15 J = 120 joule
Cara II (Luas daerah trapesium) W = Luas daerah yang diarsir
(+) 4 = 4 = =
= 120 joule
Untuk menghitung usaha yang dilakukan oleh gaya yang berubah-ubah tidaklah satu cara. Misalkan pada contoh 1.4 diatas, dapat dilakukan dengan cara menambahkan ketiga usaha dibawah kurva atau menggunakan rumus untuk mencari luas trapesium.
Begitu juga dalam kehidupan sehari-hari, kita akan menemukan kondisi ini saat ingin mencapai suatu tujuan. Kadangkala ditengah jalan ada rintangan yang menghalangi kita, kita jangan cepat putus asa, Ingat tidak satu jalan menuju Mekah. Oleh sebab itu, kita bisa mencari cara yang tepat, dan melakukan sesuatu untuk menghasilkan cara yang barusehingga segala rintangan yang ada bisa teratasi.
Fisika semakin asyik kan? Pastinya ya! Nah, untuk memperdalam pengetahuan yang telah ananda dapatkanpada pertemuan kali ini, silahkan ananda kerjakan soal yang terletak pada Lembar Kerja 1.1.
20
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
Kerjakan soal dibawah ini secara berkelompok. Setiap anggota kelompok harus mengerti dan memahami penyelesaian soal dengan baik, sehingga masing-masing anggotabisamempertanggungjawabkan pilihan jawaban. Dan jangan lupa teliti dan bersungguh-sungguh, serta jalinlah kerja sama yang baik sesama anggota kelompokmu, agar soal dibawah ini dapat terselesaikan tepat waktu. 1. Seorang peserta didik sedang memegang buku teks fisika yang cukup berat, berdiri di dekat jendela pada lantai 2 sebuah gedung. Dimana buku teks fisika tersebut massanya 2 Kg. Ia menahan buku tersebut dengan lengannya sehingga Ia merasa lelah pada otot lengannya. a) Berapakah usaha yang dilakukan peserta didik tersebut ketika menahan buku dengan lengannya selama 2 menit? b) Berapakah usaha yang dilakukan gaya gravitasi pada saat buku itu dijatuhkan oleh peserta didik dan bergerak ke bawah sejauh 4 m?
2. Sebuah peti didorong oleh 3 orang anak. Anak pertama mendorong dengan gaya 100 N, Anak kedua mendorong dengan gaya 150 N, anak ketiga mendorong dengan gaya 200 N, hitunglah usaha total yang dilakukan oleh ketiga orang tersebut bila peti berpindah sejauh 6 m.
21
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI 3. Perhatikan grafik gaya F terhadap perpindahan s perpindahan s di samping. Tentukan usaha total yang dilakukan oleh gaya!
Kerjakan latihan dibawah ini secara mandiri. 1. Sebuah balok bermassa 10 kg ditarik dengan gaya 50 N sehingga berpindah sejauh 8 m seperti pada gambar dibawah. Jika = 60° dan gesekan antara balok dan lantai diabaikan, berapakah usaha yang dilakukan gaya itu?
........................................... ................................................................. ............................................ ............................................ ......................................... ................... .......................................... ................................................................ ............................................ ............................................ .......................................... .................... ........................................... ................................................................. ............................................ ............................................ ......................................... ................... .......................................... ................................................................ ............................................ ............................................ .......................................... .................... ........................................... ................................................................. ............................................ ............................................ ....................................... ................. 2. Perhatikan grafik gaya F terhadap perpindahan s di samping. Tentukan usaha total yang dilakukan oleh gaya! .......................................... .................................................................. ............................. ..... .......................................... ................................................................ ............................. ....... .......................................... ................................................................ ............................. ....... .......................................... ................................................................ ............................. ....... ........................................... ................................................................. ............................ ...... .......................................... ................................................................ ............................. ....... .......................................... ................................................................ ............................. .......
22
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
Kompetensi Dasar 1.1 Bertambah keimanannya dengan menyadari hubungan keteraturan dan kompleksitas alam dan jagad raya terhadap kebesaran Tuhan yang menciptakannya. 1.2 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; teliti; 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. 2.2Menghargai kerja individu dan kelompok dalam aktivitas seharihari sebagai wujud implementasi melaksanakanpercobaan dan melaporkan hasil percobaan
Indikator Pencapaian Kompetensi
1.1.1 Meyakini kebesaran Allah yang telah menciptakan semua yang ada di bumi diperuntukkan untuk umatNya agar dikelola dan dimanfaatkan dalam rangka mengabdi kepada Allah SWT 1.2.1 Bertanggung jawab merawat dan menjaga keseimbangan alam agar tidak terjadi kerusakan 2.1.1Menunjukkan perilaku jujur,disiplin,tanggung jawab, peduli, santun, responsif dan pro aktif dalam melakukan percobaan sebagai wujud implementasi sikap dalam melakukan percobaan dan berdiskusi 2.2.1Menghargai pendapat teman sebagai wujud implementasi dalam melaksanakan diskusi 3.3.1 Menghitung besar energi potensial (gravitasi dan pegas) 3.3.3 Menganalisis hubungan usaha dengan energi potensial
3.3Menganalisis konsep energi, usaha, hubungan usaha dan perubahan energi, dan hukum kekekalan energi untuk menyelesaikan permasalahan gerak dalam kejadian sehari-hari 4.3Memecahkan masalah dengan menggunakan metode ilmiah terkait dengan konsep usaha, energi, daya, dan kekekalan energi
23
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
Tujuan Pembelajaran Pembelajaran
Karakter
Setelah kegiatan mengamati, eksperimen, diskusi kelompok,
Religius,
rasa
dalam pembelajaran energi potensial diharapkan peserta didik ingin
tahu,
dapat:
jujur,
1.1.1
2.1.1
objektif, Bersyukur pada Allah yang telah menciptakan air terjun
teliti,
yang memiliki energi potensial besar sehingga bermanfaat
tekun,
bagi manusia sebagai salah satu sumber energi
bertanggung
Menunjukkan
perilaku
jujur,disiplin,tanggung
cermat, hati-hati,
jawab, jawab,terbuka,
peduli, santun, responsif dan pro aktif dalam melakukan kritis,
kreatif,
percobaan sebagai wujud implementasi sikap dalam inovatif,
2.1.2
peduli
melakukan percobaan dan berdiskusi
lingkungan,
Memiliki rasa ingin tahu, objektif, cermat, hati-hati, kritis,
keterampilan
kreatif dan inovatif yang tinggi tentang konsep usaha,
menggunakan alat
konsep energi, hubungan usaha dan perubahan energi, dan percobaan, hukum
kekekalan
energi
untuk
menyelesaikan
permasalahan gerak dalam kejadian sehari-hari 2.1.3
melakukan percobaan secara
Menghargai pendapat teman sebagai wujud implementasi sistematis. dalam melaksanakan diskusi
3.3.1
Menghitung besar energi potensial (gravitasi dan pegas)
3.3.2
Menganalisis hubungan usaha dengan energi potensial
4.3.1
Mencoba melakukan percobaan tentang energi potensial
24
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
Lembar kerja Energi Potensial
A. Tujuan
Menjelaskan hubungan gaya konservatif dengan energi potensial B. Pertanyaan/ Diskusi
Pertemuan sebelumnya Ananda telah belajar tentang usaha oleh gaya berat, Tuliskanlah persamaan gaya berat pada peristiwa di Gambar 1! Gambar 1. Benda berpindah dari posisi h1 ke posisi h2
W = …………………
(1)
Gaya berat termasuk gaya konservatif sehingga usaha oleh gaya berat yang dilakukan memennuhi persamaan: Wkons = -ΔEP = - (…. - ….)
