Bahan Ajar Hukum Archimedes z1m43

Bahan Ajar dengan Sub Materi Pokok Hukum Archimedes untuk Siswa SMA kelas X Semester 2 Disusun untuk memenuhi Tugas Telaah Kurikulum Sekolah Menengah Dosen Pembimbing: Dra. Rini Budiharti, M.Pd. dan Heru Edi Kurniawan, S.Pd., M.Pd.

Disusun oleh: Kiflaini Fitri Lestari (K2312036) Kelas B

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2014 BAHAN AJAR SUB MATERI POKOK HUKUM ARCHIMEDES Mata pelajaran Kelas/ semester

: Fisika : X/2

Materi pokok Sub materi pokok Alokasi waktu I.

: Fluida Statis : Hukum Archimedes : 2x45 menit

Kompetensi Inti 1. Menghayati dan mengamalkan ajaran agama yang dianutnya. 2. Menghayati dan mengamalkan perilaku jujur, disiplin, tanggungjawab, peduli (gotong royong, kerjasama, toleran, damai), santun, responsif dan pro-aktifdan menunjukan sikap sebagai bagian dari solusi atas berbagai permasalahan dalam berinteraksi secara efektif dengan lingkungan sosial dan alam serta dalam menempatkan diri sebagai cerminan bangsa dalam pergaulan dunia. 3. Memahami, menerapkan, menganalisis dan mengevaluasi pengetahuan faktual, konseptual, dan prosedural berdasarkan rasa ingin tahunya tentang ilmu pengetahuan, teknologi, seni, budaya, dan humaniora dalam wawasan kemanusiaan,kebangsaan, kenegaraan,dan peradaban terkait penyebab fenomena dan kejadian, serta menerapkan pengetahuan procedural pada bidang kajian yang spesifik sesuai dengan bakat dan minatnya untuk memecahkan masalah. 4. Mengolah, menalar, menyaji, dan mencipta dalam ranah konkret dan ranah abstrak terkait dengan pengembangan dari yang dipelajarinya di sekolah secara mandiri serta bertindak secara efektif dan kreatif, dan mampu menggunakan metoda sesuai kaidah keilmuan.

II.

Kompetensi Dasar Domain Spritual

1.1 Bertambah

Kompetensi Dasar keimanannya dengan menyadari

hubungan

keteraturan dan kompleksitas alam dan jagad raya terhadap kebesaran Tuhan yang menciptakannya. 1.2 Menyadari kebesaran Tuhan yang menciptakan keseimbangan perubahan medan listrik dan medan magnet yang saling berkaitan sehingga memungkinkan manusia mengembangkan teknologi Afektif

untuk mempermudah kehidupan. 2.1 Menunjukkan perilaku ilmiah (memiliki rasa ingin tahu; objektif; jujur; teliti; cermat; tekun; hati-hati; bertanggung jawab; terbuka; kritis; kreatif; inovatif dan peduli lingkungan) dalam aktivitas sehari-hari sebagai wujud implementasi sikap dalam melakukan percobaan dan berdiskusi. 1

2.2 Menghargai kerja individu dan kelompok dalam aktivitas seharihari sebagai wujud implementasi melaksanakan percobaan dan Kognitif

melaporkan hasil percobaan. 3.7 Menerapkan hukum-hukum pada fluida statik dalam kehidupan

Psikomotor

sehari-hari 4.3 Merencanakan dan melaksanakan percobaan yang memanfaatkan sifat-sifat fluida untuk mempermudah suatu pekerjaan.

III.

Indikator Kognitif Produk (Indikator KD 3) 3.7.1

Menyimpulkan konsep hukum Archimedes.

3.7.2

Memformulasikan persamaan hukum Archimedes.

3.7.3

Menghitung besarnya gaya ke atas atau volume benda yang tercelup dalam fluida dengan persamaan gaya Archimedes.

3.7.4

Menyimpulkan konsep benda yang terapung, melayang dan tenggelam.

3.7.5

Menyebutkan contoh aplikasi dari konsep hukum Archimedes dalam kehidupan sehari-hari.

IV.

