Menguasai Fisika Kelas X Semester 2: Panduan Lengkap Contoh Soal UAS

Memasuki semester genap di kelas X, para siswa akan dihadapkan pada berbagai konsep fisika yang semakin mendalam. Setelah menguasai dasar-dasar di semester pertama, materi fisika kelas X semester 2 akan membawa kita pada pemahaman yang lebih komprehensif mengenai berbagai fenomena alam, mulai dari gerak yang lebih kompleks hingga konsep energi dan usaha. Ujian Akhir Semester (UAS) menjadi gerbang untuk mengukur sejauh mana pemahaman ini telah tertanam.

Artikel ini hadir sebagai panduan komprehensif bagi Anda, para siswa kelas X, untuk mempersiapkan diri menghadapi UAS Fisika Semester 2. Kita akan membahas contoh-contoh soal yang mencakup berbagai topik penting, disertai dengan penjelasan mendalam mengenai konsep di baliknya, strategi penyelesaian, dan tips agar Anda dapat menjawab soal-soal tersebut dengan percaya diri dan tepat. Dengan latihan yang terarah, Anda tidak hanya akan siap menghadapi ujian, tetapi juga membangun fondasi yang kuat untuk pemahaman fisika di tingkat selanjutnya.

Topik-Topik Kunci dalam Fisika Kelas X Semester 2

Sebelum kita menyelami contoh soal, mari kita tinjau kembali topik-topik utama yang umumnya dibahas dalam kurikulum Fisika Kelas X Semester 2:

1. Kinematika Gerak Lurus Berubah Beraturan (GLBB): Mempelajari gerak dengan percepatan konstan, termasuk konsep kecepatan, percepatan, dan perpindahan dalam satu dimensi.
2. Dinamika Gerak Lurus: Menerapkan Hukum Newton tentang Gerak untuk menganalisis gaya-gaya yang bekerja pada benda dan dampaknya terhadap gerakan. Termasuk gaya gesek, gaya normal, dan gaya tegangan tali.
3. Usaha dan Energi: Konsep usaha yang dilakukan oleh gaya, energi kinetik, energi potensial (gravitasi), dan hukum kekekalan energi mekanik.
4. Momentum dan Impuls: Memahami momentum sebagai ukuran gerak dan impuls sebagai perubahan momentum, serta hukum kekekalan momentum.
5. Gerak Melingkar: Menganalisis gerak benda yang menempuh lintasan lingkaran, termasuk kecepatan linear, kecepatan sudut, percepatan sentripetal, dan gaya sentripetal.
6. Penerapan Hukum Newton pada Sistem: Menggabungkan Hukum Newton untuk menganalisis sistem yang terdiri dari beberapa benda yang saling berinteraksi, seperti katrol atau benda di bidang miring.

Setiap topik ini memiliki kekhasan dan rumus-rumus kunci yang perlu dikuasai. Mari kita mulai dengan melihat contoh soalnya.

Contoh Soal UAS Fisika Kelas X Semester 2 dan Pembahasannya

Bagian 1: Kinematika Gerak Lurus Berubah Beraturan (GLBB)

Soal 1: Sebuah mobil bergerak dari keadaan diam dan mengalami percepatan konstan sebesar 2 m/s². Berapa kecepatan mobil tersebut setelah bergerak selama 10 detik? Berapa pula jarak yang ditempuhnya selama waktu tersebut?

Konsep Kunci:
GLBB adalah gerak dengan percepatan konstan. Rumus-rumus utama yang digunakan adalah:

• $v_t = v_0 + at$
• $s = v_0t + frac12at^2$
• $v_t^2 = v_0^2 + 2as$

Dimana:

• $v_t$ = kecepatan akhir
• $v_0$ = kecepatan awal
• $a$ = percepatan
• $t$ = waktu
• $s$ = perpindahan (jarak)

Pembahasan:
Diketahui:

• Keadaan diam berarti kecepatan awal ($v_0$) = 0 m/s.
• Percepatan ($a$) = 2 m/s².
• Waktu ($t$) = 10 detik.

