Tinjauan Pustaka
5. Standar Kompetensi, Kompetensi Dasar, Indikator dan Materi
Pokok Fisika SMA Kelas XI Semester I
Berdasarkan standar kompetensi Fisika SMA dan MA yang diterbitkan oleh Pusat Kurikulum Badan Penelitian dan Pengembangan Departemen Pendidikan Nasional tahun 2003, standar kompetensi Fisika yang diberikan kepada siswa SMA kelas XI semester 1 adalah mendeskripsikan gejala alam dalam cakupan mekanika klasik sistem diskret (partikel).
Standar kompetensi : 3. Mendeskripsikan gejala alam dalam cakupan mekanika
klasik sistem diskret (partikel).
Tabel 2.3 Kompetensi Dasar, Indikator dan Materi Pokok Mata Pelajaran
Fisika Kelas XI Semester 1. KOMPETENSI DASAR
INDIKATOR
MATERI POKOK
3.4 Mendeskripsikan karakteristik gerak melalui analsis vektor
· Menentukan hubungan x – t, v – t, dan a – t melalui grafik
· Menganalisis gerak tanpa
percepatan dan gerak dengan percepatan tetap
Kinematika
commit to user
· Menentukan persamaan
fungsi sudut, kecepatan sudut dan percepatan sudut pada gerak melingkar
3.5 Menginterpretasikan hikum-hukum Newton dan penerapannya pada gerak benda
· Membedakan antara koefisien
gesekan statis dan gesekan kinetis
· Menganalisis gerak benda
pada bidang miring di bawah pengaruh gaya gesekan
· Menyatakan hukum Newton
tentang gravitasi, sebagai gaya medan yang berhubungan dengan gaya antara dua benda bermassa dan penerapannya
· Menyatakan hukum-hukum newton tentang gerak dan
gravitasi pada gerak planet · Menentukan kaitan konsep
gaya pegas dengan sifat elastisitas bahan
· Menganalisis gerak di bawah
pengaruh gaya pegas
Dinamika
3.6 Membedakan konsep energi, usaha, dan daya serta mampu mencari hubungan antara usaha dan perubahan energi
· Memformulasikan hubungan
antara gaya, energi, usaha, dan daya ke dalam bentuk persamaan
· Menunjukkan hubungan
antara usaha dengan
Usaha dan Energi
commit to user commit to user
perubahan energi kinetik · Memformulasikan konsep
daya ke dalam bentuk persamaan dan hubungannya dengan usaha dan energi
3.7 Menerapkan hukum kekekalan energi mekanik dalam kehidupan sehari-hari
· Merumuskan hubungan
antara medan konservatif dengan energi potensial dan hukum kekekalan energi mekanik
· Merumuskan hukum kekekalan energi mekanik
pada medan gaya konservatif · Menerapkan hukum
kekekalan energi mekanik dalam kehidupan sehari-hari
3.8 Menemukan hubungan antara konsep impuls dan momentum, berdasarkan pada hukum Newton tentang gerak, dan hukum kekekalan momentum linier untuk menyelesaikan masalah pada tumbukan
· Memformulasikan konsep
impuls dan momentum serta keterkaitan antara keduanya
· Merumuskan hukum
kekekalan momentum untuk sistem tanpa gaya luar
· Menerapkan prinsip
kekekalan momentum untuk menyelesaikan masalah yang menyangkut interaksi melalui gaya-gaya internal
· Mengintegrasikan hukum
kekekalan energi dan
Momentum Linier dan Impuls
commit to user commit to user
(Pusat Kurikulum, 2003: 29)
6. Materi Fisika SMA Kelas XI Semester 1
Materi di bawah ini merupakan rangkuman dari buku Fisika Universitas (Young & Freedman, 2002: 164-216) Berdasarkan standar kompetensi yang telah dituliskan di atas, maka berikut adalah materi pokok Usaha, Energi dan Daya yang diberikan pada siswa SMA Kelas XI Semester 1:
a. Usaha dan Energi
Energi adalah besaran yang dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Kerja atau Usaha (work) W yang dilakukan oleh gaya konstan F yang bekerja pada benda adalah
Satuan usaha dalam SI adalah Joule (J), di mana 1 J = 1 Nm. Usaha adalah hasil kali skalar antara dua vektor.
෨ ⌘ cos
(2.3) di mana adalah sudut yang terbentuk antara dan .
Percepatan partikel ketika diberikan gaya konstan adalah konstan, maka dapat digunakan hukum kedua Newton, ⌘
i. Misalkan laju berubah dari ௰ ke
ketika partikel melakukan perpindahan ௰ dari titik ௰ ke . Maka dengan persamaan Gerak Lurus Berubah Beraturan didapatkan
2i
Maka didapatkan persamaan dari hukum kedua Newton
commit to user
2 ௰ (2.4) Besarnya
dinamakan energi kinetik (kinetic energy):
2 (2.5) Berdasarkan persamaan (2.4) dapat disimpulkan bahwa usaha atau kerja
yang dilakukan oleh gaya total pada partikel sama dengan perubahan energi kinetik partikel:
(2.6) Daya (power) adalah laju waktu di mana kerja dilakukan. Seperti energi, daya adalah Besaran skalar. Ketika jumlah kerja ∆෨ dilakukan selama selang waktu ∆ , kerja rata-rata yang dilakukan per satuan waktu atau daya rata-rata (average power) ƼǴ didefinisikan sebagai
∆ (2.7) Sedangkan daya sesaat (instantaneous power) bisa didapatkan dengan
membuat ∆ mendekati nol:
(2.8) Satuan SI untuk daya adalah watt (W). 1 W = 1 J/s. Satuan lainnya adalah
horsepower /tenaga kuda (hp) di mana 1 hp = 746 W = 0,746 kW. Satuan komersial yang umum pada energi listrik adalah kilowatt-hour (kWh).
