gratis

FISIKA
DASAR

Silabi

Tujuan Instruksional Umum (TIU)

Tujuan Instruksional Khusus (TIK)

Di sini ditanyakan apa yang dimaksud dengan fisika.

TUJUAN UMUM
Memberikan konsep-konsep dan prinsip-prinsip dasar fisika yang diperlukan untuk belajar fisika lebih lanjut atau ilmu pengetahuan lainnya.Memberikan ketrampilan dalam penyelesaian persoalan fisika dasar terutama dalam pemakaian kalkulus dasar sebagai alat bantu.

RENCANA KEGIATAN MINGGUAN
PENDAHULUAN FISIKA, PENGUKURAN DAN PENGENALAN VEKTORKINEMATIKA BENDA : KECEPATAN DAN PERCEPATAN BENDAGERAK 1 DIMENSI, GERAK LINEAR DAN GERAK ROTASIGERAK 2 DIMENSI, GERAK PELURU DAN GERAK MELINGKAR, GERAK RELATIFDINAMIKA BENDA : HUKUM NEWTONUSAHA DAN ENERGI, KEKEKALAN ENERGIMOMENTUM DAN IMPULS, KEKEKALAN MOMENTUM LINEARKINEMATIKA DAN DINAMIKA ROTASISTATIKA DAN DINAMIKA FLUIDA

BUKU ACUAN
Serway, Reymond A, Physics for Scientist and Engineers with Modern Physics, 2nd Ed.; Saunders, 1986Nolan, Peter J., 1993, Fundamentals of College Physics, Wm. C. Brown Publisher, Melbourne, Australia. Giancoli, Douglas C, Physics for Scientist and Engineers, 2nd Ed., Prentice Hall, 1988.Ohanian, Hans C., Physics, 2nd Ed, Norton, 1989.

Fisika merupakan ilmu pengetahuan dasar yang mempelajari sifat-sifat dan interaksi antar materi dan radiasi.Fisika merupakan ilmu pengetahuan yang didasarkan pada pengamatan eksperimental dan pengukuran kuantitatif (Metode Ilmiah).
Apakah Fisika Itu ?

Fisika merupakan ilmu pengetahuan dasar yang mempelajari tentang gejala alam yang terjadi di jagad raya. Yang dimaksud dengan gejala alam tidak lain adalah sifat-sifat dan interaksi antar materi dan radiasi. Sifat-sifat dan interaksi antar materi antara lain ditunjukkan oleh adanya berbagai macam zat dalam berbagai fase. Terjadinya berbagai peristiwa alam, keadaan alam yang berwarna-warni, dll tidak lepas dari adanya interaksi antar materi dan radiasi.

Ilmu fisika berkembang sesuai dengan hasil pengamatan eksperimental dan pengukuran kuantitatif (metode ilmiah). Untuk melakukan pengamatan diperlukan imajinasi. Dari imajinasi orang tentang peristiwa alam timbul inspirasi untuk menjelaskannya sehingga tercipta teori. Dengan demikian fisika adalah ilmu pengetahuan yang merupakan hasil kreativitas manusia.

Sama-sama hasil kreasi manusia, apa bedanya fisika dengan karya seni atau karya sastra ?

Hasil kreasi dalam ilmu pengetahuan perlu diuji dalam suatu eksperimen. Dalam melakukan eksperimen perlu adanya pengukuran untuk memperoleh data. Sedangkan pengakuan atas karya seni/sastra didasarkan atas kesan/perasaan orang lain terhadap hasil karya tersebut.

Dengan demikian apakah yang dimaksud dengan metode ilmiah ?

Metode Ilmiah adalah pemakaian cara berpikir yang logis untuk mendapatkan suatu model alam yang sesuai dengan hasil-hasil eksperimen.
(Giancoli,1988, 1-1).

RUANG LINGKUP ILMU FISIKA
Definisi Ilmu Fisika : Ilmu fisika adalah ilmu yang mempelajari gejala alam yang tidak hidup serta interaksi dalam lingkup ruang dan waktu.Dalam bahasa Yunani ilmu fisika disebut dengan physikos yang artinya alamiah.Orang yang mempelajari ilmu fisika adalah mengamati perilakudan sifat materi dalambidang yang beragam,mulai dari partikel submikroskopis yang membentuk segala materi (fisikapartikel) hingga perilaku materi alam semesta sebagai satu kesatuan kosmos.