Menghitung Kecepatan Akhir:
Kita gunakan rumus $v_t = v_0 + at$.
$v_t = 0 , textm/s + (2 , textm/s^2)(10 , texts)$
$v_t = 20 , textm/s$

Jadi, kecepatan mobil setelah 10 detik adalah 20 m/s.

Menghitung Jarak Tempuh:
Kita gunakan rumus $s = v_0t + frac12at^2$.
$s = (0 , textm/s)(10 , texts) + frac12(2 , textm/s^2)(10 , texts)^2$
$s = 0 + frac12(2 , textm/s^2)(100 , texts^2)$
$s = 100 , textm$

Jadi, jarak yang ditempuh mobil selama 10 detik adalah 100 meter.

Bagian 2: Dinamika Gerak Lurus dan Hukum Newton

Soal 2: Sebuah balok bermassa 5 kg ditarik di atas permukaan horizontal licin oleh gaya horizontal sebesar 20 N. Tentukan percepatan yang dialami balok tersebut! Jika permukaan kasar dengan koefisien gesek kinetik $mu_k = 0.2$, berapakah percepatan balok sekarang? (g = 10 m/s²)

Konsep Kunci:
Hukum II Newton menyatakan bahwa resultan gaya yang bekerja pada suatu benda berbanding lurus dengan percepatan benda tersebut dan berbanding terbalik dengan massanya. Rumusnya adalah $sum F = ma$.

• Gaya Gesek Kinetik ($f_k$): Muncul ketika benda bergerak dan berlawanan arah dengan gerakan. Besarnya $f_k = mu_k N$, di mana $N$ adalah gaya normal.
• Gaya Normal ($N$): Gaya yang tegak lurus permukaan yang menopang benda. Pada permukaan horizontal, $N = mg$.

Pembahasan:
Diketahui:

• Massa balok ($m$) = 5 kg.
• Gaya tarik ($F$) = 20 N.
• Percepatan gravitasi ($g$) = 10 m/s².
• Koefisien gesek kinetik ($mu_k$) = 0.2 (untuk kasus kedua).

Kasus 1: Permukaan Licin
Karena permukaan licin, tidak ada gaya gesek yang bekerja. Resultan gaya yang bekerja pada arah horizontal hanya gaya tarik.
$sum F_x = F$
$ma = F$
$a = fracFm$
$a = frac20 , textN5 , textkg$
$a = 4 , textm/s^2$

Jadi, percepatan balok di permukaan licin adalah 4 m/s².

Kasus 2: Permukaan Kasar ($mu_k = 0.2$)
Pada kasus ini, ada gaya gesek kinetik yang berlawanan arah dengan gaya tarik.
Pertama, kita hitung gaya normal ($N$). Karena balok di permukaan horizontal, $N = mg$.
$N = (5 , textkg)(10 , textm/s^2) = 50 , textN$.

Selanjutnya, hitung gaya gesek kinetik ($f_k$).
$f_k = mu_k N = (0.2)(50 , textN) = 10 , textN$.

Sekarang, terapkan Hukum II Newton pada arah horizontal. Gaya tarik (ke kanan) positif, gaya gesek (ke kiri) negatif.
$sum F_x = F – f_k = ma$
$20 , textN – 10 , textN = (5 , textkg)a$
$10 , textN = (5 , textkg)a$
$a = frac10 , textN5 , textkg$
$a = 2 , textm/s^2$

Jadi, percepatan balok di permukaan kasar adalah 2 m/s².

Bagian 3: Usaha dan Energi

Soal 3: Sebuah benda bermassa 2 kg bergerak dengan kecepatan 10 m/s. Tentukan energi kinetik benda tersebut! Jika benda tersebut kemudian didorong sehingga kecepatannya menjadi 20 m/s, berapakah usaha yang dilakukan pada benda tersebut?

