ii Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis iii Unit Pembelajaran 07 LISTRIK STATIS MATA PELAJARAN FISIKA MADRASAH ALIYAH Penanggung Jawab Direktorat GTK Madrasah Direktorat Jenderal Pendidikan Islam Kementerian Agama Republik Indonesia Penyusun Nuryanto Intan Irawati Alfianri Miftahul Fallah Gunawan Reviewer Hadi Susanto Copyright © 2020 Direktorat Guru dan Tenaga Kependidikan Madrasah Hak Cipta Dilindungi Undang-undang Dilarang mengcopy sebagian atau keseluruhan isi buku ini untuk kepentingan komersial tanpa izin tertulis dari Kementerian Agama Republik Indonesia
iv Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis KATA PENGANTAR Assalamu’alaikum Warahmatullahi Wabarakatuh Undang – undang Nomor 14 Tahun 2005 tentang Guru dan Dosen Pasal 1 ayat 1 menyatakan bahwa Guru adalah pendidik profesional dengan tugas utama mendidik, mengajar, membimbing, mengarahkan, melatih, menilai, dan mengevaluasi peserta didik pada Pendidikan Anak Usia Dini jalur Pendidikan Formal, Pendidikan Dasar, dan Pendidikan Menengah. Agar dapat melaksanakan tugas utamanya dengan baik, seorang guru perlu meningkatkan kompetensi dan kinerjanya secara bertahap, berjenjang, dan berkelanjutan melalui Pengembangan Keprofesian Berkelanjutan (PKB) guru. Untuk itu saya menyambut baik terbitnya modul ini sebagai panduan semua pihak dalam melaksanakan program PKB. Peningkatan Kompetensi Pembelajaran merupakan salah satu fokus upaya Kementerian Agama, Direktorat Jenderal Guru dan Tenaga Kependidikan (GTK) dalam meningkatkan kualitas madrasah melalui pembelajaran berorientasi keterampilan berpikir tingkat tinggi, kontekstual, dan terintegrasi dengan nilai-nilai keislaman. Program PKB dilakukan mengingat luasnya wilayah Indonesia dan kualitas pendidikan yang belum merata, sehingga peningkatan pendidikan dapat berjalan secara masif, merata, dan tepat sasaran. Modul ini dikembangkan mengikuti arah kebijakan Kementerian Agama yang menekankan pada pembelajaran berorientasi pada keterampilan berpikir tingkat tinggi atau higher order thinking skills (HOTS) dan terintegrasi dengan nilai-nilai keislaman. Keterampilan berpikir tingkat tinggi adalah proses berpikir kompleks dalam menguraikan materi, membuat kesimpulan, membangun representasi, menganalisis, dan membangun hubungan dengan melibatkan aktivitas mental yang paling dasar. Sementara, nilai-nilai keislaman diintegrasikan dalam pembelajaran sebagai hidden curriculum sehingga tercipta generasi unggul sekaligus beriman dan bertakwa serta berakhlak mulia. Sasaran Program PKB ini adalah seluruh guru di wilayah NKRI yang tergabung dalam komunitas guru sesuai bidang tugas yang diampu di wilayahnya masing-masing. Komunitas guru dimaksud meliputi kelompok kerja guru (KKG), Musyawarah Guru Mata Pelajaran (MGMP), dan Musyawarah Guru Bimbingan Konseling (MGBK). Model
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis v pembelajaran yang digunakan dalam modul ini adalah melalui moda Tatap Muka In-On-In sehingga guru tidak harus meninggalkan tugas utamanya di madrasah sebagai pendidik. Semoga modul ini dapat digunakan dengan baik sebagaimana mestinya sehingga dapat menginspirasi guru dalam materi dan melaksanakan proses pembelajaran. Kami ucapkan terima kasih atas kerja keras dan kerja cerdas para penulis dan semua pihak terkait yang dapat mewujudkan Modul ini. Semoga Allah SWT senantiasa meridhai dan memudahkan upaya yang kita lakukan. Aamiin. Wassalamu’alaikum Warahmatullahi Wabarakatuh Jakarta, Oktober 2020 An. Direktur Jenderal, Direktur Guru dan Tenaga Kependidikan Madrasah, Muhammad Zain
iv Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis DAFTAR ISI KATA PENGANTAR................................................................................................................. iv DAFTAR ISI................................................................................................................................ iv DAFTAR TABEL........................................................................................................................ vi DAFTAR GAMBAR.................................................................................................................. vii 01 PENDAHULUAN...................................................................................................................1 A. Latar Belakang ...............................................................................................................1 B. Tujuan...............................................................................................................................1 C. Manfaat ............................................................................................................................1 D. Sasaran ...........................................................................................................................2 E. Petunjuk Penggunaan.................................................................................................2 02 TERGET KOMPETENSI GURU.........................................................................................6 A. Kompetensi Guru..........................................................................................................6 1. Kompetensi Guru..........................................................................................................6 2. Indikator Pencapaian Kompetensi Guru................................................................7 B. Target Kompetensi Peserta Didik............................................................................8 1. Kompetensi Inti dan Kompetensi Dasar .................................................................8 2. Indikator Pencapaian Kompetensi ..........................................................................9 03 MATERI DAN ORGANISASI PEMBELAJARAN........................................................... 11 A. Ruang Lingkup Materi ................................................................................................ 11 B. Organisasi Pembelajaran .......................................................................................... 11