1 kWh = (10 3 J/s) (3600 s) = 3,6 10 6 J = 3,6 MJ
Kilowatt-hour adalah satuan kerja atau usaha bukan satuan daya.
commit to user
Gambar 2.1 Kerja (usaha) yang Dilakuakan
oleh Gaya Gravitasi
Kedua contoh di atas tersebut menjelaskan energi yang berhubungan dengan posisi suatu benda pada suatu sistem. Untuk alasan ini, energi yang berhubungan dengan posisi dinamakan energi potensial (potential energy). Energi yang berhubungan dengan berat dan ketinggian suatu benda relatif terhadap tanah disebut dengan energi potensial gravitasi.
Kerja yang dilakukan oleh gaya berat adalah:
෨ ᶸƼ a ⌘
(2.9) di mana
adalah gaya berat dengan persamaan
Ė, gaya yang diakibatkan oleh percepatan gravitasi.
(2.10) Maka kerja yang dilakukan oleh gaya gravitasi:
෨ ᶸƼ a
(2.11) Tanda negatif di depan ∆ merupakan hal penting. Ketika benda bergerak naik, y akan semakin besar, kerja yang dilakukan oleh gaya gravitasi akan
negatif, maka energi potensial gravitasi akan bertambah ( ∆
0 ). Sebaliknya ketika benda turun, y akan berkurang, gaya gravitasi akan melakukan kerja positif maka energi potensial gravitasi akan berkurang (( ∆
commit to user commit to user
dan dapat dituliskan sebagai
didefinisikan dari energi kinetik dan energi potensial sebagai
, energi mekanik total (total mechanical energy) dari sistem. Yang dimaksud sistem adalah benda bermassa m dan Bumi dihitung jadi satu. Ketika posisi ú ௰ dan ú merupakan 2 titik yang berbeda selama pergerakan benda, maka energi mekanik total E akan bernilai sama untuk semua titik selama gerak:
konstan
(2.14) Jika ada usaha atau kerja yang berasal dari gaya lain yang bekerja pada sistem, maka persamaan menjadi
(2.16) Besaran yang selalu memberikan nilai yang sama dinamakan Besaran yang
kekal. Ketika hanya gaya gravitasi yang bekerja, maka energi mekanik total akan konstan, jadi energi tersebut kekal. Hal di atas merupakan contoh dari kekekalan energi mekanik (conservation of mechanical energy ).
commit to user
Gambar 2.2 Model untuk Gerak Periodik Ketika benda bermassa yang terkait pada pegas (Gambar 2.2) dipindahkan, kerja yang harus dilakukan pada pegas untuk memindahkan satu ujung yang dari perpanjangan ௰ ke perpanjangan lain adalah:
2 (2.17) Subskrip “el” pada ෨ : menandakan arti elastis.
Seperti halnya pada kerja gravitasi, kerja yang dilakukan oleh pegas dapat dinyatakan dalam bentuk Besaran yang diberikan sebagai
fungsi perpindahan awal dan akhir. Besaran ini adalah
௰ , yang didefinisikan sebagai energi potensial elastis (elastic potential energy):
Teori kerja energi menyatakan bahwa ෨ ǴǴ
௰ , dengan tidak memperhatikan gaya-gaya apa saja yang bekerja pada benda. Jika
gaya elastis merupakan satu-satunya gaya yang bekerja pada benda, maka
Teori kerja-energi ෨ ǴǴ
௰ , akan memberikan:
commit to user
Pada kasus ini energi mekanik total (penjumlahan energi kinetik dan energi potensial elastis) akan kekal. Agar persamaan (2.21)
berlaku dengan benar, maka pegas ideal yang telah dibicarakan harus tidak bermassa. Jika pegas tersebut memiliki massa, maka pegas juga akan memiliki energi kinetik pada saat bergerak maju dan mundur. Energi kinetik pada pegas dapat diabaikan jika massa pegas lebih kecil dari massa benda m, yang diikat pada pegas.
Jika ada gaya lain yang bekerja pada sistem ini maka persamaan menjadi:
2 (2.23) Persamaan ini menujukkan bahwa kerja yang dilakukan oleh semua gaya
selain gaya elastis sama dengan perubahan energi mekanik total
dari suatu sistem, di mana
adalah energi gaya elastis pegas. “sistem” yang dimaksud terdiri dari massa benda m, dan konstanta pegas k. Sebuah gaya yang mampu menghasilkan perubahan dua arah
antara energi kinetik dan energi potensial dinamakan gaya konservatif (conservative force). Contoh gaya konsertvatif adalah gaya gravitasi dan gaya pegas. Ciri penting dari gaya konservatif adalah kerja yang dihasilkannya selalu reversible (dapat diubah kembali ke asalnya). Aspek lain dari gaya konservatif adalah bahwa sebuah benda dapat berpindah dari titik 1 ke titik 2 dengan berbagai lintasan, tetapi kerja yang dilakukan oleh gaya konservatif akan tetap sama untuk setiap lintasan.
Kerja yang dilakukan oleh gaya konservatif selalu memiliki sifat- sifat berikut ini:
1) Dapat selalu dinyatakan sebagai perbedaan antara nilai awal dengan nilai akhir dari fungsi energi potensial.
2) Bersifat reversibel (bisa bolak-balik).
3) Tidak tergantung pada lintasan benda dan hanya tergantung pada titik awal dan titik akhir lintasan.
commit to user commit to user