Konsep Kunci:

• Energi Kinetik ($E_k$): Energi yang dimiliki benda karena geraknya. Rumusnya adalah $E_k = frac12mv^2$.
• Usaha ($W$): Energi yang ditransfer ke atau dari suatu benda oleh gaya yang bekerja padanya. Berdasarkan teorema usaha-energi, usaha total yang dilakukan pada benda sama dengan perubahan energi kinetiknya: $W = Delta Ek = Ek, textakhir – E_k, textawal$.

Pembahasan:
Diketahui:

• Massa benda ($m$) = 2 kg.
• Kecepatan awal ($v_0$) = 10 m/s.
• Kecepatan akhir ($v_t$) = 20 m/s.

Menghitung Energi Kinetik Awal:
$E_k, textawal = frac12mv0^2$
$Ek, textawal = frac12(2 , textkg)(10 , textm/s)^2$
$Ek, textawal = (1 , textkg)(100 , textm^2/texts^2)$
$Ek, textawal = 100 , textJoule$

Jadi, energi kinetik awal benda adalah 100 Joule.

Menghitung Energi Kinetik Akhir:
$E_k, textakhir = frac12mvt^2$
$Ek, textakhir = frac12(2 , textkg)(20 , textm/s)^2$
$Ek, textakhir = (1 , textkg)(400 , textm^2/texts^2)$
$Ek, textakhir = 400 , textJoule$

Menghitung Usaha yang Dilakukan:
$W = Ek, textakhir – Ek, textawal$
$W = 400 , textJoule – 100 , textJoule$
$W = 300 , textJoule$

Jadi, usaha yang dilakukan pada benda tersebut adalah 300 Joule.

Bagian 4: Momentum dan Impuls

Soal 4: Sebuah bola bermassa 0.5 kg bergerak dengan kecepatan 20 m/s menumbuk dinding dan memantul kembali dengan kecepatan 15 m/s searah dengan arah tumbukan semula tetapi berlawanan arah gerak awal. Tentukan besar impuls yang dialami bola tersebut!

Konsep Kunci:

• Momentum ($p$): Ukuran kecenderungan benda untuk terus bergerak. Didefinisikan sebagai hasil kali massa dan kecepatan: $p = mv$. Momentum adalah besaran vektor.
• Impuls ($J$): Perubahan momentum suatu benda. Didefinisikan sebagai hasil kali gaya impulsif dengan selang waktu terjadinya gaya tersebut ($J = F Delta t$) atau sebagai perubahan momentum ($J = Delta p = ptextakhir – ptextawal$).

Pembahasan:
Diketahui:

• Massa bola ($m$) = 0.5 kg.
• Kecepatan awal ($v_0$) = 20 m/s.
• Kecepatan akhir ($v_t$) = -15 m/s (arah berlawanan dianggap negatif).

Pertama, kita tentukan arah gerak. Misalkan arah gerak awal bola ke kanan dianggap positif. Maka, kecepatan awal $v_0 = +20$ m/s.
Setelah memantul, bola bergerak ke kiri, sehingga kecepatan akhir $v_t = -15$ m/s.

Hitung momentum awal ($p_0$):
$p_0 = mv_0 = (0.5 , textkg)(+20 , textm/s) = +10 , textkg m/s$.

Hitung momentum akhir ($p_t$):
$p_t = mv_t = (0.5 , textkg)(-15 , textm/s) = -7.5 , textkg m/s$.

Besar impuls adalah perubahan momentum:
$J = p_t – p_0$
$J = (-7.5 , textkg m/s) – (+10 , textkg m/s)$
$J = -17.5 , textkg m/s$.

Besar impuls adalah nilai mutlak dari $J$, yaitu 17.5 kg m/s. Arah impuls adalah ke kiri, searah dengan arah pantulan bola.

Jadi, besar impuls yang dialami bola tersebut adalah 17.5 kg m/s.

Bagian 5: Gerak Melingkar

Soal 5: Sebuah benda bergerak melingkar beraturan dengan jari-jari lintasan 0.5 meter. Jika benda melakukan 120 putaran dalam 1 menit, tentukan:
a. Kecepatan sudut benda.
b. Kecepatan linear benda.
c. Percepatan sentripetal benda.