Ilmu Fisika juga berkaitan erat dengan matematika karena banyak teori fisika dinyatakan dalam notasi matematis. Perbedaannya adalah fisika berkaitan dengan pemerian dunia material, sedangkan matematika berkaitan dengan pola-pola abstrak yang tak selalu berhubungan dengan dunia material.Aplikasi ilmu fisika banyak diterapkan pada bidang lain, misalnya : Geofisika, Biofisika, Fisika-kimia, Ekonofisika, dsb.

Teori utama dalam ilmu Fisika

1. Mekanika Klasik :Hukum Newton, Mekanika Lagrangian, Mekanika Hamiltonian, Dinamika fluida, Mekanika kontinuum.

2. Elektromagnetik :Elektrostatik, Listrik, Magnetik, dan Persamaan Maxwell.

3. Mekanika Kuantum : Persamaan Schrodinger dan Teori medan kuantum.

4. Relativitas : Relativitas khusus dan umum.

Bidang utama dalam Fisika
1. Astrofisika : Kosmologi, Ilmu planet, Fisika plasma, BigBang, Inflasi kosmik, Relativitas umum, Hukum gravitasi universal.

2. Fisika atom, molekul dan optik

3. Fisika partikel :Fisika Akselerator dan Fisika nuklir.

4. Fisika benda kondensasi :Fisika benda padat, Fisika material, Fisika polimer dsb.

Perilaku partikel di dalam ruang dari waktu ke waktu, termasuk bagaimana mereka berinteraksi satu sama lain.

Interaksi
Gravitasi Elektromagnet Lemah Kuat
PERISITIWA ALAM

Besaran Gaya

Untuk menjelaskan peristiwa alam perlu idealisasi. Partikel merupakan idealisasi dari benda pejal. Partikel memiliki massa tetapi ukurannya sedemikian kecil sehingga secara geometris dapat dipandang sebagai sebuah titik.

Ruang : menurut geometri Euclides terdiri atas tiga variabel bebas (tiga dimensi). Posisi partikel bisa maju atau mundur.

Waktu : Besaran yang mencerminkan alur peristiwa. Alur peristiwa selalu maju.

Interaksi : hubungan timbal balik antar partikel. Untuk menyatakan besarnya interaksi antar partikel digunakan besaran gaya.

Interaksi gravitasi : hubungan timbal balik antar partikel bermassa. Interaksi ini dinyatakan dengan Hukum Newton.

Interaksi Elektromagnetik : hubungan timbal balik antar partikel bermuatan. Interaksi ini dinyatakan dengan Hukum Coulomb.

Interaksi Lemah : interaksi yang terjadi pada peluruhan beta.

Interaksi Kuat : Interaksi yang menyatukan proton di dalam inti.

Fisika

Klasik

Kuantum

(sebelum 1920)

(setelah 1920)
Posisi dan Momentum
partikel dapat ditetapkan
secara tepat ruang dan waktu merupakan
dua hal yang terpisah
Ketidak pastian Posisi
dan Momentum partikelruang dan waktu
merupakan satu kesatuan
Hukum Newton

Dualisme
Gelombang-Partikel

Peristiwa fisika terjadi di panggung ruang tiga dimensi (dalam geometri Euclides) dan berubah dengan waktu.

Di dalam fisika klasik pada suatu posisi tertentu kita dapat menentukan secara pasti berapa momentum partikel. Perkembangan fisika klasik didasari oleh Hukum Newton.

Pada fisika Kuantum, jika kita hanya dapat menentukan kebolehjadian posisi dan momentum sebagaimana dinyatakan oleh prinsip Heisenberg. Perkembangannya didasarkan pada Dualisme Gelombang-Partikel.

Perangkat Keilmuan Fisika

Diskripsi keadaan dan Interaksi

Model Interaksi

Diskripsi
Makroskopik

Diskripsi
Mikroskopik

Mekanika

Termodinamika

Gelombang

Mekanika Kuantum

Mekanika Statistik

Interaksi gravitasi

Interaksi elektromagnetik

Interaksi kuat

Interaksi lemah

Kajian Keilmuan Fisika

Struktur materi

Gejala
Alam

Sistem
Alam

Sistem Rekayasa

Sistem Lain

Interaksi Fundamental

Zat padat

Molekul

Atom

Inti

Partikel Elementer

dll

Cahaya

Akustik

dll.

