Kuasai materi Usaha dan Energi dalam Fisika dengan kumpulan latihan soal komprehensif ini! Dari konsep dasar usaha yang dilakukan oleh gaya, energi kinetik, energi potensial, hingga hukum kekekalan energi mekanik, kami menyajikan berbagai tipe soal untuk menguji pemahaman Anda. Latihan soal ini dirancang untuk membantu siswa SMA dan SMK mempersiapkan diri menghadapi ujian harian, ulangan tengah semester, maupun ujian akhir. Setiap soal dilengkapi dengan kunci jawaban dan pembahasan singkat untuk memudahkan Anda memahami setiap konsep. Tingkatkan kemampuan Anda dalam menghitung usaha, daya, perubahan energi, serta menganalisis berbagai fenomena fisika terkait usaha dan energi. Pelajari bagaimana gaya, perpindahan, massa, kecepatan, dan ketinggian saling berkaitan dalam materi esensial ini.
Contoh Soal soal fisika materi usaha energi
A. Pilihan Ganda
1. Sebuah balok ditarik dengan gaya 20 N sehingga berpindah sejauh 5 meter. Jika gaya searah dengan perpindahan, besar usaha yang dilakukan adalah…
- A. 4 J
- B. 15 J
- C. 25 J
- D. 100 J
- E. 200 J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Usaha (W) = Gaya (F) × Perpindahan (s). W = 20 N × 5 m = 100 J.
2. Satuan internasional (SI) untuk usaha adalah…
- A. Watt
- B. Newton
- C. Joule
- D. Pascal
- E. Meter
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Satuan SI untuk usaha adalah Joule (J).
3. Sebuah benda bermassa 2 kg bergerak dengan kecepatan 4 m/s. Energi kinetik benda tersebut adalah…
- A. 4 J
- B. 8 J
- C. 16 J
- D. 32 J
- E. 64 J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Energi kinetik (Ek) = 1/2 mv². Ek = 1/2 × 2 kg × (4 m/s)² = 1/2 × 2 × 16 = 16 J.
4. Sebuah bola bermassa 0,5 kg dilemparkan vertikal ke atas. Saat mencapai ketinggian 10 meter, energi potensialnya (terhadap tanah) adalah… (g = 10 m/s²)
- A. 5 J
- B. 10 J
- C. 25 J
- D. 50 J
- E. 100 J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Energi potensial (Ep) = mgh. Ep = 0,5 kg × 10 m/s² × 10 m = 50 J.
5. Jika kecepatan suatu benda menjadi dua kali lipat, maka energi kinetiknya akan menjadi…
- A. Setengah kali semula
- B. Sama dengan semula
- C. Dua kali semula
- D. Empat kali semula
- E. Delapan kali semula
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Ek = 1/2 mv². Jika v menjadi 2v, maka Ek baru = 1/2 m(2v)² = 1/2 m(4v²) = 4 × (1/2 mv²), jadi empat kali semula.
6. Sebuah kotak didorong dengan gaya 100 N sejauh 2 meter. Jika arah gaya membentuk sudut 60° terhadap perpindahan, usaha yang dilakukan adalah… (cos 60° = 0,5)
- A. 50 J
- B. 100 J
- C. 173 J
- D. 200 J
- E. 400 J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: W = F × s × cos θ. W = 100 N × 2 m × cos 60° = 100 N × 2 m × 0,5 = 100 J.
7. Benda yang dilemparkan vertikal ke atas akan memiliki energi potensial maksimum saat…
- A. Baru dilemparkan
- B. Bergerak naik
- C. Mencapai titik tertinggi
- D. Bergerak turun
- E. Mendarat kembali
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Energi potensial bergantung pada ketinggian (Ep = mgh). Ketinggian maksimum berarti Ep maksimum.
8. Hukum kekekalan energi mekanik menyatakan bahwa…
- A. Energi kinetik selalu sama dengan energi potensial.
- B. Jumlah energi kinetik dan potensial selalu konstan jika hanya gaya konservatif yang bekerja.
- C. Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi dapat diubah bentuknya.
- D. Usaha yang dilakukan sama dengan perubahan energi kinetik.
- E. Daya adalah laju perubahan energi.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Hukum kekekalan energi mekanik berlaku jika hanya gaya konservatif (seperti gravitasi) yang bekerja. Em = Ek + Ep = konstan.
