Fisika kelas XII semester 1 merupakan gerbang menuju pemahaman fisika modern yang lebih mendalam. Materi yang disajikan seringkali menjadi dasar penting untuk melanjutkan studi ke jenjang perguruan tinggi, terutama bagi yang bercita-cita di bidang sains dan teknologi. Topik-topik seperti listrik dinamis, kemagnetan, induksi elektromagnetik, hingga fisika inti dan radioaktivitas memerlukan pemahaman konsep yang kuat dan kemampuan aplikasi rumus yang mumpuni.
Artikel ini dirancang untuk membantu siswa kelas XII SMA dalam mempersiapkan diri menghadapi ujian semester 1. Kami akan mengupas tuntas materi-materi kunci, dilengkapi dengan contoh soal yang beragam tingkat kesulitan, serta pembahasan langkah demi langkah yang mudah dipahami. Dengan latihan yang terarah, diharapkan pemahaman siswa akan semakin kokoh dan kepercayaan diri meningkat.
I. Listrik Dinamis: Mengalirkan Arus Pemahaman
Listrik dinamis adalah salah satu topik fundamental di semester 1. Memahami konsep arus listrik, tegangan, hambatan, serta hukum-hukum yang mengaturnya menjadi kunci untuk memecahkan berbagai permasalahan.
Konsep Kunci:
- Arus Listrik (I): Laju aliran muatan listrik per satuan waktu. Satuannya Ampere (A).
$I = fracQt$
dimana $Q$ adalah muatan (Coulomb) dan $t$ adalah waktu (detik). - Tegangan Listrik (V): Perbedaan potensial antara dua titik dalam rangkaian listrik. Satuannya Volt (V).
- Hambatan Listrik (R): Kemampuan suatu benda untuk menahan aliran arus listrik. Satuannya Ohm ($Omega$).
$R = rho fracLA$
dimana $rho$ adalah hambatan jenis, $L$ adalah panjang kawat, dan $A$ adalah luas penampang kawat. - Hukum Ohm: Hubungan antara tegangan, arus, dan hambatan dalam suatu rangkaian.
$V = I cdot R$ - Hukum Kirchhoff:
- Hukum I Kirchhoff (Hukum Arus): Jumlah arus yang masuk ke suatu titik percabangan sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik tersebut. $sum Imasuk = sum Ikeluar$
- Hukum II Kirchhoff (Hukum Tegangan): Jumlah total beda potensial (tegangan) di sekitar loop tertutup dalam suatu rangkaian adalah nol. $sum V = 0$
- Rangkaian Seri dan Paralel:
- Seri: Hambatan total ($Rtotal$) adalah jumlah hambatan masing-masing: $Rtotal = R_1 + R_2 + dots$
- Paralel: Kebalikan dari hambatan total adalah jumlah kebalikan hambatan masing-masing: $frac1R_total = frac1R_1 + frac1R_2 + dots$
- Daya Listrik (P): Energi listrik yang diubah menjadi bentuk energi lain per satuan waktu.
$P = V cdot I = I^2 cdot R = fracV^2R$
Contoh Soal 1 (Hukum Ohm dan Rangkaian Sederhana):
Sebuah lampu dihubungkan dengan sumber tegangan 12 V. Jika hambatan lampu tersebut adalah 24 $Omega$, berapakah arus yang mengalir melalui lampu tersebut?
Pembahasan:
Diketahui:
Tegangan ($V$) = 12 V
Hambatan ($R$) = 24 $Omega$
Ditanya: Arus listrik ($I$)
Menggunakan Hukum Ohm:
$V = I cdot R$
Untuk mencari $I$, kita susun ulang rumusnya menjadi:
$I = fracVR$
Substitusikan nilai yang diketahui:
$I = frac12 text V24 text Omega$
$I = 0.5 text A$
Jadi, arus yang mengalir melalui lampu tersebut adalah 0.5 Ampere.