(2)
Jika persamaan (1) dan (2) disamakan, maka diperoleh: …….………………..
=
…………………………..
Dengan memperhatikan ruas kiri dan ruas kanan persamaan tersebut, maka diperoleh: Dan EP2 = …………………. EP1 = ……………. Secara umum, kita dapat menyatakan Energi Potensial gravitasi konstan: 25 EP kons = …………………
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
Pada pertemuan sebelumnya, Ananda telah belajar usaha oleh gaya gravitasi Newton. Dimana untuk memindahkan benda dari posisi 1 (dengan jarak dari pusat bumi r 1) ke posisi 2 (dengan jarak dari pusat bumi r 2), dapat dituliskan usaha oleh gaya gravitasi Newton dengan persamaan:
W grav = …………………
(3)
Gaya gravitasi Newton termasuk gaya konservatif, sehingga usaha oleh gaya gravitasi Newton yang dilakukan memenuhi persamaan: Wgrav = -ΔEP = - (…. - ….) (4)
Jika persamaan (3) dan (4) disamakan, maka diperoleh: …….………………..
=
…………………………..
Dengan memperhatikan ruas kiri dan ruas kanan persamaan tersebut, maka diperoleh: dan EP2 = …………….. EP1 = …………. Secara umum, kita dapat menyatakan Energi Potensial gravitasi Newton: EP grav = …………………
~
Apabila jarak benda sangat jauh dari pusat planet (r = ), energi potensial gravitasi Newton pada tempat tersebut adalah: EP grav = ………………… = ……………
26
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
Masih ingatkah kamu??? Pada pertemuan sebelumnya Ananda telah mempelajari usaha oleh gaya pegas.
Sekarang,,,mari kita ingat kembali!!!!!
Gambar 2. Pegas yang diregangkan sehingga membentuk simpangan sebesar x
Usaha yang dilakukan oleh gaya pegas untuk benda yang berpindah dari posisi 1 dengan simpangan x1 ke posisi 2 dengan simpangan x2 adalah: W pegas = …………………
(5)
Gaya pegas termasuk gaya konservatif, sehingga usaha oleh gaya pegas yang dilakukan memenuhi persamaan: (6) W pegas = -ΔEP = - (…. - ….) Jika persamaan (5) dan (6) disamakan, maka diperoleh: …….………………..
=
…………………………..
Dengan memperhatikan ruas kiri dan ruas kanan persamaan tersebut, maka diperoleh: EP1 = …………. dan EP2 = …………….. Secara umum, kita dapat menyatakan Energi Potensial pegas: EP grav = …………………
27
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
Energi dalam fisika didefenisikan sebagai kemampuan untuk melakukan usaha.Berarti, untuk berlari kita memerlukan energi, untuk belajar memerlukan energi, dan secara umum untuk melakukan usaha kita memerlukan energi.Dari mana kita memperoleh energi untuk melakukan
kegiatan
sehari-hari?Untuk
melakukan
aktivitas,
kita
memerlukan
makanan.Dengan demikian, energi yang kita dapatkan dari makanan yang kita santap seharihari.
Coba bayangkan bila tidakada makanan yang bisa kita makan?Apa yang akan terjadi? Apakah tubuh kita akan tetap segar? Apakah kita masihbisa melakukan kegiatan seharihari?Untuk itu,kita harus senantiasa bersyukur kepada
TuhanYME
yang telah memberikan
rahmat dan
hidayahnya kepada kita, sehingga kita tidak pernah kekurangan
makanan
menjalankan
kehidupan
dan ini
bisa dengan
berusaha
serta
sebagai
mana
mestinya. Bagaimana dengan mesin-mesin yang membantu kerja manusia?Apakah mesin-mesin tersebut memerlukan energi?Ya, mesin-mesin tersebut memerlukan energi untuk melakukan usaha. Energi untuk mesin-mesin itu diperoleh dari bahan bakarnya, misalnya bensin dan solar, Tanpa bahan bakar ini, mesin-mesin tidak akan bisa melakukan usaha. Nah tahukah ananda dari mana asal bahan bakar yang kita gunakan tersebut?Ya, bahan bakar tersebut berasal dari fosil-fosil makluk hidup yang terpendam jutaan tahun lamanya.Dimana bahan bakar ini tidak dapat diperbaharuhi dan jumlahnya pun terbatas.
Sekarang coba fikirkan jika bahan bakar tersebut habis?Apakah kita masih bisa melangsungkan kehidupan ini? Padahal jika kita ingin kemana-mana kita menggunakan mesin, misalnya sepeda motor, angkot, bus kotadan lain-lain. Agar sumber-sumber ini tidak cepat habis, maka apa yang harus ananda lakukan? Salah satu cara yakni menjaga dan menghemat pemakaian sumber-sumber energi ini. Apakah ananda punya cara lain? 29
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI Proses perubahan bentuk energi dari sat bentuk ke bentuklainnya disebut konversi energi. Alat untuk mengubah energi disebut konventor energi.Perubahan energi terjadi ketika usaha sedang dilakukan.Misalnya,ketika Ananda melakukan usaha dengan mendorong mobil hingga mobiltersebut bergerak maju. Pada
proses
usaha
sedang
berlangsung,
sebagian energi kimia yang tersimpan dalam tubuh Ananda diubah menjadi energi mekanik. Di sini Ananda berfungsi sebagai pengubah energi (konverter energi). Contohnya terlihat http://zhuldyn.wordpress.com
pada gambar 6disamping.
Gambar 6. Energi kimia dari bahan bakar diubah menjadienergi kinetik oleh mobil.
Ananda telah mengenal berbagai sumber energi, antara lain, energimatahari, energi panas bumi, energi angin, energi air, dan energi nuklir.Energi listrikmerupakan salah satu bentuk energi yang sering digunakan.Dari jaringanlistrik PLN di rumah, Ananda dapat melakukan berbagai kegiatan, antara lain,menyalakan lampu, komputer, menyetrika baju, mendengarkan radio,melihat siaran televisi. Hal ini menunjukkan bahwa energi listrik dapatdiubah menjadi bentuk energi lain.
1. Energi Potensial Gravitasi Energi potensial gravitasi adalah energi yang
dimilikioleh
benda
karena
kedudukan
atau
ketinggiannya.Energipotensial merupakan energi yang masih tersimpan atautersembunyi pada benda, sehingga mempunyai potensiuntuk melakukan usaha. Misalnya pada gambar 7, buah kelapa dengan massa m yang berada di atas pohon, dengan ketinggian h.Secara metematis energi potensial gravitasi pada suatu benda yang berada pada ketinggian tertentu dapat ditulis sebagai berikut :
Ep = m g h
Gambar 7. Seorang anak yang sedang menungu buah kelapa jatuh dari pohonnya
(5)
Keterangan : E p = energi potensial gravitasi (N)
30
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI m
=massa benda (kg) g
= percepatan gravitasi (m/s2)
h
= ketinggian terhadap acuan (m)
Semakin tinggi letak suatu benda maka semkin besar pula energi potensial gravitasi yang terkandung pada benda tersebut,
begitupun
dalam
kehidupan
kitasemakin
banyakmembaca maka semakin luas wawasan kita, semakin banyak ilmu yang kita peroleh, sehingga jalan untuk meraih kesuksesan akan terbuka lebar. Untuk itu jangan pernah malas membaca, baik itu membaca buku tentang alam, sosial, budaya, teknologi, maupun majalah/ koran. Energi potensial gravitasi tersebut adalah energi potensial benda terhadap bidang acuan yang terletak pada jarak h di bawah benda. Energi potensial gravitasi terhadap bidang acuan lain tentu saja berbeda besarnya. Misalnya, terhadap bidang acuan yang jaraknya h1, di bawah kedudukan benda, maka energi potensial gravitasinya adalah m g h1.Bidang acuan tidak harus berada di bawah kedudukan benda.Dapat saja dipilih bidang acuan yang letaknya di atas kedudukan benda.Dalamhal demikian energi potensial gravitasi memiliki nilainegatif.Namun, biasanya bidang acuan dipilih di bawah kedudukan benda.
