Tinjauan Mata Kuliah
Mata Kuliah Materi Kurikuler Fisika SMA ini membahas konsep-konsep pilihan fisika yang berkaitan dengan vektor, impuls dan momentum, torsi, momentum sudut dan momen inersia, gelombang elektromagnetik, medan elektromagnetik, induksi elektromagnetik, teori relativitas, struktur kristal, zat padat dan semikonduktor, serta fisika inti dan radioaktivitas. Pokok bahasan tersebut terangkum dalam Buku Materi Pokok (BMP) Materi Kurikuler Fisika SMA dengan bobot mata kuliah 3 sks. Untuk menguasai kompetensi tersebut mahasiswa dituntut untuk mengkaji bahan ajar, mempelajari dari buku pendukung lain, atau bila memungkinkan mencari materi yang sama dari internet.
Buku Materi Pokok (BMP) ini dirancang khusus bagi mahasiswa yang telah menjadi guru untuk belajar secara mandiri. Oleh karena itu, materi yang disusun di dalamnya memudahkan mahasiswa agar memiliki bekal yang cukup dalam mengajarkan materi fisika di SMA.
Semua materi yang disajikan dalam buku ini dikemas sedemikian rupa, dengan adanya contoh dari submateri yang disajikan, latihan, rangkuman di setiap akhir kegiatan belajar untuk memberikan review kepada mahasiswa terhadap materi yang telah dipelajari dan pemberian tes formatif beserta jawabannya di setiap akhir modul untuk melatih penguasaan mahasiswa terhadap materi yang telah ia pelajari serta adanya daftar pustaka dan glosarium yang memandu mahasiswa bila ingin mempelajari lebih mendalam terhadap materi yang dibahas sehingga diharapkan mahasiswa tidak mengalami kesulitan dalam mempelajarinya.
Setelah mempelajari Buku Materi Pokok (BMP) ini diharapkan mahasiswa dapat mengembangkan kemampuan bernalar dalam berpikir analisis induktif dan deduktif dengan menggunakan konsep dan prinsip fisika untuk menjelaskan berbagai peristiwa alam dalam menyelesaikan permasalahan pembelajaran fisika di kelas. Secara khusus, setelah menyelesaikan mata kuliah ini Anda diharapkan mampu:
1. menerapkan konsep Vektor;
2. menerapkan konsep Momentum dan Impuls;
3. menerapkan konsep Benda Tegar;
4. menerapkan konsep Gelombang Elektromagnetik;
5. menerapkan konsep Medan Elektromagnetik;
6. menerapkan konsep Induksi Elektromagnetik;
7. menerapkan konsep Radiasi Benda Hitam dan Teori Relativitas;
8. menerapkan konsep Struktur Kristal, Zat Padat dan Semikonduktor;
9. menerapkan konsep Fisika Inti dan Radioaktivitas.
Untuk mencapai kompetensi tersebut, maka materi mata kuliah ini disusun dalam sembilan modul sebagai berikut.
Modul 1. Vektor dan Penggunaan Vektor
Modul 2. Momentum dan Impuls
Modul 3. Benda Tegar
Modul 4. Gelombang Elektromagnetik
Modul 5. Medan Elektromagnetik
Modul 6. Induksi Elektromagnetik
Modul 7. Radiasi Benda Hitam dan Teori Relativitas
Modul 8. Struktur Kristal, Zat Padat dan Semikonduktor
Modul 9. Fisika Inti dan Radioaktivitas
Agar Anda berhasil dalam mempelajari modul-modul dalam Buku Materi Pokok ini, maka berusahalah secara sungguh-sungguh dalam mempelajari modul permodul, ikutilah petunjuk belajar yang ada dalam setiap modul dan jangan lupa kerjakanlah selalu soal-soal yang diberikan pada setiap akhir modul. Evaluasilah diri Anda sendiri dengan cara menghitung persentase penguasaan Anda terhadap tes formatif setiap modul yang diberikan.
Selamat Belajar, semoga sukses!
MODUL 1: VEKTOR DAN PENGGUNAAN VEKTOR
Kegiatan Belajar 1
Vektor
Kegiatan Belajar 2
Penggunaan Vektor dalam Gerak
Penggunaan Vektor dalam Gerak
Studi mekanika biasanya dibagi menjadi dua topik, yaitu:
(1) Kinematika: mempelajari gerak benda (obyek) tanpa memper- soalkan sesuatu yang menyebabkan benda tersebut bergerak. Pada konteks ini kita belum memerlukan hukum-hukum Newton tentang gerak.
(2) Dinamika: mempelajari gerak benda (obyek) dengan memperhi- tungkan sesuatu yang menyebabkan benda tersebut bergerak, yaitu (vektor) gaya. Di sini selain kita ingin melihat bagaimana benda bergerak juga ingin menjawab mengapa (why) benda tersebut bergerak? Yaitu kita mesti meninjau gaya-gaya yang menyebabkan gerak tersebut? Di sini hukum-hukum Newton mesti diterapkan untuk dapat memecahkan problem.
Gerak benda secara umum dapat memilih salah satu atau kombinasi dari tipe-tipe gerak berikut, yaitu:
(i) Gerak Translasi. Merupakan gerak dalam garis lurus, misalnya mobil yang bergerak lurus atau gerak benda jatuh ke permukaan bumi.
(ii) Gerak Rotasi. Gerak rotasi ini mempunyai lintasan yang ingin memutari sesuatu. Lintasan dapat berbentuk lingkaran, elips atau yang lain.
(iii) Gerak Vibrasi. Gerak vibrasi ini memiliki karakteristik bergerak bolak-balik terhadap suatu titik kesetimbangan.
Jadi di alam, gerak suatu obyek dapat dimodelkan dengan tipe-tipe gerak di atas termasuk tipe kombinasinya.
Vektor jarak digambarkan terhadap titik asal koordinat (0) dan sering juga disebut vektor posisi karena memberi gambaran posisi sebuah benda terhadap acuan. Besaran fisis kecepatan (velocity) rata-rata di definisikan dengan:
DAFTAR PUSTAKA
Alvin Harpern. (1988). Physics: Schaum’s Solved Problems Series. McGraw Hill Book Company.
