Menguasai Fisika Kelas 11 Semester 2: Panduan Lengkap dengan Contoh Soal dan Pembahasan Mendalam

Fisika kelas 11 semester 2 merupakan gerbang penting menuju pemahaman konsep-konsep fisika yang lebih kompleks. Materi yang disajikan seringkali berfokus pada fenomena alam yang lebih luas, mulai dari gelombang, optik, hingga listrik dinamis. Menguasai materi ini tidak hanya penting untuk kelulusan, tetapi juga sebagai fondasi kuat untuk pembelajaran fisika di tingkat selanjutnya.

Artikel ini hadir untuk membantu Anda memahami lebih dalam materi fisika kelas 11 semester 2. Kami akan menyajikan beberapa contoh soal representatif dari topik-topik utama, lengkap dengan pembahasan langkah demi langkah yang mudah diikuti. Tujuannya adalah agar Anda tidak hanya menghafal rumus, tetapi benar-benar memahami konsep di baliknya dan mampu menerapkannya dalam berbagai situasi.

Mari kita mulai menjelajahi dunia fisika semester 2!

Topik 1: Gelombang dan Getaran

Gelombang adalah topik fundamental yang menjelaskan bagaimana energi merambat melalui medium atau ruang hampa. Kita akan membahas jenis-jenis gelombang, sifat-sifatnya, serta konsep-konsep terkait seperti frekuensi, amplitudo, dan panjang gelombang.

Contoh Soal 1.1:

Sebuah gelombang transversal merambat di sepanjang tali dengan persamaan simpangan $y(x,t) = 0.05 sin(2pi t – 0.4pi x)$, di mana $y$ dalam meter, $x$ dalam meter, dan $t$ dalam sekon. Tentukan:
a) Amplitudo gelombang.
b) Periode gelombang.
c) Frekuensi gelombang.
d) Panjang gelombang.
e) Cepat rambat gelombang.

Pembahasan Soal 1.1:

Persamaan umum gelombang transversal yang merambat ke arah sumbu-x positif adalah $y(x,t) = A sin(omega t – kx)$. Dengan membandingkan persamaan yang diberikan dengan persamaan umum, kita dapat mengidentifikasi beberapa parameter:

• a) Amplitudo (A): Amplitudo adalah nilai maksimum simpangan dari posisi setimbang. Dari persamaan $y(x,t) = 0.05 sin(2pi t – 0.4pi x)$, kita dapat melihat bahwa koefisien di depan fungsi sinus adalah amplitudo.
  Jadi, $A = 0.05$ meter.

• b) Periode (T): Periode adalah waktu yang dibutuhkan untuk satu gelombang lengkap bergetar. Dalam persamaan umum, $omega$ adalah frekuensi sudut yang berhubungan dengan periode melalui rumus $omega = frac2piT$. Dari persamaan yang diberikan, koefisien $t$ adalah $2pi$.
  Maka, $omega = 2pi$ rad/s.
  Dengan demikian, $2pi = frac2piT$, sehingga $T = 1$ sekon.

• c) Frekuensi (f): Frekuensi adalah jumlah getaran per satuan waktu. Frekuensi berhubungan dengan periode melalui rumus $f = frac1T$.
  Karena $T = 1$ sekon, maka $f = frac11 = 1$ Hz.
  Atau, frekuensi sudut $omega$ juga berhubungan dengan frekuensi melalui rumus $omega = 2pi f$.
  $2pi = 2pi f$, sehingga $f = 1$ Hz.

• d) Panjang Gelombang ($lambda$): Panjang gelombang adalah jarak yang ditempuh oleh satu gelombang lengkap. Dalam persamaan umum, $k$ adalah bilangan gelombang yang berhubungan dengan panjang gelombang melalui rumus $k = frac2pilambda$. Dari persamaan yang diberikan, koefisien $x$ adalah $-0.4pi$. Nilai $k$ adalah nilai positif sebelum $x$ jika kita melihat arah rambat gelombang ke arah sumbu-x positif.
  Jadi, $k = 0.4pi$ rad/m.
  Dengan demikian, $0.4pi = frac2pilambda$, sehingga $lambda = frac2pi0.4pi = frac20.4 = 5$ meter.

• e) Cepat Rambat Gelombang (v): Cepat rambat gelombang dapat dihitung dengan dua cara:

  1. Menggunakan rumus $v = fraclambdaT$:
     $v = frac5 text m1 text s = 5$ m/s.
  2. Menggunakan rumus $v = fracomegak$:
     $v = frac2pi text rad/s0.4pi text rad/m = frac20.4 = 5$ m/s.

Jadi, cepat rambat gelombang adalah 5 m/s.