Gambar 8. Energi potensial gravitasi benda untuk berbagai bidang acuan
Apabila benda mula-mula berada pada ketinggian h1,dan gaya beratnya bergerak vertikal ke bawahhingga ketinggian h2 dari bidang acuan seperti pada Gambar 9. Gambar 9. Energi potensial benda yang mula-mula berada pada ketinggian h1 dari permukaan bumi
Besarnya usaha yang dilakukan oleh gaya berat adalah: W = m. g .h1 – m. g .h2 W = m. g .(h1 – h2) = -m. g (h2 – h1) W = - ∆ Ep
(6)
31
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI Persamaan
diatas
menyatakan
bahwa
usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi
sama dengan perubahan energi potensial gravitasi.
Energi potensial gravitasi tidak hanya terjadi pada benda yang jatuh bebas atau memiliki lintasan lurus saja, tetapi energi potensial gravitasi juga terjadi pada pada bidang melingkar dan miring seperti pada Gambar.10, dibawah ini.
Gambar 10. Energi potensial gravitasi pada (a) bidang melingkar dan (b) bidang miring
Persamaan energi potensial gravitasi yang berlaku pada bidang melingkar dan bidang miring, adalah sebagai berikut. a. Untuk bidang melingkar: E pA
=mgh =mgR
E pB
=0
b. Untuk bidang miring: E pA
=mgh = m g s sin
E pB
=0
Sebuah pot bunga yang bermassa 12 Kg berada pada ketinggian 15 m di atas permukaan tanah seperti pada gambar disamping. Berapakah energi potensial gravitasinya ? (g = 10 m/s2).
Penyelesaian Diketahui : m = 12 Kg H= 15 m Ditanya :Ep = ? Jawaban : Energi potensial gravitasi dihitung terhadap bidang acuan, adapun bidang acuan yang kita gunakan pada contoh ini adalah permukaan tanah. Ep = m g h = 12 kg ( 10 m/ s 2) (15 m) = 1890 joule
32
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
Sebuah benda berada pada ketinggian 40 m dari tanah.Kemudian, benda itu jatuhbebas. Berapakah usaha yang dilakukan oleh gaya berat hingga benda sampai ke tanah? Jika diketahui massa benda adalah 1,5 kg dan percepatan gravitasi bumi 10 m/s 2.
Penyelesaian Diketahui : m= 1,5 Kg h1= 40 m h2= 0 g = 10 m/s2. Ditanya : Ww = ? Jawaban : Ww = mgh1 – mgh2 Ww = mg (h1 – h2) Ww = (1,5 kg)(10 m/s2)(40 m – 0 m) Ww = 600 joule
2. Energi Potensial Elastik Pegas Bentuk energi potensial yang kedua adalah energi potensial elastis.Energi potensial elastik pegas adalah
energi
yang
tersimpan di dalam benda elastis karena adanya gaya tekan dan gaya regang yang bekerja pada benda. Contoh energi potensial ini ditunjukkan pada Gambar 11. Besarnya energi potensial elastik bergantung pada besarnya gaya tekan atau gaya regang yang diberikan pada benda tersebut. Ananda telah mempelajari sifat elastis pada pegas dan telah
Sumber: Depdiknas
Gambar 11. Panah dan Busur
mengetahui bahwa gaya pemulih pada pegas berbanding lurus dengan pertambahan panjangnya. Pegas yang berada dalam keadaan tertekan atau teregang dikatakan memiliki energi potensial elastis karena pegas tidak berada dalam keadaan posisi setimbang. Perhatikanlah Gambar 12. Grafik tersebut menunjukkan kurva hubungan antara gaya dan pertambahan panjang pegas yang memenuhi Hukum Hooke. Jika pada saat Anda menarik pegas dengan gaya sebesar F 1, pegas itu bertambah panjang sebesar ∆ x1. Demikian pula, jika Anda menarik pegas dengan gaya sebesar F 2, Gambar 12.hubungan terhadap Δ x pada kurva F = k ∆ x.
33
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI pegas akan bertambah panjang sebesar ∆ x2.
Implementasinya dalam kehidupan yakni semakin besar usaha
yang
kita
lakukan
maka
semakin
besar
pula
perubahan yang dihasilkan.Oleh sebab itu, perubahan yang terjadi dalam kehidupan kita sebanding dengan usaha yang kita lakukan, usaha dilakukan adalah dengan bekerja keras dan disiplin. Begitu seterusnya. Dengan demikian, usaha total yang Ananda berikan untuk meregangkan pegas adalah
W = F 1∆ x1 + F 2∆ x2+ ... Besarnya usaha total ini sama dengan luas segitiga di bawah kurva F terhadap ∆ x sehingga dapat dituliskan,
W = (k ∆ x ) (∆ x ) W = k ∆ x2(7) W = F ∆ x
Oleh karena usaha yang diberikan pada pegas ini akan tersimpan sebagai energi potensial, dapat dituliskan persamaan energi potensial pegas adalahsebagai berikut.
Ep= k ∆ x2(8)
Energi potensial pegas ini juga dapat berubah karena usaha yangdilakukan olehgaya pegas. Besar usaha yang dilakukan oleh gaya pegas itudituliskan dengan persamaan,
W = –∆ Ep(9)
34
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
Sebuah pegas yang tergantung tanpa beban panjangnya 15 cm. Kemudian, ujungbawah pegas diberi beban 5 kg sehingga pegas bertambah panjang menjadi 20 cm. Tentukanlah: a. tetapan pegas, dan b. energi potensial elastis pegas.
