Jawaban LKM 11 [PDF]

Citation preview

NAMA : Akmal Budi Septian NIM



: 2110038



KELAS : Pendidikan Fisika 1 B



JAWABAN LKM 11



Pendahuluan



1) Seperti yang sudah dikemukakan pada pertemuan awal, salah satu bidang kajian ilmu fisika itu adalah tentang materi dan energi serta hukum-hukum yang menyertainya. Apa itu energi? Mengapa energi itu sangat penting dalam kehidupan? Dalam fisika, energi adalah properti fisika dari suatu objek, dapat berpindah melalui interaksi fundamental, yang dapat diubah bentuknya namun tak dapat diciptakan maupun dimusnahkan. Mengapa energi sangat dibutuhkan ? sebab tanpa energi suatu benda tidak dapat digunaka. Oleh karena itu, energi merupakan sumber atau kekuatan dari benda untuk bisa digunakan atau berguna bagi kehidupan yang lainnya.



2) Banyak sekali bentuk-bentuk energi yang tersedia di alam semesta ini. Coba Anda kemukakan bentuk-bentuk energi itu dan berikan masing-masing contohnya! A. Energi kinetik yang dalam kehidupan sehari-harinya lebih dikenal sebagai gerak benda dalam pandangan horizontal yang tidak lain adalah perpindahan benda dari satu posisi ke posisi lainnya. Contohnya pergerakan mobil yang tidak lain adalah memindahkan energi dari satu tempat ke tempat lainnya. B. Energi potensial yang dalam kehidupan sehari-harinya lebih dikenal sebagai perpindahan energi dalam skala vertikal. Contohnya ialah pergerakan Roket yang menjauhi permukaan dataran bumi menuju luar angkasa. Dalam hal ini sama saja roket tersebut memindahkan energi potensialnya dari bumi menuju ke luar angkasa bebas. C. Energi termal lebih dikenal dengan perpindahan kalor dari satu tempat pada permukaan suatu benda menuju psatu benda lain pada permukaan benda tersebut. Contohnya ialah seperti ketika perpindahan air panas dari teko yang baru saja



dipanaskan menuju gelas yang kosong tanpa temperatur apapun. Sehingga dalam hal ini, kalor yang berpindah ialah kalor yang berasal dari teko menuju gelas tersebut.



3) Mengapa konsep energi itu sangat erat hubungannya dengan konsep KERJA (usaha) dalam fisika? Apa sebenarnya usaha itu? Karena ketika ada suatu kerja atau usaha pada sistem dengan sistem yang lain, maka hal ini sama aja sistem tersebut melakukan perpindahan energi dari sistem sebelumnya pada sistem selanjutnya. Usaha dalam konsep energi dan usaha merupakan suatu kerja yang dipandang dapat melakukan usahanya sendiri untuk memindahkan energi dari satu sistem ke sistem selanjutnya.



Usaha dan Energi Kinetik Perhatikan gambar berikut ! Sebuah balok yang terletak pada bidang datar diikat dengan tali dan ditarik dengan tali membentuk sudut  terhadap bidang datar.



1) Apa yang terjadi ketika balok ditarik? Apakah terjadi perpindahan energi dari orang yang menarik pada balok? Perpindahan energi itu terjadi melalui apa? Ketika sesorang menarik benda pada kasus seperti ini, maka terjadi tiga perubahan energi. 1) Energi kinetik terjadi karena adanya gerakan tarikan dari orang tersebut terhadap balok yang ditariknya. Sehingga muncul energi kinetik yang tidak lain adalah karena adanya usaha dari orang tersebut menarik benda tersebut yang besarnya sebanding dengan tenaga yang dikeluarkan orang tersebut. 2) Energi termal. Energi ini timbul karena adanya energi kinetik yang ditimbulkan sebelumnya. Energi ini disebabkan karena adanya gesekan balok dengan permukaan lintasa yang dilalui oleh benda tersebut, sehingga energi ini akan menghambat gerak benda atau memperlambatnya. 3) Energi kimia internal. Energi timbul karena adanya perpecahan glukosa yang melalui serangkaian proses sehingga menghasilkan ATP atau energi yang



digunakan orang tersebut untuk menarik balok tersebut. Dalam energi kimia internal terjadi pengurangan energi dalam seseorang tersebut karena telah mengubahnya menjadi sekumpulan ATP, tetapi disisi lain setelah orang tersebut menggunakan ATP tersebut untuk menggerakkan benda maka selanjutnya energi ini menjadi energi kinetik eksternal yang nanti digunakan terhadap lintasan oleh balok (untuk energi termal). 2) Dengan ditarik oleh gaya yang membentuk sudut  terhadap arah horizontal, bagaimana gerakan balok? Bagaimana perpindahan balok dalam arah vertikal dan horizontal? Semua itu tergantung sudut yang dibentuknya. Semakin besar sudut yang terbentuk maka perpindahan akan menuju ke arah vertikal. Dan sebaliknya, apabila sudut semakin kecil, maka perpindahan akan mengarah ke arah horizontal.



