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 : Fisika

Kelas/ semester : X/2

Materi pokok : Fluida Statis

Sub materi pokok : Hukum Archimedes

Alokasi waktu : 2x45 menit

I. 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 Kompetensi Dasar

Spritual 1.1 Bertambah keimanannya dengan menyadari hubungan

keteraturan dan kompleksitas alam dan jagad raya terhadap

kebesaran Tuhan yang menciptakannya.

1.2 Menyadari kebesaran Tuhan yang menciptakan keseimbangan

1

perubahan medan listrik dan medan magnet yang saling berkaitan

sehingga memungkinkan manusia mengembangkan teknologi

untuk mempermudah kehidupan.

Afektif 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.

2.2 Menghargai kerja individu dan kelompok dalam aktivitas sehari-

hari sebagai wujud implementasi melaksanakan percobaan dan

melaporkan hasil percobaan.

Kognitif 3.7 Menerapkan hukum-hukum pada fluida statik dalam kehidupan

sehari-hari

Psikomotor 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 :

2

ρ=mV

Dimana :

ρ=¿ massa jenis fluida (kg /m3)

m=¿ massa fluida (kg )

V=¿ volume fluida (m3)

B. Tekanan

Tekanan adalah gaya yang bekerja pada suatu benda tiap satuan luas permukaan

benda tersebut.

P= FA

Dimana :

P=¿ tekanan (N /m2)

F=¿ gaya tekan (N )

A=¿ luas permukaan benda (m2)

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=¿ massa jenis fluida (kg /m3)

g=¿ percepatan gravitasi (m / s2)

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 Poadalah tekanan udara luar ( Pa )

V. 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

4

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?

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 :

5

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. Neraca pegas

2. Tiga buah balok

3. Gelas berpancur

4. Gelas ukur

5. 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!

6

Gambar 1. Skema Percobaan Kegiatan 1

Tabel Hasil Pengamatan

Balok Gaya ke Atas

(F ¿¿ A=W u−W a)¿

Berat Air yang Dipindahkan

(W c=mc x g)

1 buah … …

2 buah … …

3 buah … …

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)

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.h1

P2 = ρ .g.h2

Sehingga besarnya gaya-gaya yang bekerja:

F = P.A

F1 = ρ .g.h1.A (ke bawah)

F2 = ρ .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

7

karena h2 – h1= h, maka:

F A= ρ. g .h . A

A.h adalah volume benda yang tercelup, sehingga:

F A= ρ. g .V ............................................................................................................................(1)

dengan:

F A = gaya ke atas atau Archimedes (N)

ρ = massa jenis fluida (kg/m3)

g = percepatan gravitasi (m/s2)

V = volume benda yang tercelup (m3)

(Bambang Hariyadi. 2009 : 147-148)

Adanya gaya Archimedes dalam zat cair menjadikan benda yang dimasukkan ke

dalam zat cair mengalami tiga kemungkinan, yaitu terapung, melayang, dan tenggelam.

(Setya Nurachmadani. 2009 : 201)

8

Contoh soal 1 :

Sebuah Benda dicelupkan ke air yang massa jenisnya 1000 kg /m3 . Volume benda yang

tercelup 1.5 m3 , berapakah gaya ke atas yang dialami benda?\

Diketahui :

 ρ=1000 Kg /m3

g=9.8 m /¿

V=1.5 m3

Jawab : 

 FA=ρ . g .V

FA=1000 kg/m3 .9,8 m/ s2 .1.5m3

FA=14.700 N

Jadi, gaya ke atas yang dialami benda adalah 14.700 N

9

Kegiatan 2

Terapung, Melayang, Tenggelam

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

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)

b. Telur pada gelas ”B” posisinya ....... (terapung/ melayang/ tenggelam)

c. Telur pada gelas ”C” posisinya ....... (terapung/ melayang/ tenggelam)

10

8. Tabulasikan data pengamatan yang diperoleh!

Gelas Gambar W diudara W diair F A

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.

a. Benda Mengapung

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 <F A

mB g<ρC g V C

ρBV B g<ρC V C g

ρBV B<ρc V c (6-11)

Keterangan :

V c=¿ volume benda yang tercelup (m3 )

V B=¿ volume benda seluruhnya (m3 )

Persamaan (6-11) menunjukkan bahwa supaya benda mengapung, massa jenis harus lebih

kecil daripada massa jenis zat cair (ρ¿¿ B<ρ c)¿.

b. Benda Melayang

11

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

…………………………………………………………………………

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 =FA

mB g= ρC g V C

ρBV B g=ρC V C g

ρC V C=ρB 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

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 >F A

mB g>F A

ρBV 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

12

F A=W h idrometer

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

ρ1ρ 1 (Ah1) = m

h1=m

(A h 1)

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.