Penyelesaian Diket : m = 5 Kg l o = 15cm = 0,15 m l 1 = 20 cm = 0,20 m Ditanya : a) k = ? b) Ep = ? Jawaban :
∆ k= ∆ /s k= ,−, = , = N/m b) Ep = k ∆ x2 Ep= (1000 N/m)(0,05 m) 2 a) k =
= 1,25 J
Untuk menarik suatu pegas agar bertambah panjang 0,25 m, diperlukan gaya sebesar 18 N. Hitunglah: a. konstanta gaya pegas, dan b. energi potensial elastis pegas. Penyelesaian
∆
Diketahui : = 0,25 m F = 18 N Ditanya : a)k = ? b) Ep = ? Jawaban : a) k =
∆
,
= =
N/m
= (72 N/m) (0,25 m)2
b) Ep = k ∆x2
= 2,25 N/m
35
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
Kompetensi Dasar 1.1 Bertambah keimanannya dengan menyadari hubungan keteraturan dan kompleksitas alam dan jagad raya terhadap kebesaran Tuhan yang menciptakannya. 1.2 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; teliti; 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. 2.2Menghargai kerja individu dan kelompok dalam aktivitas seharihari sebagai wujud implementasi melaksanakanpercobaan dan melaporkan hasil percobaan
Indikator Pencapaian Kompetensi
1.1.1 Meyakini kebesaran Allah yang telah menciptakan semua yang ada di bumi diperuntukkan untuk umatNya agar dikelola dan dimanfaatkan dalam rangka mengabdi kepada Allah SWT 1.2.2 Bertanggung jawab merawat dan menjaga keseimbangan alam agar tidak terjadi kerusakan 2.1.1Menunjukkan perilaku jujur,disiplin,tanggung jawab, peduli, santun, responsif dan pro aktif dalam melakukan percobaan sebagai wujud implementasi sikap dalam melakukan percobaan dan berdiskusi 2.2.1Menghargai pendapat teman sebagai wujud implementasi dalam melaksanakan diskusi 3.3.1 Menghitung besar energi kinetik 3.3.2 Menganalisis hubungan usaha dengan energi kinetik
3.3Menganalisis konsep energi, usaha, hubungan usaha dan perubahan energi, dan hukum kekekalan energi untuk menyelesaikan permasalahan gerak dalam kejadian sehari-hari 4.3Memecahkan masalah dengan menggunakan metode ilmiah terkait dengan konsep usaha, energi, daya, dan kekekalan energi
36
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
Tujuan Pembelajaran Setelah kegiatan mengamati, eksperimen, diskusi kelompok,
Karakter Religius, rasa
dalam pembelajaran energi kinetik diharapkan peserta didik dapat:
ingin
tahu,
1.1.1
Bersyukur pada Allah yang telah menciptakan energi
objektif,
jujur,
kinetik pada setiap benda yang bergerak sehingga
teliti,
bermanfaat bagi kehidupan umat manusia
tekun,
Menunjukkan perilaku jujur,disiplin,tanggung jawab,
bertanggung
peduli, santun, responsif dan pro aktif dalam melakukan
jawab,terbuka,
percobaan sebagai wujud implementasi sikap dalam
kritis,
melakukan percobaan dan berdiskusi
inovatif,
Memiliki rasa ingin tahu, objektif, cermat, hati-hati, kritis,
lingkungan,
kreatif dan inovatif yang tinggi tentang konsep usaha,
keterampilan
konsep energi, hubungan usaha dan perubahan energi, dan
menggunakan alat
hukum kekekalan energi untuk menyelesaikan
percobaan,
permasalahan gerak dalam kejadian sehari-hari
melakukan
Menghargai pendapat teman sebagai wujud implementasi
percobaan secara
dalam melaksanakan diskusi
sistematis.
2.1.1
2.1.2
2.1.3
3.3.1
Menghitung besar energi kinetik
3.3.2
Menganalisis hubungan usaha dengan energi kinetik
4.3.1
Mencoba melakukan percobaan tentang energi kinetik
cermat, hati-hati,
kreatif, peduli
37
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
Sebelum kita memasuki sub materi baru, kita akan melakukan percobaan terlebih dahulu agar pembelajaran yang kita lakukan akan lebih bermakna. Dengan melakukan kegiatan eksperimen atau percobaan, diharapkan dapat meningkatkanrasa ingin tahuananda dan selain itu dapat melatih ananda bekerja sama, serta menanamkan sifat kejujuran pada diri ananda. Tahukah ananda, para ilmuan menemukan teori-teori atau konsep fisika melalui percobaan yang mereka lakukan dengan kerja keras dan ketekunan.Dengan adanya percobaan yang dilakukan oleh ilmuan kita, makanya teknologi semakin berkembang dari waktu ke waktu. Coba bayangkan jika tidak ada teknologi di dalam hidup kita, mungkin kita susah untuk menjalankan kehidupan ini. Mau nelpon tidak bisa, mau nonton TV tidak bisa, mau kesekolah dengan jalan kaki, mau internetan tidak bisa, semua kegiatan yang kita lakukan sehari-hari menggunakan teknologi Nah, untuk itu kita harus menghargai kerja keras para ilmuan kita.Karena berkat teknologi yang mereka kembangkan kita bisa menjalani hidup ini dengan mudah. Sebagai penerus bangsa apa yang dapat ananda lakukan? Apakah hanya menikmat saja?Tentu tidakkan?Untuk itu jangan pernah berhenti belajar, karena dengan belajar kita bisa memberikan sesuatu yang baru dan berguna bagi makhluk hidup lainnya. Ayo lakukan percobaan dibawah ini dengan semangat..!!
39
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
Praktikum Energi Kinetik
A. Tujuan
Menentukan faktor-faktor yang mempengaruhi energi kinetik . B. Alat dan Bahan
1. Statif dan pengait
4. Mistar
2. Rel Presisi
5. Balok kayu
3. Beban 50 gram C. Langkah Kerja
1. Rangkailah alat seperti gambar dibawah! 2. Luncurkan beban 50 gr (m 1) dari ujung atas rel hingga mengenai balok kayu yang ada di bawahnya. 3. Ukurlah perpindahan balok setelah didorong beban (s) dari garis start. 4.
Ulangi langkah kerja 1 sampai 6 dengan memvariasikan massa beban menjadi 100 gram, 150 gram, dan 200 gram. Tabel 1. Data pengamatan
No
Massa beban (kg)
Ketinggan rel (m)
Kecepatan akhir beban (m/s) v=
√2ℎ
Perpindahan balok kayu (m)
Energi Kinetik (Joule) Ek = ½ mv2
1 2 3 4
40
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
5. Berdasarkan data yang diperoleh, hitunglah energi kinetik masing-masing beban! Isikan kedalam Tabel.1 ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………
6. Kapan beban memiliki energi kinetik? ………………………………………………………………………………………
7. Ketika beban meluncur pada rel, bagaimana energi potensial dan energi kinetik beban tersebut?Jelaskan! ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………
8. Apa hubungan antara massa beban dengan energi kinetik beban tersebut? ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………
9. Dari pertanyaan no. 8, Bukti apa yang kamu miliki untuk mendukung jawabanmu? ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………
10. Buatlah kesimpulan secara mandiri berdasarkan kegiatan yang telah dilakukan ini dengankreatif . ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………....
41
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
3. Energi Kinetik Mengapa anak dilepaskan
dari
panah yang
busurnya
dan
mengenai pohon bisa menembus pohon tersebut? Tentu Ananda dapat menjawabnya, yaitu karena anak panah
yang
bergerak
memiliki
energi. Energi apa yang dimiliki benda
tersebut?
Energi
yang
dimilikioleh benda yang bergerak inilah
yang
dinamakan
kinetik .Semakin
cepat
energi
benda
bergerak,maka semakin besar energi Sumber: http://auliatiwieipa3.blogspot.com/ kinetik yang dimilikinya.Jadi, setiap Gambar 11.Energi kinetik yang dimiliki anak panah, ketika anak panah dilepaskan dari busurnya.
benda
yang
bergerak,
dapat
dikatakan memiliki energi kinetik.