Prasyarat Pada pembelajaran hukum Archimedes, diharapkan siswa sudah menguasai materi prasyarat yaitu massa jenis, tekanan, dan tekanan hidrostatis. A. Massa jenis (rapat jenis) Persamaannya sebagai berikut : ρ=

m V

Dimana : ρ=¿

3 massa jenis fluida (kg /m )

m=¿ massa fluida (kg)

2

3 volume fluida (m )

V =¿

B. Tekanan Tekanan adalah gaya yang bekerja pada suatu benda tiap satuan luas permukaan benda tersebut. P=

F A

Dimana : P=¿

2 tekanan (N /m )

F=¿ gaya tekan ( N ) A=¿ luas permukaan benda (m 2)

C. Tekanan hidrostatis Tekanan hidrostatis adalah tekanan zat cair yang disebabkan oleh beratnya. Persamaannya sebagai berikut : Ph=ρgh Dimana : Ph=¿

tekanan zat cair ( Pa )

ρ=¿

3 massa jenis fluida (kg /m )

g=¿

2 percepatan gravitasi (m/s )

h=¿ tinggi zat cair dari permukaan zat cair (m)

3

Jika diatas permukaan zat cair terdapat tekanan udara luar, maka persamaannya dirumuskan sebagai berikut : Ph=Po + ρgh

Dengan

V.

Po

adalah tekanan udara luar ( Pa )

Scope Materi hukum Archimedes meliputi konsep hukum Archimedes, formulasi hukum Archimedes, konsep benda terapung, melayang dan tenggelam, dan aplikasi hukum Archimedes dalam kehidupan sehari-hari.

VI.

Sequence 1. Konsep hukum Archimedes 2. Formulasi hukum Archimedes 3. Contoh soal tentang gaya ke atas atau volume benda yang tercelup dalam fluida 4. Konsep benda terapung 5. Konsep benda melayang 6. Konsep benda tenggelam 7. Aplikasi hukum Archimedes dalam kehidupan sehari-hari 8. Soal Latihan

VII.

Materi Pernahkah kalian mengamati kapal laut yang berlayar dilaut lepas? Kapal-kapal besar biasanya terbuat dari bahan logam. Jika kalian masukkan sebatang logam ke dalam air tentu akan tenggelam. Tetapi mengapa kapal laut bisa terapung, bahkan dapat memuat barang dan orang yang cukup banyak? Mengapa hal tersebut bisa terjadi? Menurut kalian prinsip apa yang dipakai pada fenomena tersebut?

4

Archimedes adalah seorang ilmuwan yang hidup sebelum masehi (287-212 SM). Archimedes telah menemukan adanya gaya tekan ke atas atau gaya apung yang terjadi pada benda yang berada dalam fluida (air). Pandangan Archimedes dapat dirumuskan sebagai berikut. “Jika benda dimasukkan dalam fluida maka benda akan merasakan gaya apung yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan.” (Sri Handayani. 2009 : 113) Di SMP, materi ini sudah sedikit dibahas, dimana gaya apung merupakang gaya apung adalah gaya yang diberikan pada benda yang tercelup di dalam fluida sebesar berat benda yang dipindahkan oleh fluida di atas, yang arah gayanya ke atas atau berlawanan dengan arah beart benda. Untuk lebih memehami prinsip hukum Archimede, lakukanlah kegiatan berikut : Kegiatan 1 Hukum Archimedes A. Tujuan Siswa dapat memahami gaya ke atas dalam zat cair dengan benar melalui kegiatan eksperimen. B. Alat dan Bahan 1. 2. 3. 4. 5.