Andy Ruina and Rudra Pratap. (2002). Introduction to Statics and Dynamics, Oxford University Press.
Arya, A.P. (1979). Introductory College Physics. Macmillan Pub. Company.
Benjamin Crowell. Newtonian Physics dalam: www.lighandmatter.com.
Eutiquio C. Young. (1993). Vektor and Tensor Analysis. New York: Marcel Dekker.
Frank L. H. Wolfs. (2004). Rochester, NY: University of Rochester. http://physics.tamuk.edu/%7Esuson/word/2325/policies.doc
Halpern, A. (1988). Physics: Schaum’s Solved Problems Series. McGraw-Hill Book Company.
John W. Norbury. (2000). Elementary Mechanics and Thermodynamics. Univ. of Wiskonsin-Milwaukee.
Murray R. Spiegel. (1983). Theoretical Mechanics: Schaum Outline Series. Singapore: McGraw Hill Book Comp.
Paul G. Hewitt. (2002). Conceptual Physics. Pearson-Addison-Wesley.
Richard Fitzpatrick. Classical Mechanics: Introductory Course. The University of Texas.
MODUL 2: MOMENTUM DAN IMPULS
Kegiatan Belajar 1
Konsep Gaya, Impuls, dan Momentum
Berbagai gaya telah didefinisikan dalam rangka menjelaskan interaksi-interaksi yang terjadi di alam. Gaya adalah konsep matematika untuk menggambarkan interaksi antar dua atau lebih obyek-obyek.
Ada tiga tipe gaya yang akan kita singgung pada kuliah sekarang ini. Ketiga gaya tersebut adalah:
(1) Gaya-gaya terapan. Gaya-gaya terapan adalah gaya yang muncul karena interaksi antara obyek dengan obyek lain. Biasanya dua obyek tersebut akan bersentuhan (in contact) dalam periode yang singkat.
(2) Gaya-gaya alamiah (fundamental). Sesungguhnya, gaya aksi langsung (terapan) dan gaya kontak adalah aplikasi dari gaya-gaya alamiah. Ada empat gaya fundamental di alam ini: gaya gravitasi, gaya elektromagnetik, gaya nuklir dan gaya lemah (weak forces).
(3) Gaya-gaya kontak (contact forces). Gaya-gaya ini karena kontak antara satu obyek dengan obyek (benda) lain. Gaya ini dapat diuraikan ke dalam dua komponen: tegak dan sejajar. Secara umum gaya tipe ini terjadi kontak dalam periode lama. Sebagai contoh Gaya normal bekerja tegak lurus pada benda/obyek. Gaya gesekan bekerja pada benda sejajar bidang gerak benda, dan memberi efek menahan benda supaya tak bergerak atau mengurangi kecepatan gerak benda. Oleh karena itu arah gaya gesek melawan arah gerak benda.
Konsep gaya juga erat kaitannya dengan konsep momentum dan impuls. Gaya seperti dalam hukum Newton II didefinisikan dengan . Jika massa obyek adalah konstan maka . Impuls didefinisikan dengan . Pada dasarnya jika kita dapat mendefinisikan gaya-gaya yang bekerja pada benda maka kita dapat menganalisis dinamika sebuah benda menurut hukum II Newton.
Kegiatan Belajar 2
Hukum Kekekalan Energi dan Momentum
Pada peristiwa tumbukan maka fenomenanya dengan baik dapat diungkap dengan menggunakan hukum kekekalan momentum bersama-sama hukum kekekalan energi. Konsep energi juga erat kaitannya dengan konsep kerja. Menurut fisika usaha W yang dilakukan oleh gaya pada obyek bermassa m didefinisikan sebagai hasil kali skalar antara gaya dengan vektor perpindahan (pergeseran) : . Jadi menurut definisi ini harus muncul perpindahan akibat adanya gaya pada benda tersebut. Jadi menurut definisi ini jika seseorang berusaha mendorong sebuah meja sekuat dia mendorong namun meja tetap tidak bergeser maka kerja yang dihasilkan adalah nol atau usaha yang dilakukan nol alias usahanya sia-sia. Usaha dalam sistem SI mempunyai satuan N.m yang juga disebut joule (J). Satu joule jadi didefinisikan dengan usaha yang dilakukan oleh gaya sebesar 1 N untuk pergeseran sejauh 1 m pada arah kerja gaya. Jika gaya adalah fungsi posisi maka usaha yang dilakukan gaya untuk memindahkan obyek sejauh adalah:
Energi didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan kerja; atau energi adalah kerja yang disimpan. Energi dalam hal ini bisa dalam berbagai bentuk seperti energi listrik, energi termal, energi kinetik. Energi kinetik obyek yang bergerak adalah . Energi potensial didefinisikan dengan yang dapat diberikan interpretasi fisis (makna fisis) sebagai energi yang dimiliki sebuah obyek karena kedudukannya (posisi x2 yang relatif terhadap x1).
DAFTAR PUSTAKA
Alvin Harpern. (1988). Physics: Schaum’s Solved Problems Series. McGraw Hill Book Company.
Andy Ruina and Rudra Pratap. (2002). Introduction to Statics and Dynamics. Oxford University Press.
Arya, A.P. (1979). Introductory College Physics. Macmillan Pub. Company.
Benjamin Crowell. (2005). Simple Nature: An Introduction to Physics for Engineering and Physical Science Students.
Benjamin Crowell. (2006). Discovery Physics, Light and Matter. Furlleton, California.
Benjamin Crowell. Newtonian Physics dalam: www.lighandmatter.com.
_________.(1992). DOE Fundamental Handbook: Classical Physics. U.S: Department of Energy.
Frank L. H. Wolfs. (2004). University of Rochester, Rochester, NY 14627, USA.
Jeffrey W. Schnick. (2005). Calculus Based Physics I.