Bagaimana menentukan besar kecilnya energi kinetik yang terkandung dalam sebuah benda? Pertama, kita akan mengamati pengaruh massa benda terhadap besar kecilnya energi kinetik benda. Setelah menimbang semua kelereng dan memberi tanda, ternyata kelereng pertama massanya lebih besar dari pada kelereng kedua (m1>m2). Kemudian kedua kelereng dijatuhkan dari ketinggian tertentu pada tanah yang lembek, sehingga kelereng tersebut menimbulkan bekas pada tempat jatuhnya. Kita mengetahui bahwa kedua benda tersebut akan jatuh ketanah dalam waktu yang sama, yang berarti kelajuan kedua benda tersebut sama di setiap titip dalam lintasannya. Ternyata, bekas ditanah yang ditimbulkan oleh kedua benda berbeda, Benda m 1 atau m2 yang menimbulkan bekas yang lebih besar dan dalam? Ya benar, benda yang massanya lebih besar yakni m1membuat bekas yang besar dan dalam, sedangkan benda yang massanya lebih kecil hanya menimbulkan sedikit bekas pada tanah. Ini menunjukkan bahwa benda yang massanya besar melakukan usaha yang lebih besar, sedangkan benda yang massanya kecil melakukan usaha yang lebih kecil.
42
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI Nah, begitu juga dalam kehidupan sehari-hari, semakin banyak ananda menyediakan waktu untuk membaca maka semakin banyak ilmu pengetahuan yang ananda peroleh, dan sebaliknya semakin sedikit ananda menyediakan waktu untuk membaca maka semakin dangkal (sedikit) ilmu pengetahuan yang miliki. Sekarang, coba ananda pilih mana yang lebih sakit, dilempar bola kasti yang dengan kelajuantinggi, atau dilempar bola kasti dengan kelajuan kecil. Tentu yang pertama bukan? Nah, apa yang dapat ananda simpulkan? Dilempar bola kasti dengan kelajuan tinggi akan lebih menyakitkan, dari pada dilempar bola kasti dengan kelajuan kecil. Rasa sakit ini menunjukkan bahwa usaha yang dilakukan oleh tubuh kita untuk mengubah energi kinetik bola kasti dari keadaan diam menjadi bergerak sangat besar.
Berarti, semakin besar kelajuan benda maka semakin besar pula energi kinetik yang dimiliki benda tersebut. Begitu juga dalam kehidupan sehari-hari, semakin sering ananda mengulang pelajaran dirumah setiap hari, maka ilmu yang telah diperoleh akan bertambah dan bertambah setiap harinya. Dan begitu pula sebaliknya, apabila ananda tidak pernah mengulang pelajaran dirumah maka ilmu yang telah ananda dapatkan akan sia-sia. Berapakah besar energi kinetik yang tekandung dalam benda tersebut? Untuk menghitung besar kecilnya energi kinetik sebuah benda bermassa m yang sedang bergerak dengan kelajuan vkita bisa menurunkan persamaan-persamaan yang terkait. Kita mulai dari persamaan untuk jarak yang ditempuh benda bergerak dengan kelajuan vo, dan percepatan a, dalam waktu t :
s ∆
= vo+ a t 2
∆ s
= a t 2
untuk vo= 0, maka
(i)
kelajuan benda pada saat t dapat ditentukan dengan persamaan
v = v o+ a t v -v o= a t
−
t =
(ii)
masukkan nilai t pada persamaan (ii) ke persamaan (i) diperoleh
43
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
− 2 − ∆ s = ∆ s
= a
(iii)
Ananda sudah tahu bahwa usaha yang diperlukan untuk suatu benda adalah sebesar W = F ∆ s
−
=ma
W= m
Usaha sebesar W= m
ini merupakan usaha yang diperlukan untuk menghasilkan
perubahan kelajuan benda, yeng berarti sama dengan besarnya energi kinetik yang dimiliki benda pada saat kelajuannya sama dengan v. Dengan demikian, energi kinetik dapat kita tuliskan sebagai
Ek =
(10)
keterangan: Ek = energi kinetik ( J) m = massa benda (kg) v = kecepatan benda (m/s)
Sebuah benda bermassa m bergerak dengan kecepatan 20 m/s sehingga memiliki energi kinetik sebesar 250 joule. Berapakah energi benda tersebut jika kecepatannya menjadi 40 m/s ?
Penyelesaian Diketahui : v1 = 20 m/s v2 = 40 m/s Ek = 250 joule Ditanya :Ek = ? Jawaban : 1
2
Ek 1 =
(20)2
250 =
m . 400 = 500 m = 1,25 kg Berarti Ek dapat diperoleh: 2
= 1,25 . (40) 2
Ek 2=
= 1000 Joule
44
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI Dari Persamaan (10), Ananda dapat memahami bahwa energi kinetikbenda berbanding lurus dengan kuadrat kecepatannya.Apabila kecepatan benda meningkat dua kali lipat kecepatan semula, energi kinetik benda akannaik menjadi empat kali lipat. Dengan demikian, semakin besar kecepatan suatu benda, energi kinetiknya akan semakin besar pula. Perubahan energi kinetik benda dari
= menjadi = merupakan
besar usaha yang dilakukan oleh resultan gaya yang bekerja padabenda. Secara matematis, persamaannya dapat dituliskan sebagai
= 12 12 =
=∆(11)
Kerjakan soal dibawah ini secara mandiri.Dan jangan lupa teliti dan bersungguh-sungguh, agar soal dibawah ini dapat terselesaikan tepat waktu. 1. Sebuah bola dengan massa 0,5 kg dilemparkan vertikal ke atas dengan kecepatan 20 m/s. Jika percepatan gravitasi 10 m/s2, tentukan: a. energi potensial saat mencapai titik tertinggi, dan b. perubahan energi potensial saat bola berada pada ketinggian 5 m! ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ 2. Sebuah benda memiliki kecepatan 2,55 m/s dan mempunyai energi kinetik sebesar 300 joule. Berapakah kecepatan yang harus dimiliki benda itu agar kinetiknya sebesar 75 joule? ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................
45
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
Kompetensi Dasar 1.1 Bertambah keimanannya dengan menyadari hubungan keteraturan dan kompleksitas alam dan jagad raya terhadap kebesaran Tuhan yang menciptakannya. 1.2 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; teliti; 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. 2.2Menghargai kerja individu dan kelompok dalam aktivitas seharihari sebagai wujud implementasi melaksanakanpercobaan dan melaporkan hasil percobaan konsep energi, 3.3Menganalisis usaha, hubungan usaha dan perubahan energi, dan hukum kekekalan energi untuk menyelesaikan permasalahan gerak dalam kejadian sehari-hari 4.3Memecahkan masalah dengan menggunakan metode ilmiah terkait dengan konsep usaha, energi, daya, dan kekekalan energi
Indikator Pencapaian Kompetensi
1.1.1 Meyakini kebesaran Allah yang telah menciptakan semua yang ada di bumi diperuntukkan untuk umatNya agar dikelola dan dimanfaatkan dalam rangka mengabdi kepada Allah SWT 1.1.2 Bertanggung jawab merawat dan menjaga keseimbangan alam agar tidak terjadi kerusakan 2.1.1Menunjukkan perilaku jujur,disiplin,tanggung jawab, peduli, santun, responsif dan pro aktif dalam melakukan percobaan sebagai wujud implementasi sikap dalam melakukan percobaan dan berdiskusi 2.2.1Menghargai pendapat teman sebagai wujud implementasi dalam melaksanakan diskusi 3.3.1 Menjelaskan pengertian daya 3.3.2 Merumuskan bentuk hukum kekekalan energi mekanik 3.3.3 Menganalisis hukum kekekalan energi dalam menyelesaikan permasalahan dalam kejadian sehari-hari
46
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
Tujuan Setelah kegiatan mengamati, eksperimen, diskusi kelompok,
Karakter Religius, rasa
dalam pembelajaran hukum kekekalan energi mekanik dan daya
ingin
tahu,
diharapkan peserta didik dapat:
objektif,
jujur,
1.1.1
Bersyukur pada Allah SWT yang telah menciptakan
teliti,
kekekalan energi sehingga manusia dapat
tekun,
memanfaatkannya
bertanggung
Menunjukkan perilaku jujur,disiplin,tanggung jawab,
jawab,terbuka,
peduli, santun, responsif dan pro aktif dalam melakukan
kritis,
percobaan sebagai wujud implementasi sikap dalam
inovatif,
melakukan percobaan dan berdiskusi
lingkungan,
Memiliki rasa ingin tahu, objektif, cermat, hati-hati, kritis,
keterampilan
kreatif dan inovatif yang tinggi tentang konsep usaha,
menggunakan alat
konsep energi, hubungan usaha dan perubahan energi, dan
percobaan,
hukum kekekalan energi untuk menyelesaikan
melakukan
permasalahan gerak dalam kejadian sehari-hari
percobaan secara
Menghargai pendapat teman sebagai wujud implementasi
sistematis.