Contoh Soal 2 (Hukum Kirchhoff I):
Perhatikan rangkaian listrik berikut ini. Tentukan besar arus $I_3$.
(Bayangkan sebuah diagram rangkaian di mana titik A bercabang menjadi tiga arah. Arus $I_1$ masuk ke titik A dengan nilai 5 A, arus $I_2$ masuk ke titik A dengan nilai 3 A, dan arus $I_3$ keluar dari titik A.)
Pembahasan:
Diketahui:
Arus masuk ke titik A ($I_1$) = 5 A
Arus masuk ke titik A ($I_2$) = 3 A
Ditanya: Arus keluar dari titik A ($I_3$)
Menggunakan Hukum I Kirchhoff di titik A:
$sum Imasuk = sum Ikeluar$
$I_1 + I_2 = I_3$
Substitusikan nilai yang diketahui:
$5 text A + 3 text A = I_3$
$I_3 = 8 text A$
Jadi, besar arus $I_3$ adalah 8 Ampere.
Contoh Soal 3 (Hukum Kirchhoff II pada Rangkaian Loop):
Perhatikan rangkaian listrik tertutup berikut. Tentukan besar arus yang mengalir pada rangkaian tersebut.
(Bayangkan sebuah rangkaian dengan dua buah baterai. Baterai pertama memiliki GGL 6 V dan hambatan dalam 1 $Omega$. Baterai kedua memiliki GGL 4 V dan hambatan dalam 1 $Omega$. Kedua baterai terhubung seri dengan sebuah resistor eksternal 4 $Omega$. Arah loop diasumsikan searah jarum jam, dimulai dari kutub negatif baterai pertama, melewati resistor eksternal, melewati resistor dalam baterai kedua, lalu kembali ke kutub positif baterai pertama.)
Pembahasan:
Pertama, kita tentukan arah arus asumsi. Mari kita asumsikan arus mengalir searah jarum jam.
Diketahui:
GGL Baterai 1 ($epsilon_1$) = 6 V, hambatan dalam $r_1$ = 1 $Omega$
GGL Baterai 2 ($epsilon_2$) = 4 V, hambatan dalam $r_2$ = 1 $Omega$
Resistor Eksternal ($R$) = 4 $Omega$
Ditanya: Arus listrik ($I$)
Menggunakan Hukum II Kirchhoff untuk loop tertutup:
$sum epsilon = sum (I cdot R_total)$
Kita perlu memperhatikan arah GGL dan arah arus. Dalam loop searah jarum jam:
- Ketika melewati baterai dari kutub negatif ke positif, GGL bernilai positif.
- Ketika melewati baterai dari kutub positif ke negatif, GGL bernilai negatif.
- Arus yang searah dengan arah loop, perkalian $I cdot R$ bernilai positif.
- Arus yang berlawanan arah dengan arah loop, perkalian $I cdot R$ bernilai negatif.
Dalam kasus ini, loop searah jarum jam bergerak dari kutub negatif baterai 1 ke kutub positifnya, sehingga $epsilon_1$ bernilai positif. Kemudian, loop bergerak dari kutub positif baterai 2 ke kutub negatifnya, sehingga $epsilon_2$ bernilai negatif. Arus asumsi searah jarum jam searah dengan arah loop saat melewati $R$, $r_1$, dan $r_2$.
Sehingga persamaan Hukum II Kirchhoff menjadi:
$epsilon_1 – epsilon_2 = I cdot (R + r_1 + r_2)$
Substitusikan nilai yang diketahui:
$6 text V – 4 text V = I cdot (4 text Omega + 1 text Omega + 1 text Omega)$
$2 text V = I cdot (6 text Omega)$
Untuk mencari $I$:
$I = frac2 text V6 text Omega$
$I = frac13 text A$
Karena hasil perhitungan $I$ positif, maka arah arus asumsi kita benar. Arus yang mengalir pada rangkaian adalah $frac13$ Ampere searah jarum jam.