John W. Norbury. (2000). Elementary Mechanics and Thermodynamics. Univ. of Wiskonsin-Milwaukee.
http://physics.tamuk.edu/%7Esuson/word/2325/policies.doc
Murray R. Spiegel. (1983). Theoretical Mechanics: Schaum Outline Series. Singapore: McGraw Hill Book Comp.
Paul G. Hewitt. (2002). Conceptual Physics. Pearson-Addison-Wesley.
MODUL 3: BENDA TEGAR
Kegiatan Belajar 1
Rotasi Benda Tegar
Dalam fisika, benda tegar adalah idealisasi dari benda padat dengan ukuran tertentu/berhingga (finite) yang tidak mengalami perubahan bentuk (deformation). Jadi benda tegar dapat dipandang sebagai kumpulan partikel (massa titik) yang kedudukan masing-masing partikel tetap terhadap satu sama lain adalah tetap, sehingga sifat-sifatnya berbeda dengan fluida. Partikel dipandang mempunyai ukuran kecil tak hingga (infinite) sedangkan fluida mengalami perubahan bentuk sesuai dengan tempat yang mewadahi fluida.
Oleh karena tidak terdeformasi/tidak mengalami perubahan bentuk maka jarak antara dua titik sembarang di dalam benda tegar tidak berubah sepanjang waktu, mengabaikan gaya luar yang bekerja pada benda tegar tersebut. Di dalam mekanika klasik (Newton) sebuah benda tegar sering dipandang sebagai sebuah distribusi massa yang kontinu, sehingga sebuah obyek yang bergerak dapat dianggap sebagai sebuah massa tunggal. Sesungguhnya, secara umum jika sebuah benda tegar bergerak, maka ada dua hal yang berubah terhadap waktu, yaitu posisinya oleh gerak translasi dan orientasinya oleh gerak rotasi benda tegar. Sebagai contoh, sebuah silinder pejal yang menggelinding, maka tipe geraknya adalah kombinasi dari gerak translasi dan rotasi. Untuk benda tegar ini, telaahnya lebih menguntungkan jika kita tinjau pusat massanya.
Untuk kinematika gerak melingkar dapat didefinisikan kecepatan sudut (rata-rata) . Kecepatan sesaat diperoleh untuk limit ∆t 0 yaitu . Jika maka dapat didefinisikan hubungan antara kecepatan linear dan kecepatan sudut: . Kecepatan adalah vektor dan untuk gerak melingkar maka arah kecepatan linear v selalu berbeda dengan arah kecepatan sesaat sebelumnya, yaitu pada gerak melingkar seragam meskipun besar kecepatan sepanjang kurva konstan (seragam), namun arahnya akan berubah terus. Dari konsep percepatan maka karena ada perubahan arah kecepatan, meskipun besarnya tetap, maka muncul percepatan yang disebut percepatan sentripetal.
Dari konsep energi kinetik, maka untuk gerak rotasi benda tegar dapat didefinisikan momen inersia , sehingga energi kinetik obyek adalah . Yang mana kita lihat bentuknya sangat mirip dengan energi kinetik gerak translasi yaitu K = ½mv2.
Dengan demikian jika dari konsep Newton bahwa massa obyek berkaitan dengan keengganan obyek tersebut untuk mengubah keadaan geraknya, maka demikian juga untuk kasus gerak rotasi maka inersia rotasi (massa rotasional) juga memberikan gambaran keengganan (kelembaman) obyek untuk berotasi.
Kegiatan Belajar 2
Dinamika Gerak Rotasi
Gerak translasi sebuah obyek seperti telah kita ketahui dipengaruhi oleh gaya eksternal. Untuk gerak rotasi maka ada sesuatu yang ekuivalen dengan gaya yaitu apa yang kita sebut torka (torque) atau juga disebut momen gaya (moment of force) atau juga disebut kopel (couple) atau juga disebut gaya angular (angular force) atau juga disebut kakas menurut padanan istilah dalam bahasa Indonesia. Torka adalah ukuran seberapa besar sebuah gaya yang bekerja pada sebuah obyek dapat menyebabkan rotasi. Sebuah obyek berotasi menurut sumbu rotasi tertentu, atau sebuah titik pivot. Jarak antara titik pivot (misal titik O) dan titik di mana gaya F bekerja obyek (benda tegar) menyatakan vektor posisi r obyek.
Hubungan antara gaya dan torka adalah . Dengan r adalah jarak titik pivot ke gaya yang diterapkan. Satuan torka adalah N.m. Meskipun secara matematis urutan Newton dan meter dapat dipertukarkan namun BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) menentukan bahwa satuan torka adalah N.m dan bukan m.N. Sebagai catatan juga satuan energi joule didefinisikan untuk/dengan 1 N.m yang berasal dari gaya kali (dot) jarak.
Namun demikian torka tidak menggunakan satuan joule dan definisi 1 N.m adalah untuk gaya cross vektor jarak. Jika untuk gerak translasi berlaku F = ma maka untuk gerak rotasi berlaku . Jika dalam gerak translasi maka maka untuk rotasi mempunyai hubungan similar yaitu .
Kegiatan Belajar 3
Kesetimbangan Benda Tegar
Dinamika gerak rotasi hukum-hukumnya sangat mirip dengan dinamika gerak translasi yang bertumpu pada hukum-hukum Newton (I, II, dan III). Secara fisis gaya neto yang bekerja pada obyek adalah nol. Dan menurut hukum II Newton berarti benda diam atau bergerak dengan kecepatan konstan.
Persyaratan ini benar untuk gerak yang tidak mengalami rotasi yang dapat juga dianggap benda adalah ditinjau sebagai massa titik terkonsentrasi di pusat massa. Untuk benda tegar secara umum yang mempunyai kemungkinan berotasi, keadaan kesetimbangan tidak cukup hanya dengan itu.