2.1.1
2.1.2
2.1.3
cermat, hati-hati,
kreatif, peduli
dalam melaksanakan diskusi 3.3.1
Merumuskan bentuk hukum kekekalan energi mekanik
3.3.2
Menganalisis hukum kekekalan energi dalam menyelesaikan permasalahan dalam kejadian sehari-hari
3.3.3
Mencoba melakukan percobaan tentang hukum kekekalan energi mekanik dan daya
47
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
Praktikum Daya
A. Tujuan Menghitung Daya Saat Menaiki Tangga B. Alat dan Bahan 1. Tangga 2. Stopwatch 3. Timbangan 4. Meteran C. Langkah Kerja 1. Timbanglah massa badan Ananda, kemudian konversikan satuannya dalam Newton dan masukkan datanya pada tabel yang telah tersedia. 2. Ukurlah tinggi tangga (h). 3. larilah ke atas tangga secepat yang Ananda mampu dan salah satu teman ananda menJalankan stopwatch 4. Hitunglah jumlah anak tangga yang Ananda lalui sambil berlari. 5. Hentikan stopwatch saat teman Ananda mencapai puncak tangga. 6. Ulangi langkah kerja 1 sampai 5 namun yang naik diatas tangga teman yang lainnya secara bergantian No
Nama Anggota Kelompok
Massa Badan (Kg)
Berat Badan (N)
Waktu (s)
Usaha (N/ m)
Daya (watt)
1 2 3 4
7. Hitunglah daya yang telah Ananda keluarkan saat berlari menaiki tangga menurut persamaan berikut,
8. Setelah data diperoleh coba bandingkan hasilnya, samakah daya yang Ananda keluarkan dengan teman Anda? Mengapa demikian? Diskusikan lah dengan teman sekelompokmu ! …………………………………………………………………………................... ……………………………………………………………………………………....
9. Buatlah kesimpulan secara mandiri berdasarkan kegiatan yang telah dilakukan ini dengankreatif . ………………………………………………………………………………………
49
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
Dalam bahasa sehari-hari kita sering menggunaan kata-kata daya. Apakah pengertian daya tersebut? Apakah sama pengertian daya menurut fisika dengan kehidupan sehari-hari? Untuk mengetahuinya ikuti uraian dibawah ini. Dari percobaan yang telah ananda lakukan, bagaimana lama waktu yang dibutuhkan oleh setiap anggota kelompok untuk menaikki tangga? Apakah sama?Tentu berbeda kan? Mengapa demikian?Tentunya daya yang lebih besar memerlukan waktu yang lebih sedikit untuk menaikki tangga. Dan begitu pula sebaliknya yang memerlukan waktu yang lama untuk menaiki tangga berarti mempunyai daya yang kecil.
Begitu juga dalam mempelajari ilmu Fisika, apabila ananda
mempunyai
kemampuan
yang
kurang,
maka
dibutuhkan usaha yang lebih. Usaha tersebut misalnya bertanya apabila tidak mengerti ketika pembelajaran fisika, mengerjakan semua tugas yang diberikan guru, belajar
dirumah
terlebih
dahulu
sebelum
kegiatan
pembelajaran dilakukan, rajin membaca atau mecari informasi di internet mengenai materi yang akan dipelajari. Apabila hal tersebut telah ananda lakukan maka pelajaran Fisika akan menjadi menyenangkan dan kata-kata yang telah tertanam dalam diri ananda mengenai fisika itu sulit akan hilang dengan sendirinya. Secara fisika dayadidefenisikan sebagai laju melakukan usaha atau kemampuan untuk melakukan usaha tiap satuan waktu, yang ditulis dengan persamaan,
=
(12)
keterangan: P
= daya (watt)
W
= usaha (joule)
t
= waktu (sekon)
Untuk mesin-mesin, termasuk yang digunakan untuk menyatakan daya mesin mobil, biasa digunakan satuan horsepower (hp), dengan konfersi 1 hp = 746 watt
50
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI Bagaimanakah kita menghitung daya ketika sebuah gaya F sedemikian rupa sehingga sebuah benda berpindah sejauh s?Misalnya, daya mobil yang telah bergerak sejauh s meter dengan kecepatan yang tetap. Dari persamaan 12 dapat kita ketahui,
= = =
(13)
Dari persamaan 10 kita juga bisa menyatakan besarnya 1 kWh = ( 1 kW ) (1 jam) = (1000 W) (3600 s) = 3,6 x 10 6
usaha dengan satuan lain, yang sering digunakan untuk menyatakan energi listrik, yaitu kilo watt (kWh = kilowatt-hour).
Sebuah mesin pesawat terbang mampu memberikan gaya dorong sebesar 20.000 N. Berapakah daya yang dihasilkan mesin ketika pesawat mengangkasa dengan kecepatan 250 m/s?
Penyelesaian Diketahui :F = 20.000 N v = 250 m/s Ditanya: P = ? Jawaban : P = F v = (20.000 N)(250 m/s) = 5.000.000 watt Ananda telah mempelajari bahwa energi akan terasa manfaatnya ketikaenergi tersebut berubah bentuk menjadi energi lain, seperti energi listrik akanterasa manfaatnya jika berubah menjadi cahaya, gerak, panas, atau bentukenergi yang lainnya. Akan tetapi, alat atau mesin pengubah energi tidakmungkin mengubah seluruh energi yang diterimanya menjadi energi yang bermanfaat. Sebagian energi akan berubah menjadi energi yang tidakbermanfaat atau terbuang yang biasanya dalam bentuk energi kalor ataupanas. Perbandingan antara energi yang bermanfaat (keluaran) dan energi yangditerima oleh alat pengubah energi (masukan) disebut efisiensi(µ).Secaramatematis dituliskan sebagai berikut.
µ = 100%
(14)
51
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
Sebuah mesin yang memiliki daya 1.800 watt mampu mengangkat beban sebesar1.200 N sampai ketinggian 50 m dalam waktu 20 sekon.Berapakah efisiensi motor itu?
Penyelesaian Diketahui : P = 1.800 watt F = 1.200 N s = 50 m t = 20 s Ditanya: = ? Jawaban :
µ
µ = 100 µ = 100% 20 100% µ = 1800 1200 50 µ=60%
1. Carilah di internet atau di buku-buku lainnya yang relevan fakta mengenai roller coaster ! Adakah kaitan gerak roller coaster dengan hukum kekekalan energi mekanik? 2. Cari 5 soal beserta pembahasannya pada buku fisika berdasarkan rumusan usaha, energi dan daya !