Neraca pegas Tiga buah balok Gelas berpancur Gelas ukur Air

C. Langkah Kerja 1. Isilah gelas berpancur dengan air sampai permukaan air tepat berada di bibir bawah lubang pancur! 2. Letakkan gelas ukur di bawah pancuran! 3. Timbanglah berat balok di udara (Wu), kemudian timbanglah berat balok di air (Wa) dengan menggunakan neraca pegas, dan catatlah hasilnya pada tabel berikut yang telah Anda salin di dalam buku tugas! 5

Gambar 1. Skema Percobaan Kegiatan 1 Tabel Hasil Pengamatan Balok

Gaya ke Atas

Berat Air yang Dipindahkan

F ¿ A=W (¿ u−W a) ¿ 1 buah 2 buah 3 buah

(W c =mc x g)

… … …

… … …

1. Timbanglah massa air yang tumpah (mc), kemudian kalikan dengan percepatan gravitasi! 2. Ulangilah langkah 3 dan 4 dengan menambah jumlah balok! 3. Tulislah kesimpulan Anda dalam buku tugas! Berdasarkan tabel hasil percobaan pada Kegiatan 7.2, terlihat bahwa besarnya gaya ke atas …………. (berbanding lurus/ berbanding terbalik)

dengan berat air yang

ditumpahkan oleh balok. Artinya, suatu benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair mengalami gaya ke atas yang besarnya ……………. (sama/ tidak sama) dengan berat zat cair yang dipindahkan oleh benda tersebut. Peryataan ini dikenal sebagai bunyi hukum ……………. (Setya Nurachmadani. 2009 : 200) 6

Jadi pada kapal pesiar atau kapal laut yang berlayar di samudera lepas dapat terapung di air karena gaya apungnya sebanding dengan berat air yang di tumpahkan oleh kapal tersebut. Coba perhatikan gambar berikut :

Gambar 2. Gambar komponen gaya yang bekerja pada silinder di dalam air Besarnya gaya tekan ke atas dapat ditentukan dengan konsep tekanan hidrostatik. Gambar 7.7 menunjukkan sebuah silinder dengan tinggi h yang luasnya A. Ujung atas dan bawahnya, dicelupkan ke dalam fluida yang massa jenisnya

ρ

. Besarnya tekanan

hidrostatik yang dialami permukaan atas dan bawah silinder adalah :

P1 =

ρ .g.h 1

P2 =

ρ

.g.h2

Sehingga besarnya gaya-gaya yang bekerja: F = P.A

7

ρ .g.h .A (ke bawah) 1

F1 =

ρ

F2 =

.g.h2.A (ke atas)

Gaya total yang disebabkan oleh tekanan fluida merupakan gaya apung atau gaya tekan ke atas yang besarnya : F A =F 2 – F 1 F A =ρ . g . h2 . A – ρ . g . h1 . A F A =ρ . g .(h2 – h1 ). A h2 – h1

karena

= h, maka:

F A =ρ . g . h . A A.h adalah volume benda yang tercelup, sehingga: F A =ρ . g . V

............................................................................................................................

(1) dengan: FA ρ

= gaya ke atas atau Archimedes (N) 3 = massa jenis fluida (kg/ m )

2 g = percepatan gravitasi (m/ s )

V = volume benda yang tercelup ( m

3

) (Bambang Hariyadi. 2009 : 147-148)

Contoh soal 1 : Sebuah Benda dicelupkan ke air yang massa jenisnya

3

1000 kg/m .

Volume benda yang

3

tercelup 1.5 m , berapakah gaya ke atas yang dialami benda?\ Diketahui : ρ=1000 Kg/m3

g=9.8 m/¿ V =1.5 m 3

Jawab : FA= ρ. g .V

8

Adanya2 gaya Archimedes dalam zat cair menjadikan benda yang dimasukkan ke Kegiatan dalam zat cair mengalami tiga kemungkinan, yaitu terapung,Tenggelam melayang, dan tenggelam. Terapung, Melayang, A. Tujuan Mengidentifikasi syarat benda yang terapung, melayang dan tenggelam B. Alat dan Bahan 

Tiga gelas besar



Air



Tiga buah telur mentah



Garam



Sendok makan



Dynamometer

(Setya Nurachmadani. 2009 : 201)