13

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

Indikator Soal Kunci

1 3.7.1 Menyimpulkan

konsep hukum

Archimedes.

Apa yang kamu

ketahui tentang

hukum

Archimedes?

Hukum Archimedes berbunyi

”Sebuah benda yang tercelup

sebagian atau seluruhnya dalam

fluida akan mengalami gaya ke

atas sebesar berat fluida yang di

pindahkan oleh benda tersebut”.

Persamaan :

F A= ρf . g . V b , f

14

dengan :

F A=¿Gaya ke atas (N )

ρ f=¿Massa jenis fluida (kg /m3)

g=¿Percepatan gravitasi

(9,8 m / s2)

V b , f =¿Volume benda yang

tercelup dalam fluida(m3)

2 3.7.2

Memformulasikan

persamaan hukum

Archimedes.

Jabarkan

Fa=F2−F1

hingga

mendapatkan

rumus hukum

Archimedes dan

beri penjelasan!

Fa=F2−F1

Fa=P2 A2−P1 A1

Fa=ρg h2 A− ρgh1 A

Fa=ρgA ( h2−h1 )jika h2−h1=h

Fa=ρgA h

A h=volume silinder

Fa=ρgV

Fa=¿Gaya ke atas (N )

ρ=¿Massa jenis fluida (kg /m3)

g=¿Percepatan gravitasi

(9,8 m / s2)

V=¿Volume benda yang tercelup

dalam fluida(m3)

3 3.7.3 Menghitung

besarnya gaya ke

atas atau volume

benda yang tercelup

dalam fluida dengan

persamaan gaya

Archimedes.

Sebuah gabus

mempunyai rapat

massa 200 kg /m3

. Berapakah

bagian volume

dari gabus yang

tercelup dalam

air bila gabus

dalam kondisi

terapung!

Misalkan V adalah volume gabus

dan V ' adalah volume yang

tenggelam bila gabus itu terapung

di air.

W =ρ . g .V dan F A= ρa . g .V ' .

Karena gabus dalam kondisi

terapung maka memenuhi syarat

W =FA.

Sehingga

W =FA

15

ρ . g . V =ρa . g .V '

V '

V= ρ

ρa

V '

V= 200 kg /m3

1000 kg /m3

V '

V=1

5

Jadi, bagian gabus yang tenggelam

adalah 15

bagian.

4 3.7.4 Menyimpulkan

konsep benda yang

terapung, melayang

dan tenggelam.

Sebuah balok

kayu yang massa

jenisnya

0,75 gr /cm3 dan

air massa

jenisnya

1 gr /cm3. Jika

volume balok 12

cm3, volune

balok kayu yang

tercelup ke

dalam air

adalah? Dan

posisi balok

kayu dalam

keadaan apa?

Penyelesaiannya :

Diketahui :

ρb=0,75 gr /cm3

ρa=1gr /cm3Vb=12 cm3

Ditanya :

Va ?

Posisi?

Jawab :

Volume balok tercelup = volume air

yang dipindahkan

Wb=Fa

ρa V a g=ρbV b g

ρa V a= ρbV b1 .Va=0,75 . 12

Va=9cm3

Jadi karena tidak semua volume

tercelup pada fluida, maka balok

kayu dalam keadaan terapung.

5 3.7.5 Menjelaskan

aplikasi dari konsep

hukum Archimedes

dalam kehidupan

sehari-hari.

Sebutkan 3

contoh

penerapan

hukum

Archimedes

dalam kehidupan

1. Kapal selam

Kapal selam adalah kapal laut yang

dapat berada dalam tiga keadaan,

yaitu mengapung, melayang, dan

tenggelam. Ketiga keadaan ini dapat

dicapai dengan cara

16

sehari-hari dan

jelaskan !

mengatur banyaknya air dan udara

dalam badan kapal selam.  Ketika

kapal selam ingin terapung maka

bagian tersebut harus berisi udara.

Ketika akan melayang,

udaranya dikeluarkan dan diisi

dengan air sehingga mencapai

keadaan melayang. Jika ingin

tenggelam maka airnya harus

lebih diperbanyak lagi.

2. Hidrometer

Jika hidrometer dicelupkan ke

dalam zat cair, sebagian alat

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.

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 gaya ke

atas, misalnya diisi udara yang

dipanaskan.

17

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

18