Kerjakan secara mandiri ya…., Dan jangan lupa lampirkan buku sumbernya, semakin banyak buku sumber yang digunakan semakin tinggi nilai yang diperoleh.
52
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
Dalam proses melakukan usaha, benda yang melakukan usaha itu memindahkan energi yang dimilikinya ke benda lain. Energi yang dimiliki benda agar benda itu dapat melakukan usaha dinamakan energi mekanik. Sebagai contoh sederhana, misalkan ananda menjatuhkan batu dari ketinggian h, seperti padaGambar 12.Gesekan udara dengan batu kita abaikan.Saat dijatuhkan, batu itu hanya memiliki EP gravitasi.Seiring dengan jatuhnya batu, EP tersebut mengecil (karena h mengecil),namun sebagaikompensasinya EK membesar.Ketika batu tersebut tepat saat menyentuh tanah, semua EP gravitasi berubahmenjadi EK.Bagaimana penjumlahan kedua energi tersebut? Apakah sama? Tentu ya, jumlah total kedua energi inilah yang dikatakan energi mekanik. Dengan
demikian,
energi
mekanik
dapat
didefinisikan sebagai jumlah energi potensial dan energi kinetik yang dimiliki oleh suatu benda, atau disebut juga energi total.Besarnya energi mekanik suatu benda selalu tetap, sedangkan energi kinetik dan
energi
potensialnya
ubah.Penulisannya
secara
dapat matematis
berubahadalah Gambar 11.EP batu berubah menjadi EK
sebagai berikut.
saat batu jatuh.
=
(15)
keterangan: EM = Energi mekanik (joule) EP
= Energi potensial (joule)
EK
= Energi kinetik (joule)
Hukum kekekalan energi mekanik menyatakan bahwa energi mekanik yang dimiliki oleh
sebuah benda adalah kekal (tetap). Pernyataan ini ses uai dengan pernyataan hukum kekekalan energi secara umum, yaitu energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi hanya dapat diubah dari bentuk yang satu ke bentuk yang lain.
53
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI Dalam kehidupan kita sehari-hari, segala sesuatu yang kita perbuat maka itu pula yang akan kita tuai, apabila kita berbuat baik, maka balasannya juga akan baik. Begitu pula sebaliknya apabila kita berbuat tidak baik maka kita akan mendapatkan
hasil yang tidak baik juga.Hal ini juga dijelaskan oleh Allah SWT terlebih dalam surat AlAn’am (6): 160, yang artinya : Barangsiapa membawa amal yang baik, maka baginya (pahala) sepuluh kali lipat amalnya; dan barangsiapa yang membawa perbuatan jahat maka dia tidak diberi pembalasan melainkan seimbang dengan kejahatannya, sedang mereka sedikitpun tidak dianiaya (dirugikan). Pada Gambar 11. terlihat bahwa batu yang jatuh bebas akan mengalami perubahan energi kinetik dan energi potensial gravitasi. Misalkan batu tersebut dilepaskan dari ketinggian h1 dari permukaan tanah, batu memiliki v1.Setelah mencapai ketinggian h2 dari permukaan tanah, kecepatan batu berubah menjadi v2.Saat batu berada di ketinggian h1, energi potensial gravitasinya adalah EP 1 dan energi kinetiknya EK 1.Saat batu mencapai ketinggian h2, energi potensialnya dinyatakan sebagai EP 2 dan energi kinetiknya EK 2. Ananda telah mempelajari bahwa perubahan energi kinetik dan energi potensial benda adalah usaha yang dilakukan gaya pada benda. Dengan demikian, dapat dituliskan,
= = = ℎ =ℎ
(16)
Persamaan 16ini disebut Hukum Kekekalan Energi Mekanik.
Rumusan hukum kekekalan energi mekanikdiatas hanya berlaku apabila dalam berubah bentuk dari energi yang potensial menjadi energi kinetik atau sebaliknya, tidak ada energi yang hilang .
Sebuah benda bermassa 2 kg jatuh bebas dari ketinggian 20 m dari atas tanah. Hitunglah: a. Energi potensial setelah benda bergerak 1 sekon b. Usaha yang dilakukan gaya berat pada saat ketinggian benda 10 m
Penyelesaian Diketahui : m = 2 kg h1 = 20 m h2 = 20 m
54
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
Ditanya:
a. EP 2= ? b. W = ?
Jawaban:
t = 1 s h2 = 10 m
a) Energi potensial benda: s =Vo t + g t2
s = 0 (1 s) + (10 m/s2) (1 s)2 s=5m W = EP1 – EP2 EP2 = EP1 – W = m g h1 – m g s = m g (h1 - s) = 2 kg. 10 m/s 2 (20 m – 5 m) = 300 J b) Usaha sama dengan perubahan energi potensial: W = ΔEP = m g (h1 – h2) = 2 kg. 10 m/s 2 (20 m – 10 m) = 200 J
Seorang anak menaikki roller coaster, pada ia saat berada di ketinggian 100 m, kecepaan roller coaster adalah 10 m/s2. Hal ini terlihat seperti pada gambar dibawah !
Berapakah kecepatan roller coaster saat berada di titik B?
Penyelesaian Diketahui : h1 = 100 m h2 = 50 m v1 = 10 m/s2 Ditanya: v2 = ? Jawaban: Energi mekanik adalah jumlah energi potensial dan energi kinetik
= = = ℎ 12 =ℎ 12
55
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
ℎ 12 = ℎ 12 10/ 100 12 10/ = 10/ 50 12 1000 12 100 / =500 12 1000 500 50 / = 12 550 / = 12 1100 / = = 1100 / = 33, 17 /
Kerjakan soal dibawah ini secara berkelompok. Setiap anggota kelompok harus mengerti dan memahami penyelesaian soal dengan baik, sehingga masing-masing anggotabisamempertanggungjawabkan pilihan jawaban. Dan jangan lupa jalinlah kerja sama yang baik sesama anggota kelompokmu, agar soal dibawah ini dapat terselesaikan tepat waktu. 1. Perhatikan gambar di samping! Sebuah benda bermassa 0,25 kg bergerak dengan kecepatan 5 m/s di titik A . hitunglah kecepatan benda di titik C , jika g sebesar 10 m/s2!
2.
Pada gambar di samping, benda yang beratnya 20 N meluncur sejauh 2 m. Apabila gesekan antara benda dan bidang miring diabaikan, tentukan usaha yang dilakukan oleh gaya berat!
56
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
1. Amiringin membantu ayahnya mendorong mobil yang mogok, tetapi mobil itu tetap tidak bergerak. Usaha yang dilakukan Amir adalah… A. Minimum D. Maksimpum B. Nol E. Tetap C. A Dan E Benar 2. Dua orang anak sedang menarik sebuah koper sejauh 8 m. Apabila masingmasing anak mengkerahkan gayasebesar 150 N dan 165 N dalam satu arah,usaha total yang lakukan kedua anak adalah… A. 3230 J B. 3405 J C. 3660 J
D. 3740 J E. 3760 J
3. Sebuah kotak bergerak di atas bidang datar yang licin, kemudian ditahan oleh seorang anak dengan gaya 60 N, ternyata kotak tersebut berhenti pada jarak 180 m. Besar usaha pengeremanyang dilakukan oleh anak itu adalah …. A. 10000 J D. 11800 J B. 18000 J E. 12800 J C. 10800 J 4. Perhatikan gambar dibawah ini! Untuk memindahkan benda sejauh 10 m, gaya F melakukan usaha se besar 100 J. Dalam hal ini besar gaya F adalah ….