C. Langkah Kerja 1. Mengisi masing-masing gelas dengan air secukupnya. 2. Ukur berat terlur di udara dengan menggunakan dinamometer. 3. Memasukkan telur pada masing-masing gelas. 4. Gelas A diamati lalu ukur berat telur di dalam air. 5. Gelas B ditambahkan tiga sendok garam, dan diamati. Lalu ukur berat telur menggunakan dinamometer. 6. Gelas C ditambahkan 6 sendok garam, dan diamati. Lalu ukur berat telur menggunakan dinamometer. 7. Posisi telur pada masing – masing gelas kimia diamati. a. Telur pada gelas ”A” posisinya ....... (terapung/ melayang/ tenggelam)

9

8. Tabulasikan data pengamatan yang diperoleh! Gelas

Gambar

W di udara

W di air

FA

A

B

C

NB : Penambahan garam pada air mengakibatkan perubahan massa jenis zat cair tersebut. Semakin banyak penambahan garam dilakukan, maka semakin besar pula massa jenis zat cair tersebut. Benda dikatakan terapung, karena : 

Posisi telur adalah ... (di atas/ di tengah/ di bawah) permukaan air.



Gaya ke atas ... (lebih kecil/ sama/ lebih besar) dari berat benda yang tercelup pada air.



Massa jenis benda ... (lebih kecil/ sama/ lebih besar) dari massa jenis zat cair.

10

Benda dikatakan melayang, karena : 

Posisi telur adalah ... (di atas/ di tengah/ di bawah) permukaan air.



Gaya ke atas ... (lebih kecil/ sama/ lebih besar) dari berat benda.



Massa jenis benda ... (lebih kecil/ sama/ lebih besar) dari massa jenis zat cair.

Benda dikatakan tenggelam karena : 

Posisi telur adalah ... (di atas/ di tengah/ di bawah) permukaan air.



Gaya ke atas ... (lebih kecil/ sama/ lebih besar) dari berat benda.



Massa jenis benda ... (lebih kecil/ sama/ lebih besar) dari massa jenis zat cair.

Kesimpulan : 1. Syarat benda dikatakan terapung adalah ………………………………………………………………………… 2. Syarat benda dikatakan melauang adalah …………………………………………..…………………………….. 3. Syarat benda dikatakan tenggelam adalah ………………………………………………………………………… a. Benda Mengapung 11

Jika hanya sebagian benda yang tercelup ke dalam zat cair, benda disebut mengapung. Dalam keadaan ini, berat benda ¿ gaya ke atas dari zat cair. Secara matematis dituliskan sebagai berikut. W
(6-11)

Keterangan : V c =¿

3 volume benda yang tercelup ( m )

V B =¿

3 volume benda seluruhnya ( m )

Persamaan (6-11) menunjukkan bahwa supaya benda mengapung, massa jenis harus lebih ρ kecil daripada massa jenis zat cair (¿ ¿ B< ρc ) . ¿ b. Benda Melayang Jika seluruh bagian benda berada di dalam zat cair namun benda tersebut tidak sampai menyentuh dasar tabung maka benda dikatakan melayang. Dalam keadaan seimbang, berat benda sama dengan gaya tekan ke atas oleh zat cair. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut : W =F A mB g= ρC g V C ρB V B g=ρC V C g ρC V C =ρ B V B

(6-12)

Seluruh benda masuk ke dalam zat cair sehingga volume benda sama dengan volume zat cair yang dipindahkan. Oleh karena itu, untuk kasus melayang, massa jenis benda dan massa jenis zat cair adalah sama. c. Benda Tenggelam 12

Benda tenggelam terjadi karena gaya berat benda yang lebih besar daripada gaya tekan ke atas. Benda yang tenggelam akan menyentuh dasar tabung. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut : W >FA mB g> F A ρB V B g> ρC V C g Oleh karena volume benda yang tenggelam sama dengan volume zat cair yang dipindahkan, yaitu

V B =V C

dapat dituliskan bahwa ρB > ρC

(6-13)