9. Sebuah mesin melakukan usaha 1200 Joule dalam waktu 2 menit. Daya mesin tersebut adalah…
- A. 10 W
- B. 20 W
- C. 60 W
- D. 100 W
- E. 120 W
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Daya (P) = Usaha (W) / Waktu (t). t = 2 menit = 120 detik. P = 1200 J / 120 s = 10 W.
10. Gaya gesek selalu melakukan usaha yang bersifat…
- A. Positif
- B. Negatif
- C. Nol
- D. Konservatif
- E. Non-konservatif
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Gaya gesek selalu berlawanan arah dengan perpindahan relatif, sehingga usahanya selalu negatif (mengurangi energi mekanik).
11. Pernyataan yang benar tentang usaha adalah…
- A. Usaha berbanding terbalik dengan gaya.
- B. Usaha tidak bergantung pada perpindahan.
- C. Usaha adalah hasil kali gaya dan perpindahan searah gaya.
- D. Usaha selalu positif.
- E. Usaha hanya dilakukan oleh gaya gravitasi.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Usaha (W) = F × s × cos θ. Jika searah, cos θ = 1.
12. Sebuah benda jatuh bebas dari ketinggian h. Energi kinetiknya akan sama dengan energi potensialnya saat benda berada pada ketinggian…
- A. 0
- B. h/4
- C. h/2
- D. 3h/4
- E. h
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Pada ketinggian h, Em = Ep_max = mgh. Pada ketinggian y, Ep = mgy, Ek = Em – Ep = mgh – mgy. Jika Ek = Ep, maka mgh – mgy = mgy => mgh = 2mgy => h = 2y => y = h/2.
13. Grafik hubungan antara gaya (F) dan perpindahan (s) di bawah sumbu s menunjukkan…
- A. Usaha positif
- B. Usaha negatif
- C. Tidak ada usaha
- D. Daya positif
- E. Energi potensial
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Jika gaya dan perpindahan berlawanan arah, atau jika F berada di bawah sumbu s (menunjukkan gaya berlawanan arah), usaha yang dilakukan negatif.
14. Seorang anak mendorong tembok dengan gaya 50 N selama 10 detik, namun tembok tidak bergerak. Usaha yang dilakukan anak tersebut adalah…
- A. 0 J
- B. 50 J
- C. 100 J
- D. 500 J
- E. Tidak dapat ditentukan
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Usaha = F × s. Karena perpindahan (s) = 0, maka usaha = 0.
15. Sebuah benda bermassa 1 kg dinaikkan dari tanah ke ketinggian 2 meter. Jika g = 10 m/s², perubahan energi potensial benda tersebut adalah…
- A. 5 J
- B. 10 J
- C. 20 J
- D. 40 J
- E. 100 J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: ΔEp = mgh = 1 kg × 10 m/s² × 2 m = 20 J.
16. Sebuah pegas diregangkan sejauh x memerlukan usaha W. Jika pegas diregangkan sejauh 2x, usaha yang diperlukan adalah…
- A. W
- B. 2W
- C. 3W
- D. 4W
- E. 8W
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Usaha pada pegas (energi potensial pegas) = 1/2 kx². Jika x menjadi 2x, maka Usaha baru = 1/2 k(2x)² = 1/2 k(4x²) = 4 × (1/2 kx²) = 4W.
17. Benda bermassa 4 kg jatuh dari ketinggian 5 meter. Energi kinetik benda sesaat sebelum menyentuh tanah adalah… (g = 10 m/s², abaikan gesekan udara)
- A. 20 J
- B. 40 J
- C. 100 J
- D. 200 J
- E. 400 J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Berdasarkan hukum kekekalan energi mekanik, energi potensial awal di ketinggian 5 m akan berubah menjadi energi kinetik sesaat sebelum menyentuh tanah. Ep_awal = mgh = 4 kg × 10 m/s² × 5 m = 200 J. Jadi Ek_akhir = 200 J.
18. Daya didefinisikan sebagai…
- A. Usaha per satuan waktu.
- B. Gaya per satuan luas.
- C. Perubahan energi kinetik.
- D. Energi potensial per satuan massa.
- E. Massa per satuan volume.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Daya (P) = W/t.
19. Sebuah mobil bergerak dengan kecepatan konstan di jalan mendatar. Usaha total yang dilakukan oleh gaya-gaya yang bekerja pada mobil tersebut adalah…
- A. Positif
- B. Negatif
- C. Nol
- D. Berbanding lurus dengan kecepatan
- E. Berbanding lurus dengan massa
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Jika kecepatan konstan, berarti tidak ada perubahan energi kinetik (ΔEk = 0). Menurut teorema usaha-energi, usaha total (W_total) = ΔEk. Jadi, W_total = 0.