Syarat kesetimbangan pada benda tegar adalah (a) terpenuhinya kesetimbangan translasi (F = 0) dan juga (b) terpenuhinya kesetimbangan rotasi :
Sebuah obyek bisa jadi dalam keadaan kesetimbangan bersyarat (bukan syarat kesetimbangan), yaitu setimbang stabil atau tak stabil. Obyek pada awalnya dalam keadaan setimbang sempurna bisa jadi hanya dengan sedikit usaha (memberikan gaya) maka obyek menjadi tidak setimbang.
Mengapa kesetimbangan ada yang stabil dan yang lain tak stabil? Sebuah obyek dalam setimbang stabil jika pemberian gaya untuk mengganggu obyek akan diikuti oleh adanya gaya yang berusaha mengembalikan obyek ke keadaan setimbang stabilnya (ke posisi stabilnya tadi). Keadaan sebaliknya berlaku, yaitu semakin besar gaya yang mengganggu obyek dari keadaan stabil awal (kesetimbangan tak stabil), maka semakin besar obyek akan jauh dari posisi stabilnya sehingga yang tadinya dalam keadaan kesetimbangan menjadi tidak setimbang (mengalami percepatan?). Jadi kesetimbangan dapat dikelompokkan lagi menjadi kesetimbangan stabil, kesetimbangan tak-stabil dan kesetimbangan netral, bergantung bagaimana pusat massanya berubah oleh gangguan luar.
DAFTAR PUSTAKA
Arya, A.P. (1979). Introductory College Physics. Macmilan Publishing Co.
Benjamin Crowell, http://www.lightandmatter.com
Halpern, A. (1988). Physics: Schaum’s Solved Problems Series. McGraw-Hill Book Company.
Norbury, John W. (2000). Elementary Mechanics and Thermodynamics. Milwaukee: Physics Dept., University of Wisconsin.
Fitzpatrick, Richart. Classical Mechanics. Austin: The University of Texas.
Young & Freedman.(2004). Fisika Universitas. Jakarta: Erlangga.
http://dev.physicslab.org/Default.aspx
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Moment_arm.png
http://farside.ph.utexas.edu/teaching/301/lectures/node97.html
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/circ.html#rotcon
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hph.html
http://physics-help.info/physicsguide/mechanics/rotational_dynamics.shtml
http://theory.uwinnipeg.ca/physics/rot/node10.html
http://wikimediafoundation.org/wiki/
http://www.fearofphysics.com/Seesaw/seesaw.html
http://www.phy.cmich.edu/people/andy/Physics110/Book/Phy110.htm
http://www.physicsclassroom.com/Class/
http://www.unb.ca/web/civil/schriver/Previews/CE1013/Particle/Particle.htm
http://zebu.uoregon.edu/~probs/mechs
MODUL 4: GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
Kegiatan Belajar 1
Gejala Gelombang
Gelombang per definisi adalah gangguan periodik yang merambat. Gelombang merupakan salah satu mekanisme perpindahan energi dari satu tempat ke tempat lain tanpa adanya perpindahan materi itu sendiri. Gelombang dalam perambatannya ada yang memerlukan medium seperti gelombang mekanik (suara, gelombang tali, gelombang air) dan ada juga yang tidak memerlukan medium seperti gelombang elektromagnetik.
Secara matematis, sebuah gelombang diwakili oleh fungsi gelombang f(x,t) misalnya untuk 1D, yang harus memenuhi persamaan gelombang yang sesuai. Pada fungsi gelombang diberikan beberapa karakteristik gelombang seperti: amplitudo A (simpangan maksimum gelombang), frekuensi f (banyaknya gelombang per detik atau lebih tepat banyaknya osilasi per detik), panjang gelombang (jarak di mana pola gelombang berulang kembali disebut panjang gelombang ) dan cepat rambat v. Sebagai contoh f(x,t) = A sin (kx – ωt). Energi yang dibawa oleh gelombang sebanding dengan kuadrat amplitudo, yaitu E ~ A2 sedangkan daya yang diberikan jika diserap adalah sebanding dengan kuadrat amplitude kali lajunya P ~ A2v.
Gelombang transversal adalah gelombang yang mana arah gerak simpangan (gangguan) gelombang adalah tegak lurus pada arah rambat gelombang. Gelombang (kecuali gelombang EM yang memang tidak memerlukan medium) ini tidak dapat merambat dalam medium gas dan cair. Gelombang longitudinal adalah gelombang yang mana arah pergeseran (simpangan) gelombang sejajar dengan arah rambat gelombang. Gelombang suara di udara adalah salah satu contoh gelombang longitudinal. Gelombang suara merambat melalui udara sebagai gelombang longitudinal. Kecepatan suara ditentukan oleh sifat-sifat udara (suhu, kerapatan, kelembaban), dan tidak oleh frekuensi atau amplitude gelombang suara.
Gelombang juga dapat mengalami superposisi dengan gelombang yang lain, yang menghasilkan interferensi. Gelombang juga dapat mengalami pemantulan oleh medium. Pemantulan gelombang mengikuti sudut datang sama = sudut pantul. Demikian juga gelombang juga dapat mengalami difraksi atau pembelokan gelombang. Efek difraksi gelombang suara misalnya adalah terdengarnya suara dari tempat jauh meskipun banyak penghalang berupa gedung, pohon, dan sebagainya yang merintangi.
Kegiatan Belajar 2
Gelombang Elektromagnetik
Gelombang elektromagnetik mempunyai kecepatan rambat yang luar biasa yaitu pada laju c = 3 x 108 m/s. Ini adalah orde kecepatan cahaya, sehingga tidak mengherankan jika cahaya adalah salah satu gelombang EM. Gelombang EM mempunyai rentang panjang gelombang (spektrum) yang cukup luas, mulai gelombang radio yang paling besar, sampai sinar gamma yang paling kecil.
Gelombang EM sesuai mempunyai komponen medan listrik E dan komponen medan magnet B yang saling tegak lurus satu sama lain dan tegak lurus pada arah rambat gelombang. Gelombang EM yang mempunyai komponen listrik-magnet tersebut kajian secara lengkap dan kompak memerlukan perangkat empat persamaan Maxwell yang terkenal.