Konsep Kunci:

• Kecepatan Sudut ($omega$): Laju perubahan posisi sudut. Dihitung dalam radian per detik (rad/s).
  • $omega = fracDelta thetaDelta t$
  • Dalam 1 putaran ($Delta theta = 2pi$ radian), $omega = frac2piT$ atau $omega = 2pi f$, di mana $T$ adalah periode (waktu per putaran) dan $f$ adalah frekuensi (jumlah putaran per satuan waktu).
• Kecepatan Linear ($v$): Kecepatan tangensial benda pada lintasan lingkaran. Dihubungkan dengan kecepatan sudut oleh $v = omega r$, di mana $r$ adalah jari-jari lintasan.
• Percepatan Sentripetal ($a_s$): Percepatan yang selalu mengarah ke pusat lingkaran, diperlukan untuk mempertahankan gerak melingkar.
  • $a_s = fracv^2r = omega^2 r$.

Pembahasan:
Diketahui:

• Jari-jari lintasan ($r$) = 0.5 meter.
• Jumlah putaran = 120 putaran.
• Waktu = 1 menit = 60 detik.

a. Kecepatan Sudut Benda ($omega$)
Pertama, hitung frekuensi ($f$):
$f = fractextJumlah putarantextWaktu = frac120 , textputaran60 , texts = 2 , textHz$ (Hertz atau putaran per detik).

Kemudian, hitung kecepatan sudut:
$omega = 2pi f = 2pi (2 , textHz) = 4pi , textrad/s$.

Jadi, kecepatan sudut benda adalah $4pi$ rad/s.

b. Kecepatan Linear Benda ($v$)
Gunakan rumus $v = omega r$:
$v = (4pi , textrad/s)(0.5 , textm)$
$v = 2pi , textm/s$.

Jadi, kecepatan linear benda adalah $2pi$ m/s.

c. Percepatan Sentripetal Benda ($a_s$)
Kita bisa menggunakan dua rumus. Mari kita gunakan $a_s = omega^2 r$:
$a_s = (4pi , textrad/s)^2 (0.5 , textm)$
$a_s = (16pi^2 , textrad^2/texts^2)(0.5 , textm)$
$a_s = 8pi^2 , textm/s^2$.

Atau menggunakan $a_s = fracv^2r$:
$a_s = frac(2pi , textm/s)^20.5 , textm$
$a_s = frac4pi^2 , textm^2/texts^20.5 , textm$
$a_s = 8pi^2 , textm/s^2$.

Jadi, percepatan sentripetal benda adalah $8pi^2$ m/s².

Bagian 6: Penerapan Hukum Newton pada Sistem

Soal 6: Dua buah balok, A bermassa 3 kg dan B bermassa 2 kg, dihubungkan dengan tali melalui sebuah katrol licin. Balok A berada di atas meja horizontal licin, dan balok B digantung vertikal. Tentukan percepatan sistem dan tegangan tali yang bekerja! (g = 10 m/s²)

Konsep Kunci:
Untuk menyelesaikan soal sistem benda, kita perlu:

1. Menggambar diagram benda bebas (Free Body Diagram/FBD) untuk setiap benda.
2. Menuliskan Hukum II Newton ($sum F = ma$) untuk setiap benda pada arah geraknya.
3. Menyelesaikan sistem persamaan yang terbentuk untuk mencari besaran yang ditanyakan.

Pembahasan:
Diketahui:

• Massa balok A ($m_A$) = 3 kg.
• Massa balok B ($m_B$) = 2 kg.
• Percepatan gravitasi ($g$) = 10 m/s².
• Katrol licin, meja licin.

Asumsi: Karena balok B digantung, sistem akan bergerak sehingga balok A bergerak ke kanan dan balok B bergerak ke bawah. Arah gerak ini akan menentukan arah positif pada FBD.

Diagram Benda Bebas:

• Balok A:

  • Gaya Normal ($N_A$) ke atas.
  • Gaya Berat ($W_A = m_A g$) ke bawah.
  • Gaya Tegangan Tali ($T$) ke kanan (karena ditarik oleh balok B).
  • Percepatan ($a$) ke kanan.