3) Besarnya energi yang ditransfer lewat gaya dalam fisika disebut KERJA (Usaha). Bagaimana cara menghitung besarnya energi yang ditransfer? Untuk menghitung usaha pada benda seperti gambar diatas, perlu dilihat benda tersebut perpindahannya ke arah mana saja. Apabila benda tersebut hanya berpindah ke arah sumbu x dan membentuk sudut terhadap horizontal, maka usaha menjadi 𝑊 = 𝐹 𝑐𝑜𝑠𝜃 ∆𝑥



dan apabila perpindahannya menuju vertikal dan membuat sudut



terhadap arah horizontal maka usaha akan sebesar 𝑊 = 𝐹 𝑠𝑖𝑛𝜃 ∆𝑦. 4) Apakah gaya yang dikerjakan pada balok dengan membentuk sudut  melakukan usaha dalam arah horizontal dan dalam arah vertikal? Mengapa? Jelaskan! Karena ketika balok dikenai gaya dengan membentuk sudut atau tidak tegak lurus itu sama dengan bahwa benda tersebut sedang dilakukan gaya terhadap arah vertikal dan horizontal. Tergantung sudutnya, apabila sudutnya makin besar maka lintasannya akan mengarah ke sumbu vertikan. Dan begitu pun sebaliknya, semakin kecil maka lintasannya akan menuju sumbu horizontal. 5) Mengapa usaha oleh gaya yang membentuk sudut  itu hanya ada dalam arah horizontal?



Karena sudut yang terbentuk tidak terlalu besar. Sehingga bila diproyeksikan dalam sumbu x,y. Gaya yang mengarah pada benda tersebut lebih besar dalam sumbu x (apabila sudutnya mendekati 0°). Sehingga perpindhannya akan berada dalam sumbu horinzontal saja. Dan karena pecepatan benda hanya berada dalam sumbu horizontal hal ini pun yang menyebabkan juga benda tersebut tidak bergerak ke arah vertikal (karena tidak ada percepatan dalam arah vertikal).



6) Jika gaya yang dikerjakan pada balok itu besarnya konstan, dan membentuk sudut



 terhadap arah horizontal, bagaimana rumusan usahanya? 𝑊 = 𝐹 𝑐𝑜𝑠𝜃 ∆𝑥 dengan satuan gaya adalah N dan perpindahan adalah meter ( m ). Sehingga bila dikalikan satuannya menjadi Nm atau Joule ( J ).



7) Gaya dan perpindahan itu merupakan besaran vektor. Gaya dan perpindahan menjadi penentu besarnya energi yang ditransfer. Apakah usaha juga merupakan besaran vektor? Bagaimana rumusan usaha oelh gaya konstan secara umum? Usaha adalah besaran skalar sebab apabila gaya yang bekerja pada sebuah benda yang bergerak sepanjang kurva dalam ruang dan perpindahan kecil 𝑑𝑠 sepanjang kurva tersebut, maka komponen gaya yang sejajar dengan 𝑑𝑠 adalah 𝐹𝑠 = 𝐹𝑐𝑜𝑠𝜃. Karena perkalian dua vektor dengan cos 𝜃 akan menghasilkan besaran yang memiliki nilai tanpa arah atau skalar. Jadi usaha merupakan besaran skalar karena disebabkan oleh perkalian dua verktor dengan cos 𝜃.



8) Kapan Usaha itu berharga positif ? Dan kapan usaha itu berharga negatif? Apa arti fisis usaha berharga positif? Apa arti fisis usaha berharga negatif? Usaha bernilai positif jika luas daerah yang diarsir berada di atas sumbu “x”, dan akan bernilai negatif jika luas daerah yang diarsir berada di bawah sumbu “x”.