Bumi

Atmosfer

Kehidupan, dll.

Reaktor nuklir, dll.

Teknik-Teknik Eksperimental

jalinan

STRUKTUR KEILMUAN FISIKA

Mekanika

Cabang ilmu fisika yang membahas tentang gerakan benda (makroskopis)

Termodinamika

Cabang ilmu fisika yang membahas mengenai panas, suhu dan kelakuan partikel dalam jumlah yang cukup besar

Elektromegnetik

Cabang ilmu fisika yang membahas tentang teori kelistrikan, teori kemagnetan dan gelombang elektromagnetik

Mekanika kuantum

Cabang fisika yang membahas kelakuan partikel mikroskopis

Metode Ilmiah

Pengamatan terhadap

Peristiwa alam

Hipotesa

Eksperimen

TidakCocok

Teori

Prediksi

Hasil

positif

Hasil negatif

Perbaiki teori

Uji prediksi

Metode Ilmiah meliputi lima langkah berikut :

Pengamatan : Pengambilan data, baik dari pengamatan langsung atau dari eksperimen.

Hipotesa : penalaran sementara terhadap peristiwa yang diamati yang masih perlu diuji kebenarannya dengan eksperimen.

Eksperimen : Suatu prosedur tertentu yang dilakukan untuk mendapatkan, menguji atau mendemonstrasikan suatu peristiwa. Jika hasilnya tidak sesuai dengan hipotesa, hipotesa tersebut perlu dimodifikasi. Hipotesa yang baru perlu diuji ulang dengan melakukan eksperimen lagi.

Teori : Jika hipotesa cocok dengan hasil eksperimen (dalam batas-batas tertentu), hipotesa tersebut diterima sebagai teori

Prediksi : Dengan teori dapat diprediksi berbagai hal yang mungkin terjadi. Prediksi tersebut perlu diuji dengan suatu eksperimen. Jika hasilnya positif ditingkatkan/diperluas prediksi. Jika hasil negatif, teori tersebut perlu disempurnakan.

Mengingat tidak ada alat ukur yang sempurna, pengujian dengan eksperimen tidak dapat dituntut hasil yang tepat seperti yang diprediksikan.

BESARAN FISIKA
DAN
SISTEM SATUAN

Di sini ditanyakan apa yang dimaksud dengan fisika.

Model

Pengamatan
Peristiwa Alam

Eksperimen

Pengukuran

Besaran Fisika

Apakah yang diukur ?

Dalam proses ilmiah dilakukan pengamatan terhadap peristiwa alam dan eksperimen. Untuk menyusun eksperimen diperlukan suatu model dari peristiwa nyata.

Model : Imaginasi ilmuwan tentang peristiwa alam yang dibuat untuk menjelaskan peristiwa alam yang sesungguhnya dengan berdasar pada idealisasi dan asumsi-asumsi.

Baik dalam pengamatan peristiwa alam ataupun eksperimen diperlukan pengukuran besaran fisika.

Pengukuran

Kuantitas

(Hasil Pengukuran)

Alat Ukur

Penyajian

Harga

Satuan

Standar ukuran

Sistem satuan

Kalibrasi

Sistem Matrik

SI

Pengukuran dilakukan untuk memperoleh Hasil Pengukuran. Untuk itu diperlukan Alat Ukur.

Ada dua komponen penting dalam penyajian Hasil Pengukuran, yaitu Harga dan Satuan.

Untuk menentukan Harga dan Satuan diperlukan Standar ukuran dan Sistem Satuan. (Terdapat berbagai sistem satuan, baik yang berlaku secara lokal/tradisional maupun internasional).

Untuk membuat alat ukur perlu dilakukan Kalibrasi.

Kalibrasi dilakukan berdasarkan standar ukuran (acuan) dan satuan yang dipakai.

Dalam kehidupan sehari-hari terdapat berbagai macam sistem satuan dan sistem penyajian harga (angka).