20. Manakah dari berikut ini yang merupakan contoh gaya konservatif?
- A. Gaya gesek
- B. Gaya dorong mesin
- C. Gaya tarik pegas
- D. Gaya hambat udara
- E. Gaya normal
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Gaya konservatif adalah gaya yang usaha yang dilakukannya tidak tergantung pada lintasan, hanya pada posisi awal dan akhir. Gaya tarik pegas (gaya elastis) adalah contoh gaya konservatif, sama seperti gaya gravitasi. Gaya gesek dan hambat udara adalah non-konservatif.
B. Isian Singkat
1. Usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi pada benda yang bergerak horizontal adalah…
Jawaban: Nol
2. Rumus untuk menghitung energi potensial gravitasi adalah…
Jawaban: Ep = mgh
3. Jika sebuah benda memiliki energi kinetik 50 J dan energi potensial 30 J, maka energi mekaniknya adalah…
Jawaban: 80 J
4. Satuan daya dalam SI adalah…
Jawaban: Watt
5. Apa yang terjadi pada energi kinetik sebuah benda jika massanya digandakan dan kecepatannya tetap?
Jawaban: Energi kinetiknya menjadi dua kali lipat
C. Menjodohkan
1. Jodohkan konsep fisika berikut dengan definisi atau rumus yang tepat.
| Premis | Respon |
|---|---|
| Usaha | W = F × s |
| Energi Kinetik | Energi karena gerak |
| Energi Potensial | Energi karena posisi/kedudukan |
| Daya | Laju perubahan usaha |
| Hukum Kekekalan Energi Mekanik | Em = Ek + Ep = konstan |
2. Jodohkan besaran fisika berikut dengan satuan SI yang sesuai.
| Premis | Respon |
|---|---|
| Usaha | Joule |
| Daya | Watt |
| Gaya | Newton |
| Perpindahan | Meter |
| Massa | Kilogram |
D. Uraian
1. Jelaskan konsep usaha dalam fisika dan berikan satu contoh di mana gaya bekerja tetapi tidak melakukan usaha.
Dalam fisika, usaha (work) didefinisikan sebagai hasil kali antara komponen gaya yang searah dengan perpindahan benda dan besar perpindahan itu sendiri (W = F × s × cos θ). Usaha terjadi ketika ada gaya yang menyebabkan perpindahan suatu benda. Satuan SI untuk usaha adalah Joule (J). Contoh di mana gaya bekerja tetapi tidak melakukan usaha adalah: a. Mendorong tembok yang kokoh. Meskipun ada gaya dorong, tembok tidak berpindah (s = 0), sehingga usaha = 0. b. Membawa tas yang berat sambil berjalan di jalan mendatar. Gaya yang diberikan pada tas (gaya ke atas untuk menahan berat tas) tegak lurus dengan arah perpindahan (horizontal), sehingga cos 90° = 0, dan usaha = 0.
2. Sebuah benda bermassa m dilemparkan vertikal ke atas dengan kecepatan awal v₀. Jelaskan perubahan energi kinetik dan energi potensial benda tersebut sejak dilemparkan hingga mencapai titik tertinggi, lalu kembali ke posisi awal.
Ketika benda dilemparkan vertikal ke atas, ia memiliki energi kinetik maksimum (Ek_max = 1/2 mv₀²) dan energi potensial minimum (Ep = 0 jika titik awal dianggap h=0). Saat benda bergerak ke atas, ketinggiannya bertambah, sehingga energi potensialnya (Ep = mgh) meningkat. Sebaliknya, kecepatannya berkurang akibat gravitasi, sehingga energi kinetiknya (Ek = 1/2 mv²) menurun. Pada titik tertinggi, kecepatan benda sesaat menjadi nol (v=0), sehingga energi kinetiknya menjadi nol (Ek = 0). Pada titik ini, energi potensialnya mencapai maksimum (Ep_max). Saat benda bergerak turun dari titik tertinggi, ketinggiannya berkurang, sehingga energi potensialnya menurun. Kecepatannya bertambah karena percepatan gravitasi, sehingga energi kinetiknya meningkat. Ketika benda kembali ke posisi awal (h=0), energi potensialnya kembali nol, dan energi kinetiknya kembali maksimum (sama dengan energi kinetik awal, Ek = 1/2 mv₀²), mengabaikan gesekan udara. Selama seluruh proses (jika hanya gaya gravitasi yang bekerja), energi mekanik total (Ek + Ep) benda tetap kekal.