• Balok B:

  • Gaya Berat ($W_B = m_B g$) ke bawah (arah positif gerak).
  • Gaya Tegangan Tali ($T$) ke atas (arah negatif gerak).
  • Percepatan ($a$) ke bawah.

Persamaan Hukum II Newton:

• Untuk Balok A (arah horizontal):
  Karena balok A berada di meja horizontal licin, gaya normal dan gaya berat tidak mempengaruhi gerakan horizontal.
  $sum F_xA = T = m_A a$ (Persamaan 1)

• Untuk Balok B (arah vertikal):
  Kita ambil arah ke bawah sebagai positif karena itu arah gerak sistem.
  $sum F_yB = W_B – T = m_B a$
  $m_B g – T = m_B a$ (Persamaan 2)

Menyelesaikan Sistem Persamaan:

Kita punya dua persamaan dengan dua variabel yang tidak diketahui ($a$ dan $T$). Kita bisa substitusikan Persamaan 1 ke Persamaan 2:

Dari Persamaan 1: $T = m_A a$.
Substitusikan ke Persamaan 2:
$m_B g – (m_A a) = m_B a$
$m_B g = m_A a + m_B a$
$m_B g = a (m_A + m_B)$
$a = fracm_B gm_A + m_B$

Masukkan nilai-nilainya:
$a = frac(2 , textkg)(10 , textm/s^2)3 , textkg + 2 , textkg$
$a = frac20 , textN5 , textkg$
$a = 4 , textm/s^2$.

Sekarang, substitusikan nilai $a$ ke Persamaan 1 untuk mencari $T$:
$T = m_A a$
$T = (3 , textkg)(4 , textm/s^2)$
$T = 12 , textN$.

Jadi, percepatan sistem adalah 4 m/s², dan tegangan tali yang bekerja adalah 12 N.

Tips Jitu Menghadapi UAS Fisika

1. Pahami Konsep, Bukan Sekadar Menghafal Rumus: Rumus fisika adalah alat bantu. Yang terpenting adalah memahami makna fisik di balik setiap rumus dan kapan harus menggunakannya.
2. Latihan Soal Variatif: Jangan hanya terpaku pada satu jenis soal. Kerjakan soal dari berbagai sumber, buku, latihan guru, dan soal-soal olimpiade jika memungkinkan. Semakin banyak variasi, semakin siap Anda.
3. Buat Ringkasan Materi: Tulis ulang konsep-konsep kunci dan rumus-rumus penting dalam catatan ringkas. Ini membantu mengorganisir pengetahuan Anda.
4. Fokus pada Diagram Benda Bebas: Untuk soal-soal dinamika, menggambar diagram benda bebas yang benar adalah langkah krusial. Pastikan semua gaya teridentifikasi dan arahnya benar.
5. Perhatikan Satuan: Selalu periksa satuan yang digunakan. Pastikan konsisten. Jika ada satuan yang berbeda, ubah terlebih dahulu sebelum melakukan perhitungan.
6. Teliti dalam Perhitungan: Kesalahan kecil dalam perhitungan bisa berakibat fatal. Periksa kembali setiap langkah perhitungan Anda.
7. Manajemen Waktu: Saat ujian, alokasikan waktu untuk setiap soal. Jangan terlalu lama terpaku pada satu soal yang sulit. Kerjakan yang lebih mudah terlebih dahulu.
8. Istirahat yang Cukup: Malam sebelum ujian, pastikan Anda mendapatkan tidur yang berkualitas. Otak yang segar akan bekerja lebih optimal.

Penutup

Fisika kelas X semester 2 menyajikan materi yang menantang namun sangat menarik. Dengan memahami konsep-konsep dasar dan berlatih soal-soal seperti yang telah dibahas, Anda akan memiliki bekal yang kuat untuk menghadapi UAS. Ingatlah bahwa kunci keberhasilan terletak pada pemahaman yang mendalam, latihan yang konsisten, dan strategi belajar yang efektif. Selamat belajar dan semoga sukses dalam UAS Fisika Anda!