Dalam dunia keilmuan telah disepakati bahwa sistem satuan yang dipakai adalah Sistem Internasional atau SI (Le Systeme International dUnites) dan penyajian harga digunakan Sistem Matriks (desimal).

Besaran
Fisika

Konseptual

Matematis

Besaran Pokok

Besaran Turunan

Besaran Skalar

Besaran Vektor

: besaran yang ditetapkan

dengan suatu standar ukuran

: Besaran yang dirumuskan

dari besaran-besaran pokok

: hanya memiliki nilai

: memiliki nilai dan arah

Apakah besaran fisika ?

Besaran fisika dapat dijelaskan secara konseptual maupun secara matematis.

Besaran Pokok
(dalam SI)

Massa

Panjang

Waktu

Arus listrik

Suhu

Jumlah Zat

Intensitas

Satuan
(dalam SI)

kilogram (kg)

meter (m)

sekon (s)

ampere (A)

kelvin (K)

mole (mol)

kandela (cd)

SISTEM MATRIK DALAM SI

Faktor

Awalan

Simbol

1018

exa-

E

1015

peta-

P

1012

tera-

T

109

giga-

G

106

mega-

M

103

kilo-

k

102

hekto-

h

101

deka-

da

Faktor

Awalan

Simbol

10-1

desi-

d

10-2

senti-

c

10-3

mili-

m

10-6

mikro-

m

10-9

nano-

n

10-12

piko-

p

10-15

femto-

f

10-18

ato-

a

Definisi standar besaran pokok
Panjang - meter :Satu meter adalah panjang lintasan di dalam ruang hampa yang dilalui oleh cahaya dalam selang waktu 1/299,792,458 sekon.Massa - kilogram :Satu kilogram adalah massa silinder platinum iridium dengan tinggi 39 mm dan diameter 39 mm.Waktu - sekonSatu sekon adalah 9,192,631,770 kali periode (getaran) radiasi yang dipancarkan oleh atom cesium-133 dalam transisi antara dua tingkat energi (hyperfine level) yang terdapat pada aras dasar (ground state).

Besaran Turunan

Contoh :

Kecepatan
pergeseran yang dilakukan persatuan waktusatuan : meter per sekon (ms-1)
Percepatan
perubahan kecepatan per satuan waktusatuan : meter per sekon kuadrat (ms-2)
Gaya
massa kali percepatansatuan : newton (N) = kg m s-2

Dimensi
Dimensi menyatakan esensi dari suatu besaran fisika yang tidak bergantung pada satuan yang digunakan.
Jarak antara dua tempat dapat dinyatakan dalam meter, mil, langkah,dll. Apapun satuannya jarak pada dasarnya adalah panjang.

Besaran Pokok

Simbol
Dimensi

Massa

M

Panjang

L

Waktu

T

Arus listrik

I

Besaran Pokok

Simbol
Dimensi

Suhu

Q

Jumlah Zat

N

Intensitas

J

Analisa Dimensi
Suatu besaran dapat dijumlahkan atau dikurangkan apabila memiliki dimensi yang sama.Setiap suku dalam persamaan fisika harus memiliki dimensi yang sama.

Contoh :

Perioda ayunan sederhana T dinyatakan dengan rumus

berikut ini :

yang mana l panjang tali dan g percepatan gravitasi dengan
satuan panjang per kwadrat waktu. Tunjukkan bahwa per-
samaan ini secara dimensional benar !

Jawab :

Dimensi perioda [T] :

T

Dimensi panjang tali [l] :

L

Dimensi percepatan gravitasi [g] :

LT-2

p : tak berdimensi

VEKTOR

2.1

Sifat besaran fisis :
SkalarVektor Besaran Skalar
Besaran yang cukup dinyatakan oleh besarnya saja (besar dinyatakan oleh bilangan dan satuan).

Contoh: waktu, suhu, volume, laju, energi

Catatan: skalar tidak tergantung sistem koordinat
Besaran Vektor
Besaran yang dicirikan oleh besar dan arah.