9) Apa satuan Usaha? Joule ( J atau Nm). Karena Joule didapat dari perkalian dua vektor yaitu Gaya dan Perpindahan dengan sudut sebesar 𝜃 terhadap horizontal.



10) Dalam demonstrasi di atas, berapa besarnya usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi? Jelaskan! Berapa besarnya usaha yang dilakukan oleh gaya normal? Jelaskan! Dalam ilustrasi ini karena benda hanya memiliki percepatan ke arah horizontal dan tidak memiliki percepatan ke arah vertikal. Sehingga pada sumbu y yang terdapat gaya normal dan gaya gravitasi memiliki ∑ 𝐹𝑦 = 0 → 𝑁 − 𝑊 = 0 → 𝑁 = 𝑊 → 𝑚𝑔 . besar usaha yang dilakukan gaya gravitasi dan gaya normal akan memiliki besar yang sama tetapi hanya berbeda tandanya saja. Yakni 𝑊𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑠𝑖 = −𝑚𝑔∆𝑦 dan 𝑊𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 = 𝑚𝑔∆𝑦. Tanda negatif karena gravitasi selalu menuju ke bawah atau sumbu negaif y dan usaha oleh gaya normal positif sebab mengarah ke sumbu y positif.



11) Dalam demonstrasi di atas, ada berapa gaya yang bekerja pada balok? Bagaimana cara menghitung usaha total pada balok? Yaitu dengan menjumlahkan salah satu komponen pada satu sumbu dan dijumlahkan dengan salah satu komponen pada satu sumbu. Misalnya 𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑊𝑔𝑎𝑦𝑎 − 𝑊𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑠𝑖 yang nantinya akan sebanding dengan delta pada energi kinetik.



12) Apa yang dimaksud dengan energi kinetik dari sebuah benda? Energi kinetik atau energi gerak adalah energi yang dimiliki oleh sebuah benda karena gerakannya. Energi kinetik sebuah benda didefinisikan sebagai usaha yang dibutuhkan untuk menggerakkan sebuah benda dengan massa tertentu dari keadaan diam hingga mencapai kecepatan tertentu.



13) Jika balok dianggap sebagai partikel, buktikan bahwa kerja total yang dilakukan pada balok akan sama dengan perubahan energi kinetik benda tersebut? Karena konsep usaha adalah suatu perpindahan energi dari satu sistem ke sistem lainnya atau yang disebabkan karena benda tersebut bergerak atau memiliki kecepatan. Sehingga besar usaha total akan sebanding energi kinetik akhir benda dikurangi dengan energi 1



1



kinetik awal benda. 𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = ∆𝐸𝐾 = 2 𝑚𝑣1 2 − 2 𝑚𝑣0 2 .



14) Rumusan : Wtotal 



1 1 2 2 mv f  mvi  Ek disebut Teorema Usaha-Energi. Rumusan ini 2 2



sangat penting sekali dalam mekanika. Apakah teorema itu berlaku untuk gaya netto yang konstan atau tidak konstan? Mengapa ? Jelaskan! Berlaku sebab, berapa pun gaya yang dilakukan pada benda tersebut apabila jelas posisi atau perpindahan benda tersebut maka teorema usaha – energi ini masih dapat berlaku.



Penguatan Konsep-1 Perhatikan Demonstrasi berikut ! Sebuah balok 5 kg terletak pada lantai mendatar . Balok tersebut dinaikkan dari keadaan diam sejauh 2 m oleh sebuah gaya luar ke atas sebenar 50 N. 1) Jika balok adalah sistem kita, benda yang mana saja yang berperan sebagai lingkungannya? Coba Anda gambarkan gaya-gaya yang bekerja pada balok! Maka yang berperan sebagai lingkungannya adalah gaya yang bekerja pada benda tersebut melalui tali dan crane atau alat yang menariknya.



2) Berapa besar usaha yang dilakukan oleh gaya luar tersebut? 𝑊𝑔𝑎𝑦𝑎 = 𝐹∆𝑦 = (50)(2) = 100 𝐽



3) Apaka gaya graviasi mengerjakan usaha pada balok? Berapa besar usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi? Setiap benda yang berada di bumi pasti memiliki gaya gravitasi terhadap bumi sebesar 𝑤 = −𝑚𝑔. Sehingga gaya berat benda tersebut senilai 𝑤 = −𝑚𝑔 = −(5)(10) = −50 𝑁. Dan usaha oleh gaya gravitasinya menjadi 𝑊𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑠𝑖 = 𝑤∆𝑦 = (−50)(2) = − 100 𝑁𝑚 𝑎𝑡𝑎𝑢 − 100 𝐽