Cahaya yang merupakan gelombang EM memperlihatkan efek-efek yang menarik seperti adanya pola frinji interferensi jika melalui celah ganda. Kajian teoritik interferensi celah ganda (yang juga sering disebut percobaan Young) memerlukan konsep superposisi gelombang. Pola frinji interferensi muncul sebagai pola gelap-terang yang menggam- barkan intensitas gelombang untuk masing-masing tempat di titik frinji. Jika d adalah jarak antar celah dan D adalah jarak celah ke layar, dan m adalah orde gelap-terang maka frinji terang dapat dihitung dengan: untuk ( ) dengan lokasi frinji terang ke –m pada layar dapat ditemukan yaitu: . Untuk D >>d, sehingga sudut sangat kecil. Oleh karena itu, untuk pendekatan sudut kecil dapat berlaku: dan jauh frinji terang ke-m pada layar dari titik pusat dapat dihitung dengan: .
Dengan cara yang sama, frinji gelap pada layar berkaitan dengan intensitas minimum cahaya, yang memenuhi kaitan: untuk ( ) dengan lokasi frinji gelap ke-m pada layar dapat ditentukan yaitu: untuk ( ).
Selain dapat memperlihatkan efek interferensi, maka cahaya juga dapat mengalami difraksi atau pembelokan cahaya akibat rintangan. Demikian juga cahaya dapat mengalami polarisasi cahaya (untuk arah vibrasi medan listrik) apabila dipantulkan, atau dibiaskan atau diserap oleh medium.
DAFTAR PUSTAKA
A. Arkundato, dkk. (2007). Gelombang. Jakarta: Universitas Terbuka.
Arya, A.P. (1979). Introductory College Physics. Macmilan Publishing Co.
Gupta S.L, Gupta S. (2006). ITT Physics Vol I, Jai Prakash Publications.
Halpern, A. (1988). Physics: Schaum’s Solved Problems Series. McGraw-Hill Book Company.
Serway, R.A. (2004). Physics for Scientists and Engineers. Thomson Books/Cole.
Young & Freedman. (2004). Fisika Universitas. Jakarta: Erlangga.
http://www.ece.umd.edu/~taylor/frame6.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Brewster's_angle
http://faculty.salisbury.edu/~jwhoward/Physics123/html/ch24.htm
MODUL 5: MEDAN ELEKTROMAGNETIK
Kegiatan Belajar 1
Induksi Elektromagnetik
Hubungan antara kelistrikan dan kemagnetan untuk pertama kalinya secara eksperimental dibuktikan oleh Hans Christian Oersted pada tahun 1820. Berdasarkan eksperimen tersebut, Biot-Savart memformulasikan hubungan tersebut dalam sebuah persamaan matematis
B =
dengan adalah konstanta permeabilitas, i adalah arus yang mengalir dalam penghantar, ds merupakan elemen panjang dari penghantar dan r adalah jarak yang menghubungkan penghantar dengan titik yang hendak diuji nilai induksi magnetiknya.
Generalisasi kasus muncul ketika arus listrik mengalir pada sebuah penghantar yang memiliki simetri lebih tinggi, yang tercakup dalam ruang tiga dimensi. Ampere berhasil merumuskan sebuah formula yang menghubungkan perubahan variabel i dan B sebagai berikut.
Induksi magnetik yang terhitung di sini muncul sebagai akibat adanya aliran listrik yang terlingkupi oleh lintasan tertutup Amperian. Ini berarti, hanya bagian arus yang berada di dalam lintasan yang berkontribusi terhadap besarnya medan.
Kegiatan Belajar 2
Aplikasi Medan Elektromagniti
Keberadaan medan magnet eksternal B di sekitar kawat penghantar sepanjang l berarus i menyebabkan pada kawat bekerja sebuah gaya yang dikenal dengan gaya magnet sebesar
Berdasarkan persamaan tersebut, gaya maksimum didapatkan ketika arah arus tegak lurus terhadap arah medan magnet eksternal. Secara manual, kita dapat menggunakan aturan tangan kanan untuk menentukan arah gaya magnet.
Gerak partikel bermuatan dengan kecepatan tertentu v di dalam sebuah medan magnet eksternal B dapat dipandang sebagai aliran arah arus dalam kawat. Gaya magnet yang dihasilkan adalah
.
Aturan tangan kanan dapat pula diaplikasikan dalam kasus gerak partikel bermuatan.
Sebuah partikel yang bergerak di dalam ruang bermedan magnet B pada dasarnya akan mengalami dua komponen gaya sekaligus, yaitu gaya listrik dan gaya magnet, yang kemudian dituliskan sebagai gaya Lorentz
,
yang tidak lain merupakan resultan dari kedua komponen gaya. Dalam kehidupan sehari-hari, gaya Lorentz dijadikan sebagai prinsip dasar dari penggunaan galvanometer, motor listrik, loudspeaker, spektrometer massa dan pemompa darah elektromagnetik.
DAFTAR PUSTAKA
MODUL 6: INDUKSI ELEKTROMAGNETIK
Kegiatan Belajar 1
Hukum Faraday
Jika sejumlah koil dikenai medan magnet eksternal yang besarnya bervariasi terhadap waktu, maka pada koil akan muncul arus induksi yang dihasilkan oleh GGL induksi menurut persamaan
Tanda negatif menunjukkan arah arus yang diatur oleh hukum Lenz yang berbunyi
Arus induksi yang dihasilkan dalam sebuah rangkaian tertutup memiliki arah sedemikian hingga berlawanan dengan perubahan medan yang menyebabkan arus induksi tersebut.
Menurut persamaan di atas, selain dengan memvariasi besarnya B, GGL induksi juga dapat dihasilkan dengan mengubah besarnya luasan penampang koil yang dilalui oleh medan magnet.
Beberapa perangkat elektrik yang bekerja menurut hukum Faraday di antaranya adalah induktor, transformator, generator listrik dan head tape recorder.