A. 15 N B. 20 N C. 25 N
D. 30 N E. 35 N
5. Sebuah balok bermassa 150 kg ditarik oleh gaya F = 200 N dengan arah 37 o terhadap horizontal (sin 37o = 0,6). Jika balok dapat berpindah sejauh 15 m maka berapakah usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut? A. 1800 joule D. 2000 joule B. 2400 joule E. 2600 joule C. 2800 joule
57
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
6. Untuk menarik sebuah kereta mainan adik memerlukan gaya sebesar 22 N, dengan posisi seperti terlihat pada gambar.
Jika diberikan usaha sebesar 33 joule, kereta mainan bergeser sejauh 3 m ke kanan. Maka sudut pada gambar tersebut adalah … A. 30° D. 53° B. 37° E. 60° C. 45°
7. Perhatikan gambar grafik di bawah ini ! Grafik di samping menyatakan gaya yang besarnya berubah-ubah bekerja pada suatu benda, menyebabkan benda berpindah sejauh 8 meter. Tentukanlah besar usaha yang dilakukan… A. 45 joule D. 48 joule B. 46 joule E. 49 joule C. 47 joule 8. Bila sebuah benda dijatuhkan tanda kecepatan awal (jatuh bebas) dan gesekan udara diabaikan, maka …. A. Energi potensialnya bertambah B. Energi potensialnya berkurang C. Energi kinetiknya berkurang D. Energi kinetiknya tetap E. Energi mekaniknya berkurang 9. Diantara kasus berikut ini: (1) air yang berada di tempat yang tinggi, (2) busur panah yang meregang, (3) bola yang menggelinding di lantai. Benda yang memiliki energi potensial adalah benda pada kasus nomor …. A. (1), (2) dan (3) D. (1) saja B. (1) dan (2) E. (3) saja C. (2) dan (3) 10. Sebuah bola besi massanya 0,2 kg dilempar vertikal ke atas. Energi potensial benda pada ketinggian maksimum ialah 40 J. Bila g = 10 m/s 2, maka ketinggian maksimum yang dicapai benda tersebut ialah… A. 2 m D.40 m B. 20 m E. 80 m C. 22 m
58
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
11. Sebuah benda bermassa 15 kg jatuh bebas dari ketinggian 20 m dari atas tanah seperti pada gambar disamping ini. Berapakah usaha yang dilakukan gaya berat pada saat ketinggian benda 10 m? A. 150 joule D.1200 joule B. 600 joule E. 1500 joule C. 900 joule 12. Jika sebuah bola bermassa 1 kg menggelinding dengan kelajuan tetap 4 m/s maka energi kinetik bola adala… A. 10 joule D. 4 joule B. 8 joule E. 2 joule C. 6 joule 13. Sebuah motor bermassa 100 kg mula-mula diam, kemudian motor tersebut dikendarai oleh Toni. Jika motor bergerak lurus dengan percepatan 3 m/s 2, maka: 1) Kecepatan motor setelah 2 sekon adalah 6 m/s. 2) Energi kinetik yang dimiliki motor 2500 j. 3) Usaha yang diubah menjadi energi kinetik setelah 2 sekon adalah 1800 j. 4) Motor berhenti setelah menempuh jarak 12,5 m. Pernyataan di atas yang benar adalah… A. 1), 2), dan 3) B. 1) dan 3) C. 2) dan 4) D. 4) saja E. semua benar 14. Sebuah bola besi bermassa 20 kg jatuh bebas dari ketinggian 4 m diatas hamparan pasir. Sesampainya dipermukaan pasir bola besi tersebut bisa masuk sedalam 5 cm. Berapakah gaya tahan pasir terhadap bola? A. 10000 N D. 16000 N B. 12000 N E. 18000 N C. 14000 N 15. Saat sebuah peluru ditembakkan vertikal ke atas dari permukaan tanah, berlaku . . . . 1) Di permukaan tanah energi kinetik minimum 2) Di permukaan tanah energi potensial maksimum 3) Di titik tertinggi energi kinetik maksimum 4) Di titik tertinggi energi potensial maksimum Dari pernyataan di atas yang benar adalah . . . . A. 1), 2), dan 3) D. 4) saja B. 1) dan 3) E. Semua benar C. 2) dan 4) 16. Mesin truk Pak Bonar mempunyai kekuatan 1.000 daya kuda (hp). Jika 1 hp = 746 watt maka daya keluaran mesin dengan ef isiensi mesin 90 % adalah… A. 746105 Watt D. 671405 Watt B. 746104 Watt E. 671400 Watt C. 746103 Watt
59
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
17. Seorang petugas PLN bermassa 65 kg sedang menaiki tangga untuk memperbaiki jaringan listrik pada sebuah tiang listrik dalam waktu 4 menit . Jika tangga terdiri dari 20 anak tangga dan panjang setiap anak tangga adalah 30 cm. Maka daya yang dihasilkan orang tersebut adalah( g = 10 m/s2)… A. 16,25 watt D. 49,55 watt B. 29,75 watt E. 52,25 watt C. 48,75 watt 18. Bila hukum kekekalan energi berlaku untuk suatu sistem, maka …. A. Jumlah energi kinetik dan energi potensial sistem adalah tetap B. Energi kinetik sistem tidak berubah C. Energi potensial sistem selalu bertambah D. Jumlah energi kinetik dan energi potensial sistem selalu bertambah E. Energi Kinetik selalu sama dengan energi potensial di semua ti tik 19. Anak panah yang bermassa 80 gram ditembakkan dari busur. Busur tersebut direnggangkan padajarak 80 cm, sehingga menghasilkan rerata gaya pegas sebesar 90 Npada anak panah itu. Maka kelajuan anak panah saat terlepasdari busurnya adalah… A. 10 m/s B. 20 m/s C. 30 m/s D. 40 m/s E. 50 m/s 20. Seorang anak bermassa 4 kg meluncur pada sebuah bidang lengkung PQ yang licin seperti pada gambar di samping. Apabila dari permukaan tanah ketinggian titik P sama dengan 8 meter, sedangkan g = 10 m/s 2, maka ketinggian anak dari permukaan tanah pada saat kecepatannya 4 m/sadalah... A. 7,0m D. 7,6 m B. 7,2 m E. 7,8 m C. 7,4 m
60
Bahan Ajar Fisika Bermuatan Nilai-nilai Nilia-nilai Karakter Kelas XI
1. 2. 3. 4. 5.
A B D B A
6. E 7. E 8. B 9. B 10. B
11. E 12. B 13. B 14. D 15. D
16. E 17. A 18. A 19. C 20. B
Cocokkan hasil jawaban ananda dengan kunci jawaban yang ada dibagian atas. Hitunglah jumlah jawaban anandayang benar. Kemudian gunakan rumus dibawah ini untuk mengetahui tingkat penguasaananandaterhadap materi pelajaran. Rumus:
= ℎ 100% 20
Arti tingkat penguasaan yang ananda capai adalah: 90% - 100% = baik sekali 80% - 90% = baik 70% - 80% = cukup - 69% = kurang Kalau ananda mencapai tingkat penguasaan 80% keatas, ananda dapat meneruskan ke materiselanjutnya. Bagus! Tetapi, jika tingkat penguasaan ananda masih dibawah 80%, ananda harus mengulangi membaca dan mengerjakan latihan yang ada pada bahan ajar ini, terutama pada bagian yang belum anandakuasai.
61