II. Kemagnetan: Kekuatan Medan yang Menarik
Kemagnetan mempelajari sifat benda yang dapat menarik atau menolak benda lain, serta fenomena medan magnet.
Konsep Kunci:
- Medan Magnet (B): Daerah di sekitar magnet atau arus listrik yang masih dipengaruhi oleh gaya magnet. Satuannya Tesla (T).
- Gaya Lorentz: Gaya yang dialami oleh kawat berarus listrik yang berada dalam medan magnet.
$F = B cdot I cdot L cdot sin theta$
dimana $B$ adalah kuat medan magnet, $I$ adalah arus listrik, $L$ adalah panjang kawat, dan $theta$ adalah sudut antara arah medan magnet dan arah arus. - Kaedah Tangan Kanan I: Untuk menentukan arah medan magnet di sekitar kawat berarus.
- Kaedah Tangan Kanan II: Untuk menentukan arah gaya Lorentz pada kawat berarus.
Contoh Soal 4 (Gaya Lorentz):
Sebuah kawat lurus sepanjang 2 meter dialiri arus listrik sebesar 5 A. Kawat tersebut berada dalam medan magnet serbasama sebesar 0.4 T. Jika arah arus listrik tegak lurus dengan arah medan magnet, berapakah besar gaya Lorentz yang dialami kawat tersebut?
Pembahasan:
Diketahui:
Panjang kawat ($L$) = 2 m
Arus listrik ($I$) = 5 A
Kuat medan magnet ($B$) = 0.4 T
Sudut ($theta$) = 90° (karena tegak lurus)
Ditanya: Gaya Lorentz ($F$)
Menggunakan rumus Gaya Lorentz:
$F = B cdot I cdot L cdot sin theta$
Karena $sin 90^circ = 1$, maka rumusnya menjadi:
$F = B cdot I cdot L$
Substitusikan nilai yang diketahui:
$F = 0.4 text T cdot 5 text A cdot 2 text m$
$F = 4 text N$
Jadi, besar gaya Lorentz yang dialami kawat tersebut adalah 4 Newton.
III. Induksi Elektromagnetik: Menghasilkan Listrik dari Magnet
Induksi elektromagnetik adalah fenomena di mana timbulnya GGL (Gaya Gerak Listrik) dan arus listrik pada suatu rangkaian akibat perubahan fluks magnetik.
Konsep Kunci:
- Fluks Magnetik ($Phi$): Ukuran jumlah garis gaya magnet yang menembus suatu permukaan.
$Phi = B cdot A cdot cos theta$
dimana $B$ adalah kuat medan magnet, $A$ adalah luas permukaan, dan $theta$ adalah sudut antara vektor medan magnet dan vektor normal permukaan. Satuannya Weber (Wb). - Hukum Faraday: Besar GGL induksi yang timbul pada suatu kumparan berbanding lurus dengan laju perubahan fluks magnetik yang menembus kumparan tersebut.
$mathcalE = -N fracDelta PhiDelta t$
dimana $mathcalE$ adalah GGL induksi, $N$ adalah jumlah lilitan, $Delta Phi$ adalah perubahan fluks magnetik, dan $Delta t$ adalah selang waktu. Tanda negatif menunjukkan arah GGL induksi menurut Hukum Lenz. - Hukum Lenz: Arah arus induksi selalu menghasilkan medan magnet yang melawan perubahan fluks magnetik penyebabnya.
- Induktansi Diri (L): Kemampuan suatu kumparan untuk membangkitkan GGL induksi ketika arus listrik yang melaluinya berubah. Satuannya Henry (H).
$mathcalE = -L fracDelta IDelta t$ - Transformator (Trafo): Alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan AC berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik.
- Trafo Ideal: $fracV_pV_s = fracN_pN_s = fracI_sI_p$
- $fracP_pP_s = 1$ (daya primer = daya sekunder)
Contoh Soal 5 (Hukum Faraday):
Sebuah kumparan memiliki 500 lilitan. Jika fluks magnetik yang menembus kumparan berubah dari 0.02 Wb menjadi 0.06 Wb dalam waktu 0.1 detik, berapakah besar GGL induksi yang timbul pada kumparan tersebut?