2.2

2.1BESARAN SKALAR DAN VEKTOR

Contoh: kecepatan, percepatan, gaya

Catatan: vektor tergantung sistem koordinat

z

x

y

Gambar:

Titik P : Titik pangkal vektor

Titik Q: Ujung vektor

Tanda panah: Arah vektor

Panjang PQ = |PQ| : Besarnya (panjang) vektor

2.3

Catatan:

Untuk selanjutnya notasi vektor yang digunakan huruf tebal

Notasi Vektor

A Huruf tebal

Pakai tanda panah di atas

A Huruf miring

Besar vektor A = A = |A| (pakai tanda mutlak)

2.2PENGGAMBARAN DAN PENULISAN (NOTASI) VEKTOR

P

Q

a.Dua vektor sama jika arah dan besarnya sama

A = B

b.Dua vektor dikatakan tidak sama jika:

1.Besar sama, arah berbeda

2.Besar tidak sama, arah sama

3.Besar dan arahnya berbeda

2.4

A

B

A

B

A B

A

B

A

B

A B

A B

2.3OPERASI MATEMATIK VEKTOR
Operasi jumlah dan selisih vektorOperasi kali
2.3.1 JUMLAH DAN SELISIH VEKTOR

Metode:
Jajaran GenjangSegitigaPoligonUraian
1. Jajaran Genjang

R = A + B

Besarnya vektor R = | R | =

2.5

Besarnya vektor A+B = R = |R| =

cos

2

2

AB

B

A

+

+

Besarnya vektor A-B = S = |S| =

cos

2

AB

B

A

-

+

2

2

2

B

-B

R

= A+B

S

= A-B

A

+

=

A

B

2.6

2. Segitiga

3. Poligon (Segi Banyak)
Jika vektor A dan B searah = 0o : R = A + BJika vektor A dan B berlawanan arah = 180o : R = A - BJika vektor A dan B Saling tegak lurus = 90o : R = 0
Catatan: Untuk Selisih (-) arah Vektor di balik

A+B

+

=

A

B

A

B

+

+

+

=

A

B

C

D

A+B+C+D

A

B

C

D

Ay

By

Ax

Bx

A

B

Y

X

Vektor diuraikan atas komponen-komponennya (sumbu x dan sumbu y)

A = Ax.i + Ay.j ;B = Bx.i + By.j

Ax = A cos ;Bx = B cos

Ay = A sin ;By = B sin

Besar vektor A + B = |A+B| = |R|

|R| = |A + B| =

Arah Vektor R (terhadap sb.x positif) = tg =

2.7

4. Uraian

=

arc tg

Ry = Ay + By

Rx = Ax + Bx

1.Perkalian Skalar dengan Vektor

2.Perkalian vektor dengan Vektor
Perkalian Titik (Dot Product)Perkalian Silang (Cross Product)
1.Perkalian Skalar dengan Vektor Hasilnya vektor

C = k A

k: Skalar

A: Vektor

Vektor C merupakan hasil perkalian antara skalar k dengan vektor A

Catatan:
Jika k positif arah C searah dengan AJika k negatif arah C berlawanan dengan A
2.8

2.3.2 PERKALIAN VEKTOR

A

C = 3A

k = 3,

2.Perkalian Vektor dengan Vektor
Perkalian Titik (Dot Product)
Hasilnya skalar

A B= C

C = skalar

2.9

Besarnya : C = |A||B| Cos

A = |A| = besar vektor A

B = |B| = besar vektor B

= sudut antara vektor A dan B

A

B

B cos

A cos

2.10

Catatan :
Jika A dan B saling tegak lurus A B = 0Jika A dan B searah A B = A BJika A dan B berlawanan arah A B = - A BKomutatif: A B = B ADistributif: A (B+C) = (A B) + (A C)

Perkalian Silang (Cross Product)
Catatan :

Arah vektor C sesuai aturan tangan kanan

Besarnya vektor C = A x B = A B sin

2.11

Hasilnya vektor

Sifat-sifat :
Tidak komutatif A x B B x AJika A dan B saling tegak lurus A x B = B x AJika A dan B searah atau berlawan arah A x B = 0
A

B

C = A x B

B

A

C = B x A

=

2.4VEKTOR SATUAN

Vektor yang besarnya satu satuan

Dalam koordinat Cartesian (koordinat tegak)

Z

Y

X

j

k

i

A

Arah sumbu x:

Arah sumbu y:

Arah sumbu z:

2.12

Notasi

Besar Vektor

2.13
Sifat-sifat Perkalian Titik (Dot Product) Vektor Satuan Sifat-sifat Perkalian silang (Cross Product) Vektor Satuan
i

j

k

=

=

=

=

=

=

1

0

i

i

j

i

j

j

k

j

k

k

i

k

i x i

j x j

k x k

=

=

=

0

i x j

j x k

k x i

=

=

=

k

j

i

1. Lima buah vektor digambarkan sebagai berikut :

Jawab :

Besar dan arah vektor pada gambar di samping :

Contoh Soal

Hitung : Besar dan arah vektor resultan.
VektorBesar (m)Arah (o)A190B1545C16135D11207E22270VektorBesar (m)Arah(0)Komponen X(m)Komponen Y (m)ABCDE19151611220451352072701910.6-11.3-9.80010.611.3-5-22RX = 8.5RY = -5.1
X

Y

E

A

C

D

B

01

.

94.

=

R =

=

2

2

X

R

R

+

5

.

8

+

y

2

)

1

.

5

(

-

2

= 9.67 m

5

.

8

1

.

5

-

tg =

= - 0,6

Besar vektor R :

Arah vektor R terhadap sumbu x positif :

= 329.030 (terhadap x berlawanan arah jarum jam )

2.14

3. Tentukanlah hasil perkalian titik dan perkalian silang dari dua buah vektor berikut ini :

Jawab :

Perkalian titik :

A . B = 2.1 + (-2)(-3) + 4.2

= 16

2

2

(-3)

2

4

2

+

+

A

29

2. Diketahui koordinat titik A adalah (2, -3, 4). Tuliskan dalam bentuk vektor dan berapa

besar vektornya ?

Vektor

Jawab :

=

A

=

2i 3j + 4k

A

=

=

satuan

2i 2j + 4k

A

=

i 3j + 2k

B

=

2

3

1

4

2

2

-

-

k

j

i

Perkalian silang :

A x B =

= { (-2).2 4.(-3)} i {2.2 4.1} j + {2.(-3) (-2).1} k

= (-4+12) i (4-4) j + (-6+4) k

= 8i 0j 2j

= 8i 2k

Besaran Vektor:

Besaran yang memiliki besar (nilai/angka) dan arah

Besaran Skalar:

Besaran yang hanya memiliki besar (nilai/angka) saja

Contoh besaran Vektor:

Perpindahan, kecepatan, percepatan, gaya,dll

Gambar Vektor

Besar Vektor

Arah Vektor

Garis kerja Vektor

Garis kerja Vektor

Titik tangkap/titik pangkal Vektor

Soal-soal

Penjumlahan & Pe

ngurangan Vektor

PENULISAN VEKTOR

A

A

B

AB

=

Vektor A

Vektor AB

=

PENJUMLAHAN & PENGURANGAN VEKTOR

Vektor hasil penjumlahan & pengurangan = Vektor Resultan

( R )

Cara Jajaran Genjang

Cara Poligon

Nilai dan Arah Resultan Dua Buah Vektor Yang Membentuk Sudut

a. 90

A

B

R = A + B

a. = 90

A

B

R = A + B

Penguraian Vektor Menjadi Komponen- Komponennya

Ay

Ax

X

Y

R

?

???

Dari Mana

Kesimpulan Dari Beberapa Kasus

Besar Resultan yang mungkin dari dari dua buah vektor A dan B adalah:

A B R A + B

3 = 3

- 3 = 3

100 =

5 =

- 100 =

- 5 =

Keterangan:

Bila sebuah bilangan diberi tanda mutlak ( . ), maka diambil nilai yang positif

5

5

100

100

q

cos

2

2

2

AB

B

A

+

+

x

y

R

R

2

2

y

x

R

R

+

A

r

a

cos

2

2

2

AB

B

A

R

+

+

=

j

k

A

j

A

i

A

A

z

y

x

+

+

=

1

=

=

=

A

A

A

A

A

A

A

=

k

i

90

cos

2

2

2

AB

B

A

R

+

+

=

0

90

cos

=

2

2

B

A

R

+

=

a

cos

A

A

x

=

a

sin

A

A

y

=

....

=

a

Sudut

Besar

x

y

A

A

Tg

=

a

=

x

y

A

A

tg

arc

a

T

l

g

=

2

p

2

LT

L

T

-

=

T

=

gratis

Documents