Jadi, jika massa jenis benda lebih besar daripada massa jenis zat cair, benda akan tenggelam. (Dudi Indrajit. 2009 : 144-145) Aplikasi dari Penerapan Hukum Archimedes : a. Hidrometer Hidrometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur massa jenis zat cair. Proses pengukuran massa jenis zat cair menggunakan hydrometer dilakukan dengan cara memasukkan hidrometer ke dalam zat cair tersebut. Angka yang ditunjukkan oleh hidrometer telah dikalibrasi sehingga akan menunjukkan nilai massa jenis zat cair yang diukur. Berikut ini prinsip kerja hidrometer. Gaya ke atas = berat hydrometer F A =W hidrometer ρT V T g>mg Oleh karena volume fluida yang dipindahkan oleh hidrometer sama dengan luas tangkai hidrometer dikalikan dengan tinggi yang tercelup maka dapat dituliskan ρ1 h1=

ρ 1 (Ah1) = m

m ( A h1)

13

Hidrometer digunakan untuk memeriksa muatan akumulator mobil dengan cara membenamkan hidrometer ke dalam larutan asam akumulator. Massa jenis asam untuk muatan akumulator penuh kira-kira = 1,25 kg/m3 dan mendekati 1 kg/m3 untuk muatan akumulator kosong. b. Kapal Laut dan Kapal Selam Mengapa kapal yang terbuat dari baja dapat terapung di laut? Peristiwa ini berhubungan dengan gaya apung yang dihasilkan oleh kapal baja tersebut. Perhatikan Gmbar 7.16 berikut.

Balok besi yang dicelupkan ke dalam air akan tenggelam, sedangkan balok besi yang sama jika dibentuk menyerupai perahu akan terapung. Hal ini disebabkan oleh jumlah fluida yang dipindahkan besi yang berbentuk perahu lebih besar daripada jumlah fluida yang dipindahkan balok besi. Besarnya gaya angkat yang dihasilkan perahu besi sebanding dengan volume perahu yang tercelup dan volume fluida yang dipindahkannya. Apabila gaya angkat yang dihasilkan sama besar dengan berat perahu maka perahu akan terapung. Oleh karena itu, kapal baja didesain cukup lebar agar dapat memindahkan volume fluida yang sama besar dengan berat kapal itu sendiri.

14

Tahukah Anda apa yang menyebabkan kapal selam dapat terapung, melayang, dan menyelam? Kapal selam memiliki tangki pemberat di dalam lambungnya yang berfungsi mengatur kapal selam agar dapat terapung, melayang, atau tenggelam. Untuk menyelam, kapal selam mengisi tangki pemberatnya dengan air sehingga berat kapal selam akan lebih besar daripada volume air yang dipindahkannya. Akibatnya, kapal selam akan tenggelam. Sebaliknya, jika tangki pemberat terisi penuh dengan udara (air laut dipompakan keluar dari tangki pemberat), berat kapal selam akan lebih kecil daripada volume kecil yang dipindahkannya sehingga kapal selam akan terapung. Agar dapat bergerak di bawah permukaan air laut dan melayang, jumlah air laut yang dimasukkan ke dalam tangki pemberat disesuaikan dengan jumlah air laut yang dipindahkannya pada kedalaman yang diinginkan. (Aip Saipudin. 2009 : 151-152) VIII. Evaluasi Nomor soal 1

Indikator

Soal

3.7.1 Menyimpulkan Apa yang kamu konsep Archimedes.

hukum ketahui

Kunci Hukum

Archimedes

tentang ”Sebuah

benda

berbunyi

yang

tercelup

hukum

sebagian atau seluruhnya dalam

Archimedes?

fluida akan mengalami gaya ke atas sebesar berat fluida yang di pindahkan oleh benda tersebut”. Persamaan : F A =ρ f . g . V b , f dengan : F A =¿ ρf =¿

Gaya ke atas (N ) Massa

jenis

fluida

(kg /m3 ) g=¿ Percepatan

gravitasi

(9,8 m/s 2) 15

V b , f =¿

Volume benda yang

3 tercelup dalam fluida (m )

2

3.7.2

Fa =F2 −F 1

Jabarkan

Memformulasikan persamaan

Fa =F2 −F 1

hukum hingga

Archimedes.

mendapatkan rumus

hukum

Archimedes dan beri penjelasan!