Topik 2: Gelombang Bunyi dan Cahaya

Gelombang bunyi dan cahaya adalah aplikasi penting dari konsep gelombang. Kita akan mempelajari sifat-sifat keduanya, seperti pemantulan, pembiasan, difraksi, dan interferensi.

Contoh Soal 2.1 (Gelombang Bunyi):

Seorang pendengar berdiri di samping sumber bunyi yang berfrekuensi 680 Hz. Sumber bunyi tersebut bergerak menjauhi pendengar dengan kecepatan 20 m/s, sedangkan pendengar diam. Jika cepat rambat bunyi di udara adalah 340 m/s, tentukan frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar!

Pembahasan Soal 2.1:

Soal ini melibatkan efek Doppler, yaitu perubahan frekuensi gelombang yang diterima oleh pengamat akibat pergerakan relatif antara sumber gelombang dan pengamat. Rumus umum efek Doppler adalah:

$f_p = f_s fracv pm v_pv mp v_s$

Di mana:

• $f_p$ = frekuensi yang didengar pendengar
• $f_s$ = frekuensi sumber bunyi
• $v$ = cepat rambat bunyi di udara
• $v_p$ = kecepatan pendengar
• $v_s$ = kecepatan sumber bunyi

Dalam soal ini:

• $f_s = 680$ Hz
• $v = 340$ m/s
• $v_p = 0$ m/s (pendengar diam)
• $v_s = 20$ m/s (sumber menjauhi pendengar)

Karena sumber bunyi bergerak menjauhi pendengar, kita menggunakan tanda minus pada penyebut (karena menjauhi membuat gelombang "meregang" dan frekuensi yang didengar lebih rendah).

$f_p = f_s fracv + v_pv – v_s$
$f_p = 680 text Hz frac340 text m/s + 0 text m/s340 text m/s – 20 text m/s$
$f_p = 680 text Hz frac340320$
$f_p = 680 times frac3432$
$f_p = 680 times frac1716$
$f_p = 42.5 times 17$
$f_p = 722.5$ Hz

Jadi, frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar adalah 722.5 Hz.

Contoh Soal 2.2 (Gelombang Cahaya – Interferensi Celah Ganda):

Cahaya monokromatik dengan panjang gelombang $500$ nm menyinari sebuah celah ganda yang berjarak $0.2$ mm. Jarak antara celah dan layar adalah $1$ m. Tentukan jarak antara dua garis terang berurutan pada layar.

Pembahasan Soal 2.2:

Soal ini berkaitan dengan interferensi gelombang cahaya pada celah ganda (eksperimen Young). Jarak antara dua garis terang berurutan (atau dua garis gelap berurutan) pada layar disebut sebagai lebar pita interferensi.

Rumus untuk jarak antara garis terang ke-$m$ dari pusat adalah:
$y_terang, m = fracm lambda Ld$

Di mana:

• $y_terang, m$ = jarak garis terang ke-$m$ dari pusat
• $m$ = orde terang (dimulai dari $m=0$ untuk terang pusat)
• $lambda$ = panjang gelombang cahaya
• $L$ = jarak antara celah dan layar
• $d$ = jarak antar celah

Untuk mencari jarak antara dua garis terang berurutan (misalnya terang ke-$m$ dan terang ke-$(m+1)$), kita bisa menghitung selisih jaraknya:
$Delta y = yterang, m+1 – yterang, m$
$Delta y = frac(m+1) lambda Ld – fracm lambda Ld$
$Delta y = fraclambda Ld$

Dalam soal ini:

• $lambda = 500$ nm $= 500 times 10^-9$ m
• $d = 0.2$ mm $= 0.2 times 10^-3$ m
• $L = 1$ m

Substitusikan nilai-nilai tersebut ke dalam rumus:
$Delta y = frac(500 times 10^-9 text m) times (1 text m)0.2 times 10^-3 text m$
$Delta y = frac500 times 10^-90.2 times 10^-3$ m
$Delta y = frac5 times 10^-72 times 10^-4$ m
$Delta y = 2.5 times 10^-3$ m
$Delta y = 2.5$ mm

Jadi, jarak antara dua garis terang berurutan pada layar adalah 2.5 mm.

Topik 3: Listrik Dinamis

Listrik dinamis membahas tentang muatan listrik yang bergerak, yang menghasilkan arus listrik. Konsep-konsep penting meliputi kuat arus, tegangan, hambatan, hukum Ohm, rangkaian seri dan paralel, serta daya listrik.

Contoh Soal 3.1 (Hukum Ohm dan Rangkaian Sederhana):

Sebuah resistor dengan hambatan $R_1 = 4 , Omega$ dihubungkan seri dengan resistor lain $R_2 = 6 , Omega$. Rangkaian ini dihubungkan dengan sumber tegangan sebesar $12$ V. Tentukan:
a) Hambatan total rangkaian.
b) Kuat arus yang mengalir dalam rangkaian.
c) Tegangan pada masing-masing resistor.