Induktor merupakan perangkat elektronika yang banyak sekali dijumpai penggunaannya dalam rangkaian elektronik. Peristiwa induksi sendiri dapat dikategorikan ke dalam dua peristiwa, yaitu induksi diri yang menghasilkan besaran induktansi
,
dan induksi bersama yang menghasilkan besaran induktasi bersama
Transformator merupakan perangkat utama yang digunakan untuk memvariasi besarnya tegangan input dari sumber agar dapat menghasilkan besarnya tegangan sesuai dengan kebutuhan. Persamaan transformator yang digunakan adalah
.
Dua jenis transformator yang sering dikenal adalah step-up transformator dan step-down transformator. Untuk jenis transformator ideal dengan efisiensi perubahan energi 100% berlaku hubungan .
Kegiatan Belajar 2
Arus Bolak-balik
Jika sejumlah koil dikenai medan magnet eksternal yang besarnya bervariasi terhadap waktu, maka pada koil akan muncul arus induksi yang dihasilkan oleh GGL induksi menurut persamaan
Tanda negatif menunjukkan arah arus yang diatur oleh hukum Lenz yang berbunyi
Arus induksi yang dihasilkan dalam sebuah rangkaian tertutup memiliki arah sedemikian hingga berlawanan dengan perubahan medan yang menyebabkan arus induksi tersebut.
Menurut persamaan di atas, selain dengan memvariasi besarnya B, GGL induksi juga dapat dihasilkan dengan mengubah besarnya luasan penampang koil yang dilalui oleh medan magnet.
Beberapa perangkat elektrik yang bekerja menurut hukum Faraday di antaranya adalah induktor, transformator, generator listrik dan head tape recorder.
Induktor merupakan perangkat elektronika yang banyak sekali dijumpai penggunaannya dalam rangkaian elektronik. Peristiwa induksi sendiri dapat dikategorikan ke dalam dua peristiwa, yaitu induksi diri yang menghasilkan besaran induktansi
,
dan induksi bersama yang menghasilkan besaran induktasi bersama
Transformator merupakan perangkat utama yang digunakan untuk memvariasi besarnya tegangan input dari sumber agar dapat menghasilkan besarnya tegangan sesuai dengan kebutuhan. Persamaan transformator yang digunakan adalah
.
Dua jenis transformator yang sering dikenal adalah step-up transformator dan step-down transformator. Untuk jenis transformator ideal dengan efisiensi perubahan energi 100% berlaku hubungan .
DAFTAR PUSTAKA
Arya, A.P. (1979). Introductory College Physics. Macmilan Publishing Co.
Giancolli D. (1980). Physics. Third Edition. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice Hall.
Halliday, Resnick, Krane. (1992). Physics 4th ed. New York: John Wiley & Sons.
Halpern, A. (1988). Physics: Schaum’s Solved Problems Series. McGraw-Hill Book Company.
Sternheim, Kane. (1986). General Physics. Second Edition. New York: John Wiley & Sons.
Young & Freedman. (2004). Fisika Universitas. Jakarta: Erlangga.
MODUL 7: RADIASI BENDA HITAM DAN TEORI RELATIVITAS
Kegiatan Belajar 1
Radiasi Benda Hitam
Radiasi yang dihasilkan oleh suatu benda akibat temperaturnya disebut radiasi termal. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa terdapat satu kelas benda panas yang memancarkan spektral panas dengan karakter universal yang disebut dengan benda hitam. Benda hitam didefinisikan sebagai suatu benda yang menyerap seluruh radiasi yang mengenainya. Daya total per satuan luas atau intensitas radiasi total yang dipancarkan pada semua frekuensi oleh benda hitam dapat dinyatakan dengan hukum Stefan Boltzmann.
Kurva hubungan antara intensitas radiasi yang dipancarkan oleh suatu benda hitam terhadap panjang gelombangnya memperlihatkan bahwa jika temperatur dinaikkan maka intensitas radiasi akan meningkat. Pada setiap harga temperatur tertentu terlihat adanya harga intensitas maksimum, yaitu pada saat panjang gelombang memiliki harga tertentu dan disimbolkan dengan maks. Jika temperatur berubah maka maks akan mengalami pergeseran. Semakin tinggi temperatur, intensitas maksimum akan bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih rendah. Gejala pergeseran intensitas radiasi benda hitam tersebut dikenal sebagai pergeseran Wien. Wien menemukan bahwa hasil kali antara intensitas radiasi pada saat maks dengan temperatur mutlaknya merupakan suatu besaran yang konstan.
Penjelasan ilmiah mengenai radiasi benda hitam melalui tinjauan klasik telah mengalami kegagalan. Selanjutnya Max Planck berusaha mencoba mencari dasar teori untuk mendapatkan rumusan empiris tentang radiasi benda hitam. Planck mengemukakan gagasan baru yang radikal dan bertentangan dengan fisika klasik yang menyatakan bahwa energi radiasi benda hitam adalah diskrit. Justru dari gagasan tersebut akhirnya radiasi benda hitam dapat dijelaskan secara memuaskan.
Kegiatan Belajar 2
Teori Relativitas
Percobaan Michelson Morley dilakukan untuk menyelidiki keberadaan eter yang dianggap sebagai medium perambatan gelombang cahaya yang mengisi alam semesta. Hasil percobaan menunjukkan bahwa tidak dapat dideteksi kelajuan gerak bumi relatif terhadap eter yang berarti tidak mungkin ada eter dan tidak ada pengertian gerak absolut. Setiap gerak adalah relatif terhadap kerangka acuan tertentu yang bukan kerangka acuan universal. Hasil percobaan tersebut juga memperlihatkan bahwa kelajuan cahaya adalah sama bagi setiap pengamat.