Pembahasan:
Diketahui:
Jumlah lilitan ($N$) = 500
Perubahan fluks magnetik ($Delta Phi$) = $Phiakhir – Phiawal$ = 0.06 Wb – 0.02 Wb = 0.04 Wb
Selang waktu ($Delta t$) = 0.1 detik
Ditanya: GGL induksi ($mathcalE$)
Menggunakan Hukum Faraday:
$mathcalE = -N fracDelta PhiDelta t$
Substitusikan nilai yang diketahui:
$mathcalE = -500 cdot frac0.04 text Wb0.1 text s$
$mathcalE = -500 cdot 0.4 text V$
$mathcalE = -200 text V$
Besar GGL induksi yang timbul adalah 200 Volt. Tanda negatif menunjukkan arahnya sesuai Hukum Lenz.
Contoh Soal 6 (Transformator):
Sebuah transformator memiliki jumlah lilitan primer 1000 lilitan dan jumlah lilitan sekunder 200 lilitan. Jika tegangan primer yang diberikan adalah 220 V, berapakah tegangan sekunder yang dihasilkan? Jika arus primer yang mengalir adalah 0.1 A, berapakah arus sekunder pada trafo ideal?
Pembahasan:
Diketahui:
Jumlah lilitan primer ($N_p$) = 1000
Jumlah lilitan sekunder ($N_s$) = 200
Tegangan primer ($V_p$) = 220 V
Arus primer ($I_p$) = 0.1 A
Ditanya:
Tegangan sekunder ($V_s$)
Arus sekunder ($I_s$)
Menggunakan perbandingan pada transformator ideal:
$fracV_pV_s = fracN_pN_s$
Untuk mencari $V_s$:
$V_s = V_p cdot fracN_sN_p$
Substitusikan nilai yang diketahui:
$V_s = 220 text V cdot frac2001000$
$V_s = 220 text V cdot 0.2$
$V_s = 44 text V$
Selanjutnya, menggunakan perbandingan arus pada transformator ideal:
$fracN_pN_s = fracI_sI_p$
Untuk mencari $I_s$:
$I_s = I_p cdot fracN_pN_s$
Substitusikan nilai yang diketahui:
$I_s = 0.1 text A cdot frac1000200$
$I_s = 0.1 text A cdot 5$
$I_s = 0.5 text A$
Jadi, tegangan sekunder yang dihasilkan adalah 44 Volt, dan arus sekunder pada trafo ideal adalah 0.5 Ampere.
IV. Fisika Inti dan Radioaktivitas: Dunia Partikel Subatomik
Bagian ini memperkenalkan struktur atom dari sudut pandang fisika nuklir, termasuk radioaktivitas dan aplikasinya.
Konsep Kunci:
- Atom: Terdiri dari inti atom (proton dan neutron) dan elektron yang mengelilinginya.
- Nomor Massa (A): Jumlah proton dan neutron dalam inti atom.
- Nomor Atom (Z): Jumlah proton dalam inti atom.
- Isotop: Atom-atom dari unsur yang sama (memiliki nomor atom sama) tetapi memiliki nomor massa berbeda (jumlah neutron berbeda).
- Radioaktivitas: Peristiwa peluruhan inti atom tidak stabil secara spontan untuk memancarkan radiasi (partikel alfa, beta, atau sinar gamma).
- Peluruhan Radioaktif:
- Peluruhan Alfa ($alpha$): Inti atom memancarkan partikel alfa (inti Helium). Nomor massa berkurang 4, nomor atom berkurang 2.
- Peluruhan Beta ($beta$): Inti atom memancarkan partikel beta (elektron atau positron). Nomor massa tetap, nomor atom berubah.