Fa =P2 A 2−P1 A1 Fa =ρg h2 A−ρg h1 A Fa =ρgA ( h2 −h1 ) jika h2 −h1=h Fa =ρgA h A h=volume silinder

Fa =ρgV Fa =¿ ρ=¿

Gaya ke atas (N ) Massa

jenis

fluida

(kg / m3 ) g=¿

Percepatan

gravitasi

(9,8 m/ s 2) V =¿

Volume

benda

yang

3 tercelup dalam fluida (m )

3

3.7.3

Menghitung Sebuah

besarnya atas

atau

gaya

ke mempunyai

volume rapat massa 200

benda yang tercelup dalam fluida dengan persamaan

gabus Misalkan V adalah volume gabus

3

kg /m

dan

V'

adalah volume yang

tenggelam bila gabus itu terapung .

gaya Berapakah

di air. W = ρ. g .V

dan 16

Archimedes.

bagian

volume

dari gabus yang

F A =ρa . g .V '

. Karena gabus

dalam kondisi terapung maka

tercelup

dalam

air

gabus memenuhi syarat W =F A .

bila

dalam

kondisi

Sehingga

terapung! W =F A ρ . g . V =ρ a . g .V ' V' ρ = V ρa '

3

V 200 kg/m = V 1000 kg/m3 V' 1 = V 5 Jadi, bagian gabus yang tenggelam

adalah 4

3.7.4 Menyimpulkan Sebuah

1 5

bagian.

balok Penyelesaiannya :

konsep benda yang kayu yang massa Diketahui : terapung, melayang jenisnya dan tenggelam.

ρb=0,75 gr /cm3 3

0,75 gr /cm dan

air

massa

jenisnya

Vb=12 cm 3

Ditanya :

1 gr /cm3 . Jika

ρa=1 gr /cm3

Va ?

volume 3

balok 12

cm

volune

balok

kayu

yang

Posisi? Jawab :

, Volume balok tercelup = volume air yang dipindahkan Wb=Fa

17

tercelup

ke

dalam

air

adalah?

Dan

posisi

balok

kayu

dalam

keadaan

ρa V a g=ρb V b g ρa V a=ρ b V b

1. Va=0,75 .12

3

Va=9 cm

apa? Jadi karena tidak semua volume tercelup pada fluida, maka balok

5

3.7.5

Menjelaskan Sebutkan 3

kayu dalam keadaan terapung. 1.Kapal selam

aplikasi dari konsep contoh

Kapal selam adalah kapal laut yang

hukum Archimedes penerapan

dapat berada dalam tiga keadaan,

dalam

yaitu mengapung, melayang, dan

kehidupan hukum

sehari-hari.

Archimedes

tenggelam. Ketiga keadaan ini dapat

dalam kehidupan

dicapai

sehari-hari dan

mengatur banyaknya air dan udara

jelaskan !

dalam badan kapal selam. Ketika

dengan

cara

kapal selam ingin terapung maka bagian tersebut harus berisi udara. Ketika

akan

melayang,

udaranya dikeluarkan dengan

air

dan

sehingga

keadaan melayang. tenggelam

maka

diisi

mencapai

Jika

ingin

airnya

harus

lebih diperbanyak lagi. 2.Hidrometer Jika dalam

hidrometer zat

dicelupkan

ke

sebagian

alat

cair,

tersebut akan tenggelam. Makin besar massa jenis zat cair, Makin sedikit bagian hidrometer yang tenggelam. Seberapa banyak air yang dipindahkan oleh hidrometer akan

tertera

pada

skala

yang

terdapat pada alat hidrometer. 18

3.Balon udara Balon udara harus diisi dengan gas yang massa jenisnya lebih kecil dari massa

jenis

udara

atmosfer

sehingga balon udara dapat terbang karena

mendapat

atas, misalnya

diisi

gaya

ke

udara

yang

dipanaskan.

19

DAFTAR PUSTAKA Handayani, Sri. 2009. Fisika. Jakarta : Depdikbud Nurachmadani, Setya. 2009. Fisika 2. Jakarta : Depdikbud Hariyadi, Bambang. 2009. Fisika. Jakarta : Depdikbud Indrajit, Dudi. 2009. Mudah dan Aktif Belajar Fisika. Jakarta : Depdikbud

20