Hasil yang diperoleh dari percobaan Michelson dan Morley telah meletakkan dasar bagi teori relativitas khusus yang menyatakan ketiadaan kerangka acuan universal. Teori relativitas khusus bersandar pada dua postulat relativitas khusus yang dikemukakan oleh Einstein. Postulat pertama menyatakan bahwa “Hukum-hukum fisika dapat dinyatakan dalam bentuk yang sama pada semua kerangka acuan yang bergerak dengan kecepatan tetap satu dengan lainnya”. Postulat kedua menyatakan bahwa: “Kelajuan cahaya dalam ruang hampa sama besar untuk semua pengamat, tidak bergantung dari keadaan gerak pengamat”. Transformasi yang berlaku dalam teori relativitas adalah transformasi Lorentz. Beberapa akibat dari berlakunya teori relativitas khusus adalah peristiwa kontraksi panjang dan dilatasi waktu serta terdapat tinjauan tentang massa, momentum, dan energi relativistik.
DAFTAR PUSTAKA
Beiser, A. (1987). Concepts of Modern Physics, Fourth Edition. New York: McGraw-Hill.
Bueche, F. J. (1989). Theory and Problem of College Physics, 8th Edition. New York: McGraw-Hill.
Foster, B. (2006). Terpadu Fisika SMA untuk Kelas XII. Jakarta: Erlangga.
Halliday, D., Resnick, R., Silaban, P. dan Sucipto, E. (1999). Fisika Jilid 2 Edisi Ketiga. Jakarta: Erlangga.
Kamajaya. (2005). Fisika untuk SMA Kelas III (Kelas XII) Semester 2. Bandung: Grafindo Media Pratama.
Kanginan, M. (2004). Fisika untuk SMA Kelas XII. Jakarta: Erlangga.
Krane, K. (1992). Fisika Modern. Jakarta: UI Press.
Powell, J. L. & Crasemann, B. (1961). Quantum Mechanics. London: Addison-Wesley Publishing Company.
Purwanto, A. (1996). Pengantar Fisika Kuantum. Surabaya: Citra Media.
Whelan, P. M. dan Hodgson, M. J. (1985). Essential Principles of Physics. London: John Murray.
MODUL 8: STRUKTUR KRISTAL, ZAT PADAT, DAN SEMIKONDUKTOR
Kegiatan Belajar 1
Struktur Kristal
Berdasarkan struktur partikel penyusunnya, zat padat dibedakan menjadi kristal dan amorf. Kristal memiliki susunan partikel yang teratur dan berulang secara periodik dalam rentang yang panjang. Sedangkan amorf adalah zat padat yang memiliki keteraturan susunan partikel dalam rentang yang pendek. Susunan partikel dalam zat padat menentukan sifat dari zat padat. Perbedaan susunan partikel dalam berbagai zat padat disebabkan oleh perbedaan gaya ikat di antara atom-atom, ion-ion, atau molekul-molekul penyusunnya. Meskipun tersusun dari partikel yang sama, namun jika susunan partikelnya berbeda akan memiliki sifat yang berbeda.
Partikel-partikel penyusun zat padat terikat kuat satu dengan lainnya. Terdapat lima jenis ikatan dalam zat padat, yaitu ikatan ionik, ikatan kovalen, ikatan logam, ikatan Van der Walls, dan ikatan hidrogen. Ikatan ionik timbul akibat gaya Coulomb antara dua ion yang memiliki muatan yang berbeda. Ikatan kovalen terjadi karena penggunaan elektron valensi secara bersama-sama oleh setiap atom. Pada logam, interaksi antara elektron-elektron bebas dengan ion logam positif akan menimbulkan gaya ikat yang kuat sehingga membentuk ikatan logam. Ikatan Van der Walls terbentuk karena adanya gaya Van der Walls akibat distribusi muatan yang tidak simetris. Sedangkan ikatan hidrogen terbentuk akibat gaya tarik-menarik elektrostatis kuat antara hidrogen pada satu molekul dengan atom N, O, atau F dari molekul lain.
Kristal memiliki susunan dan jarak antar atom atau antar molekul yang teratur. Jika susunan atom atau molekul dalam kristal dihubungkan dengan susunan atom atau molekul lainnya maka akan terbentuk suatu struktur kristal yang teratur pula. Secara umum struktur geometri kristal dapat dibagi menjadi tujuh bentuk, yaitu kubus, heksagonal, tetragonal, trigonal, orthorombik, monoklinik, dan triklinik.
Salah satu cara yang digunakan untuk mengetahui susunan atom dalam kristal adalah melalui difraksi sinar X. Pengamatan struktur zat padat dengan difraksi sinar X pertama kali dilakukan oleh W L Bragg. Pada difraksi sinar X oleh kristal berlaku persamaan dengan d menyatakan jarak antar atom, θ adalah sudut datang, n adalah orde difraksi, dan adalah panjang gelombang sinar X.
Kegiatan Belajar 2
Zat Padat dan Semikonduktor
Konduktivitas zat padat ditentukan oleh struktur pita energi dan pengisian elektron pada pita energi tersebut. Berdasarkan sifat konduktivitasnya, zat padat dapat dibedakan menjadi tiga jenis yaitu konduktor, isolator dan semikonduktor. Pada konduktor, pita konduksi hanya terisi sebagian sehingga elektron-elektron pada pita konduksi dapat bergerak bebas. Pada isolator, pita konduksi tidak terisi oleh elektron dengan celah energi antara pita valensi dan pita konduksi cukup besar sehingga tidak ada elektron bebas bergerak. Sedangkan struktur pita energi pada semikonduktor hampir sama dengan pita energi pada isolator akan tetapi celah energi antara pita valensi dan pita konduksi pada semikonduktor relatif kecil.
Berdasarkan kemurnian atomnya, semikonduktor terbagi menjadi semikonduktor intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik. Semikonduktor intrinsik adalah semikonduktor murni yang belum dikotori atau disisipi dengan atom lain sedangkan semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang telah dikotori atau disisipi oleh atom lain. Terdapat dua jenis semikonduktor ekstrinsik, yaitu semikonduktor jenis n dan semikonduktor jenis p. Semikonduktor jenis n dapat dibentuk dengan menambahkan atom pengotor yang memiliki lima elektron valensi (seperti arsenikum) pada kristal yang memiliki empat elektron valensi (seperti silikon). Sedangkan semikonduktor jenis p dapat dibentuk dengan menambahkan atom pengotor yang memiliki tiga elektron valensi (seperti indium) pada kristal yang memiliki empat elektron valensi (seperti silikon).