4) Berapa besarnya usaha total yang dikerjakan pada balok? 𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑊𝑔𝑎𝑦𝑎 + 𝑊𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑠𝑖 = 100 + (−100) = 0



5) Apakah pada demonstrasi tersebut berlaku Teorema Usaha - Energi? Berlaku, sebab ketika benda sudah memiliki ketinggian jauh 2 meter dari titik semula. Dari sini bisa didapat kecepatan benda pada ketinggian tersebut dengan menggunakan teorema usaha – energi. Sehingga 1 1 1 1 1 0(2) 𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = ∆𝐸𝐾 = 𝑚𝑣1 2 − 𝑚𝑣0 2 → 0 = 𝑚𝑣1 2 − 𝑚02 → 0 = 𝑚𝑣1 2 → 2 2 2 2 2 𝑚 = 𝑣1 2 → 𝑣1 = 0 𝑚⁄𝑠 6) Berapa besar kelajuan balok setelah menempuh jarak 2 m? 0 𝑚⁄𝑠 karena saat ketinggiannya 2 m usaha totalnya bernilai 0 J. Sehingga, kecepatannya menjadi 0 𝑚⁄𝑠 7) Apa kesimpulan Anda Jadi, apabila usaha yang dilakukan suatu benda totalnya sama dengan nol. Maka kelajuannya di titik secara vertikal atau horizontal akan tetap sama yaitu 0 𝑚⁄𝑠.



Penguatan Konsep-2 Perhatikan Gambar Berikut!



Pada seorang sebuah



gambar



tersebut



anak



menarik



benda



di atas



permukaan salju.



1) Jika sistem kita adalah kereta luncur, benda mana saja yang berperan sebagai lingkungan? Yaitu tali yang memiliki gaya sebesar F terhadap benda dan orang tersebut yang menariknya benda tersebut melalui tali dan sudut terhadap arah horizontal.



2) Gambarkan gaya-gaya yang bekerja pada kereta luncur! Gaya normal yang besarnya sama dengan gaya berat akibat gravitasi bumi, tetapi tanda dari nilainya berbeda. Hal ini disebabkan gaya normal berarah ke atas atau sumbu y positif dan gaya berat yang berarah ke sumbu y negatif atau berarah vertikal kebawah.



Dan gaya yang bekerja pada benda tersebut terhadap arah horizontal. Kenapa terhadap arah horizontal ke kanan ? sebab sudut yang dibentuk ialah sudut terhadap arah horizontal.



3) Jika massa kereta luncur 10 kg dan anak laki-laki tersebut mengerjakan gaya 36 N dengan arah   300 , tentukan besarnya usaha yang dialakukan oleh anak laki-laki itu? 𝑊𝑔𝑎𝑦𝑎 = 𝐹𝑋 ∆𝑥 = 18√3(3) = 54√3 𝐽 = 93,53 𝐽



4) Berapa kelajuan akhir kereta luncur setelah bergerak 3 m? (Asumsikan kereta luncur mulai bergerak dari keadaan diam dan tidak ada gesekan) Cari dahulu W terhadap oleh gravitasi sebesar 𝑊𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑠𝑖 = −𝑚𝑔∆𝑥 = −(10)(10)(3) = −300 𝐽 sehingga W total adalah 𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑊𝑔𝑎𝑦𝑎 + 𝑊𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑠𝑖 = 93,53 𝐽 + (−300) 𝐽 = − 206,47 𝐽 1



1



𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = ∆𝐸𝐾 = 2 𝑚𝑣1 2 − 2 𝑚𝑣0 2 → 1 2



− 206,47 =



1 2



1



𝑚𝑣1 2 − 2 𝑚𝑣0 2 → − 206,47 =



𝑚𝑣1 2 − 0 → 𝑣1 = √41,29 = 6,43 𝑚⁄𝑠.



5) Pada kasus ini, apakah teorema Usaha-Energi berlaku? Mengapa? Berlaku, sebab dalam hal ini ketika benda ditarik dengan gaya sebesar F dan benda tersebut berpindah sejauh 3 meter. Artinya, benda tersebut telah memindahkan energi dari sistem sebelumnya menuju sistem berikutnya. Karena W totalnya tidak sama dengan nol, maka benda tersebut memiliki kelajuan yang senilai dengan titik berpindahnya.