3. Jelaskan perbedaan antara gaya konservatif dan gaya non-konservatif dalam konteks usaha dan energi. Berikan masing-masing satu contoh.
Gaya Konservatif: Usaha yang dilakukan oleh gaya konservatif dalam memindahkan benda antara dua titik tidak bergantung pada lintasan yang ditempuh, melainkan hanya bergantung pada posisi awal dan akhir benda. Jika benda bergerak dalam lintasan tertutup (kembali ke titik awal), usaha total yang dilakukan oleh gaya konservatif adalah nol. Gaya konservatif diasosiasikan dengan energi potensial. Contoh: Gaya gravitasi, gaya pegas. Gaya Non-konservatif: Usaha yang dilakukan oleh gaya non-konservatif dalam memindahkan benda antara dua titik bergantung pada lintasan yang ditempuh. Jika benda bergerak dalam lintasan tertutup, usaha total yang dilakukan oleh gaya non-konservatif tidak nol; biasanya usaha yang dilakukan negatif (mengurangi energi mekanik). Gaya non-konservatif tidak diasosiasikan dengan energi potensial. Contoh: Gaya gesek, gaya hambat udara, gaya dorong mesin.
4. Sebuah balok bermassa 5 kg meluncur dari puncak bidang miring licin (tanpa gesekan) dengan ketinggian 4 meter. Hitunglah kecepatan balok saat mencapai dasar bidang miring. (Gunakan g = 10 m/s²)
Diketahui: Massa (m) = 5 kg, Ketinggian awal (h₁) = 4 m, Ketinggian akhir (h₂) = 0 m (di dasar bidang miring), Percepatan gravitasi (g) = 10 m/s², Kecepatan awal (v₁) = 0 m/s (meluncur dari puncak, diasumsikan dari keadaan diam). Menggunakan Hukum Kekekalan Energi Mekanik (karena bidang miring licin, tidak ada gaya non-konservatif): Em₁ = Em₂, Ek₁ + Ep₁ = Ek₂ + Ep₂, 1/2 mv₁² + mgh₁ = 1/2 mv₂² + mgh₂. Masukkan nilai yang diketahui: 1/2 × 5 kg × (0 m/s)² + 5 kg × 10 m/s² × 4 m = 1/2 × 5 kg × v₂² + 5 kg × 10 m/s² × 0 m. 0 + 200 J = 1/2 × 5 kg × v₂² + 0. 200 = 2,5 v₂². v₂² = 200 / 2,5. v₂² = 80. v₂ = √80. v₂ = √(16 × 5). v₂ = 4√5 m/s. Jadi, kecepatan balok saat mencapai dasar bidang miring adalah 4√5 m/s.
5. Jelaskan konsep daya dalam fisika dan bagaimana hubungannya dengan usaha serta waktu. Berikan contoh penerapannya dalam kehidupan sehari-hari.
Daya (Power) dalam fisika didefinisikan sebagai laju di mana usaha dilakukan atau energi ditransfer. Dengan kata lain, daya mengukur seberapa cepat suatu pekerjaan dilakukan. Hubungannya dengan usaha dan waktu dinyatakan dengan rumus: P = W / t di mana: P = Daya (satuan SI: Watt, W), W = Usaha (satuan SI: Joule, J), t = Waktu (satuan SI: detik, s). Dari rumus ini, dapat dilihat bahwa daya berbanding lurus dengan usaha dan berbanding terbalik dengan waktu. Artinya, semakin besar usaha yang dilakukan dalam waktu yang sama, semakin besar daya. Atau, untuk usaha yang sama, semakin singkat waktu yang dibutuhkan, semakin besar daya. Contoh penerapan dalam kehidupan sehari-hari: Lampu: Lampu dengan daya 60 Watt lebih terang (mengubah energi listrik menjadi cahaya lebih cepat) dibandingkan lampu 10 Watt. Motor/Mobil: Mesin kendaraan dengan daya (horsepower/kW) yang lebih besar dapat melakukan usaha yang sama (misalnya, menempuh jarak tertentu atau mengangkat beban) dalam waktu yang lebih singkat, atau melakukan usaha lebih besar dalam waktu yang sama. Orang naik tangga: Seseorang yang berlari menaiki tangga melakukan usaha yang sama (mengubah energi potensialnya) dengan seseorang yang berjalan, tetapi orang yang berlari memiliki daya lebih besar karena ia melakukannya dalam waktu yang lebih singkat.