Jika semikonduktor jenis n dan jenis p disambungkan maka akan menjadi diode semikonduktor yang memiliki sifat-sifat unik yang banyak ditemukan pada berbagai peralatan elektronika. Ada dua cara untuk memberikan tegangan pada diode semikonduktor yaitu dengan cara panjar mundur dan panjar maju. Beberapa pemanfaatan diode di antaranya adalah sebagai komponen dalam rangkaian penyearah arus dan sebagai penguat.
DAFTAR PUSTAKA
Alonso, M, dan Finn, E., J. (1972). Fudamental University Physics Volume III Quantum and Statistical Physics. California: Addison-Wesley Publishing Company.
Beiser, A. (1987). Concepts of Modern Physics, Fourth Edition. New York: McGraw-Hill.
Bueche, F. J. (1989). Theory and Problem of College Physics, 8th Edition. New York: McGraw-Hill.
Foster, B. (2006). Terpadu Fisika SMA untuk Kelas XII. Jakarta: Erlangga.
Halliday, D., Resnick, R., Silaban, P. dan Sucipto, E. (1999). Fisika Jilid 2. Edisi Ketiga. Jakarta: Erlangga.
Kamajaya. (2005). Fisika untuk SMA Kelas III (Kelas XII) Semester 2. Bandung: Grafindo Media Pratama.
Kanginan, M. (2004). Fisika untuk SMA Kelas XII. Jakarta: Erlangga.
Kittel, C. (1991). Introduction to Solid State Physics: Principles and Applications. Reading-Massachusetts: Addison-Wesley Publishing Company.
Krane, K. (1992). Fisika Modern. Jakarta: UI Press.
MODUL 9: FISIKA INTI DAN RADIOAKTIVITAS
Kegiatan Belajar 1
Fisika Inti
Inti atom tersusun atas nukleon-nukleon (proton dan neutron). Sebuah inti tunggal dari sebuah unsur yang umumnya ditulis lengkap baik nomor massa maupun nomor atomnya disebut sebagai nuklida. Massa dari sebuah inti selalu lebih kecil dibandingkan dengan massa dari nukleon-nukleon penyusunnya. Perbedaan massa yang dikenal sebagai defek massa inti ini dalam konversi energi merupakan energi ikat bagi partikel-partikel penyusun inti:
Nuklida-nuklida yang tidak stabil biasanya memancarkan partikel alfa, beta dan sinar gamma untuk berubah menjadi nuklida baru. Rata-rata terjadinya peluruhan pada sebuah nuklida tak stabil dinyatakan sebagai konstanta peluruhan , sedangkan untuk meluruh menjadi separuh bagian dari jumlah inti mula-mula, inti membutuhkan waktu paruh yang nilainya spesifik bagi setiap unsur yang berbeda.
Jika sejumlah inti pada saat t = 0 adalah sebesar N0, maka pada saat t banyaknya inti dinyatakan oleh
Sedangkan rata-rata waktu hidup bagi sebuah inti tak stabil jika dihubungkan dengan besaran dan adalah
Kegiatan Belajar 2
Radioaktivitas
Mekanisme reaksi inti merupakan sebuah cara yang dapat digunakan untuk menghasilkan sejumlah energi sehingga dapat dimanfaatkan untuk proses selanjutnya. Agar reaksi inti dapat terjadi, ada beberapa ketentuan pokok yang mengharuskannya untuk dipenuhi. Reaksi yang dilakukan harus berpegangan pada prinsip kekekalan muatan, energi, momentum linier dan momentum anguler. Selain itu di dalam merumuskan sebuah reaksi inti, jumlah nukelon total tidak boleh berubah. Syarat lain yang harus diperhatikan adalah berkaitan dengan energi reaksi.
Besarnya energi yang dibutuhkan agar tercipta reaksi inti yang diinginkan, energi reaksi Q, diberikan oleh
dan besarnya Q tidak boleh bernilai negatif.
Reaksi fisi merupakan sebuah contoh reaksi inti yang memungkinkan terjadinya pembelahan sebuah inti tak stabil menjadi dua bagian inti baru dengan perbandingan massa tertentu. Adanya reaksi fisi ini memungkinkan manusia untuk mendapatkan suplai energi yang cukup besar. Dalam hal ini manusia menggunakan sebuah reaktor nuklir yang dapat membangkitkan energi listrik dengan kapasitas daya yang cukup tinggi.
Prinsip dasar dari reaktor nuklir sendiri adalah memanfaatkan energi termal yang dihasilkan ketika proses fisi berlangsung untuk memutar turbin sehingga dapat membangkitkan energi listrik. Jika reaksi ini tidak terkendali, maka terciptalah bom atom hidrogen yang sangat merusak.
Reaksi fusi adalah metode lain yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi melalui proses penggabungan inti ringan menjadi inti yang lebih berat. Energi matahari tercipta melalui reaksi ini.
Beberapa pemanfaatan radioisotop yang dapat kita nikmati saat ini adalah digunakannya sebagai metode diagnostik dan terapi untuk beberapa kasus penyakit berdasarkan sifat radiasi yang dimiliki. Radioisotop dapat pula digunakan sebagai tracer untuk menentukan letak kebocoran pipa bawah tanah, Dalam bidang arkeologi, radioisotop dapat digunakan untuk menentukan umur fosil dan batuan serta masih banyak lagi aplikasi lainnya dalam bidang industri dan pertanian.
DAFTAR PUSTAKA
Benson, H. (1995). University Physics. New York: John & Willey.
Giancolli D. (1980). Physics, Third Edtion. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice Hall.
Halliday, Resnick, Krane. (1992). Physics, 4th ed. New York: John Wiley & Sons.
Sternheim, Kane. (1986). General Physics, second edition. New York: John Wiley & Sons.
Young & Freedman. (1995). University Physics, ninth edition. Amerika: Eddison Wisley Publishing Company.
0 komentar:
Posting Komentar