- Peluruhan Gamma ($gamma$): Inti atom memancarkan sinar gamma (foton berenergi tinggi). Tidak mengubah nomor massa maupun nomor atom.
- Waktu Paruh ($T_1/2$): Waktu yang dibutuhkan agar separuh dari jumlah inti radioaktif meluruh.
$N(t) = N0 left(frac12right)^t/T1/2$
dimana $N(t)$ adalah jumlah inti radioaktif pada waktu $t$, $N0$ adalah jumlah inti radioaktif awal, $t$ adalah waktu yang telah berlalu, dan $T1/2$ adalah waktu paruh.
Contoh Soal 7 (Peluruhan Alfa):
Inti atom Uranium-238 ($^238_92$U) meluruh secara alfa. Tentukan inti atom hasil peluruhan tersebut.
Pembahasan:
Peluruhan alfa berarti inti atom memancarkan partikel alfa, yaitu inti atom Helium ($^42$He).
Persamaan peluruhan:
$^23892$U $rightarrow$ X + $^4_2$He
Untuk menentukan inti atom hasil peluruhan (X), kita gunakan hukum kekekalan nomor massa dan nomor atom:
Nomor massa: $238 = A_X + 4 Rightarrow A_X = 238 – 4 = 234$
Nomor atom: $92 = Z_X + 2 Rightarrow Z_X = 92 – 2 = 90$
Inti atom dengan nomor atom 90 adalah Thorium (Th).
Jadi, inti atom hasil peluruhan adalah $^234_90$Th.
Contoh Soal 8 (Waktu Paruh):
Suatu sampel radioaktif memiliki waktu paruh 10 hari. Jika pada awal pengamatan terdapat 80 gram sampel tersebut, berapa sisa sampel radioaktif setelah 30 hari?
Pembahasan:
Diketahui:
Massa awal ($m0$) = 80 gram
Waktu paruh ($T1/2$) = 10 hari
Waktu pengamatan ($t$) = 30 hari
Ditanya: Sisa massa sampel radioaktif ($m(t)$)
Menggunakan rumus waktu paruh:
$m(t) = m0 left(frac12right)^t/T1/2$
Substitusikan nilai yang diketahui:
$m(t) = 80 text gram left(frac12right)^30 text hari / 10 text hari$
$m(t) = 80 text gram left(frac12right)^3$
$m(t) = 80 text gram cdot frac18$
$m(t) = 10 text gram$
Jadi, sisa sampel radioaktif setelah 30 hari adalah 10 gram.
Penutup
Fisika kelas XII semester 1 memang menyajikan materi yang menantang namun sangat menarik. Dengan memahami konsep-konsep dasar, menguasai rumus-rumus yang relevan, dan yang terpenting, rajin berlatih mengerjakan soal-soal seperti contoh di atas, Anda akan mampu menghadapi setiap tantangan akademis dengan percaya diri.
Ingatlah bahwa fisika bukan hanya tentang menghafal rumus, tetapi juga tentang membangun intuisi dan pemahaman mendalam terhadap bagaimana alam semesta bekerja. Teruslah bertanya, mencari tahu, dan jangan pernah ragu untuk mencoba menyelesaikan soal-soal yang lebih kompleks. Selamat belajar dan semoga sukses dalam ujian Anda!
Catatan:
- Artikel ini memiliki panjang sekitar 1.200 kata.
- Saya menyertakan rumus-rumus penting dalam format LaTeX untuk kejelasan.
- Contoh soal mencakup berbagai topik utama di semester 1 Fisika SMA Kelas XII.
- Pembahasan soal dibuat langkah demi langkah agar mudah diikuti.
- Bagian diagram rangkaian pada Contoh Soal 2 dan 3 hanya berupa deskripsi teks karena keterbatasan format, namun idealnya akan dilengkapi dengan gambar.
Anda bisa menambahkan lebih banyak variasi soal, soal aplikasi dalam kehidupan sehari-hari, atau topik lain yang relevan jika ingin memperpanjang artikel.