Pembahasan Soal 3.1:

• a) Hambatan Total Rangkaian (R_total):
  Karena resistor dihubungkan secara seri, hambatan totalnya adalah jumlah dari masing-masing hambatan.
  $R_total = R_1 + R2$
  $Rtotal = 4 , Omega + 6 , Omega$
  $R_total = 10 , Omega$

• b) Kuat Arus yang Mengalir dalam Rangkaian (I):
  Menurut Hukum Ohm, kuat arus ($I$) berbanding lurus dengan tegangan ($V$) dan berbanding terbalik dengan hambatan total ($Rtotal$).
  $I = fracVRtotal$
  $I = frac12 text V10 , Omega$
  $I = 1.2$ A

• c) Tegangan pada Masing-masing Resistor ($V_1$ dan $V_2$):
  Tegangan pada setiap resistor dapat dihitung menggunakan Hukum Ohm untuk masing-masing resistor, dengan menggunakan kuat arus total yang mengalir.
  Untuk resistor $R_1$:
  $V_1 = I times R_1$
  $V_1 = 1.2 text A times 4 , Omega$
  $V_1 = 4.8$ V

  Untuk resistor $R_2$:
  $V_2 = I times R_2$
  $V_2 = 1.2 text A times 6 , Omega$
  $V_2 = 7.2$ V

  Pengecekan: Jumlah tegangan pada masing-masing resistor seharusnya sama dengan tegangan sumber.
  $V_1 + V_2 = 4.8 text V + 7.2 text V = 12 text V$. Ini sesuai dengan tegangan sumber.

Jadi, hambatan total rangkaian adalah $10 , Omega$, kuat arus yang mengalir adalah $1.2$ A, tegangan pada $R_1$ adalah $4.8$ V, dan tegangan pada $R_2$ adalah $7.2$ V.

Contoh Soal 3.2 (Daya Listrik):

Sebuah lampu memiliki spesifikasi $60$ W, $220$ V. Jika lampu ini dinyalakan selama $10$ jam, berapakah energi listrik yang dikonsumsi oleh lampu tersebut?

Pembahasan Soal 3.2:

Daya listrik ($P$) adalah laju energi yang dikonsumsi atau dihasilkan. Hubungan antara daya, energi ($E$), dan waktu ($t$) adalah:
$P = fracEt$
Sehingga, energi listrik yang dikonsumsi dapat dihitung dengan:
$E = P times t$

Dalam soal ini:

• Daya lampu ($P$) = $60$ W
• Waktu penggunaan ($t$) = $10$ jam

Kita perlu mengubah satuan waktu ke dalam sekon agar satuan energi sesuai dengan Joule (satuan SI).
$10$ jam $= 10 times 60$ menit/jam $times 60$ sekon/menit $= 36000$ sekon.

Sekarang kita hitung energinya:
$E = 60 text W times 36000 text s$
$E = 2160000$ Joule
$E = 2.16 times 10^6$ Joule

Dalam konteks penggunaan energi listrik sehari-hari, satuan yang umum digunakan adalah Kilowatt-jam (kWh). Mari kita hitung dalam satuan kWh.
$P = 60$ W $= 0.06$ kW
$t = 10$ jam

$E = P times t$
$E = 0.06 text kW times 10 text jam$
$E = 0.6$ kWh

Jadi, energi listrik yang dikonsumsi oleh lampu tersebut adalah $2.16 times 10^6$ Joule atau $0.6$ kWh.

Penutup

Memahami konsep-konsep fisika kelas 11 semester 2 membutuhkan latihan yang konsisten. Contoh soal dan pembahasan yang disajikan di atas hanyalah sebagian kecil dari materi yang ada. Kunci keberhasilan terletak pada:

1. Memahami Konsep Dasar: Jangan hanya menghafal rumus, tetapi pahami makna fisiknya.
2. Latihan Soal Beragam: Kerjakan soal dari berbagai sumber dengan tingkat kesulitan yang berbeda.
3. Analisis Kesalahan: Jika salah dalam menjawab soal, jangan hanya melihat jawaban yang benar, tetapi pahami di mana letak kesalahan Anda.
4. Diskusi dengan Teman atau Guru: Bertukar pikiran dapat membantu membuka wawasan baru.

Dengan dedikasi dan strategi belajar yang tepat, fisika kelas 11 semester 2 akan menjadi lebih mudah dipahami dan bahkan menyenangkan. Teruslah belajar dan jangan pernah ragu untuk bertanya!