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis v 04 KEGIATAN PEMBELAJARAN LISTRIK STATIS..........................................................12 A. Pengantar.....................................................................................................................12 B. Aplikasi dalam Dunia Nyata.....................................................................................12 C. Integrasi Keislaman....................................................................................................16 D. Bahan Bacaan .............................................................................................................19 1. Muatan Listrik...............................................................................................................19 2. Hukum Coulomb.......................................................................................................20 3. Medan Listrik..............................................................................................................25 4.Energi Potensial Listrik dan Potensial Listrik ...................................................... 28 5.Kapasitor ......................................................................................................................29 E. Kegiatan Pembelajaran.............................................................................................37 F. Lembar Kerja Peserta Didik (LKPD)...................................................................... 48 G. Pengembangan Soal HOTs .................................................................................... 57 05 PENILAIAN........................................................................................................................58 A. Tes Formatif................................................................................................................58 B. Penilaian ......................................................................................................................66 1. Penilaian Untuk Guru................................................................................................66 2. Penilaian Unuk Peserta Didik ................................................................................68 06 PENUTUP...........................................................................................................................73 KUNCI JAWABAN TES FORMATIF ....................................................................................74 GLOSARIUM ........................................................................................................................... 75 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................................... 76 LAMPIRAN-LAMPIRAN..........................................................................................................77
vi Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis DAFTAR TABEL Tabel 1 Indikator Pencapaian Kompetensi Peserta Didik .....................................9 Tabel 2 Materi dan organisasi pembelajaran........................................................... 11 Tabel 3 Pembelajaran HK Coulomb ......................................................................... 38 Tabel 4 Pembelajaran Medan listrik, potensial dan energi potensial listrik .. 42 Tabel 5 Pembelajaran Kapasitor ................................................................................44 Tabel 6 LKPD 1 Mind Maps Listrik Statis.................................................................. 48 Tabel 7 LKPD 2 Menentukan Muatan Listrik.......................................................... 49 Tabel 8 LKPD 3 Induksi istrik Statis .......................................................................... 50 Tabel 9 LKPD 4 Mengisi dan mengosongkan kapasitor...................................... 51 Tabel 10 LKPD 5 Energi Kapasitor.............................................................................. 53 Tabel 11 LKPD 6 Hubungan Dielektrik dan Kapasitansi ....................................... 55 Tabel 16 Kisi-kisi Penulisan soal...................................................................................77 Tabel 17 Kartu soal...........................................................................................................79 Tabel 18 Instrumen telaah soal HOT tes pilihan ganda ........................................ 80 Tabel 19 Instrumen telaah soal HOT tes uraian...................................................... 83
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis vii DAFTAR GAMBAR Gambar 1 Alur Pembelajaran In-On-In ............................................................................4 Gambar 3 Gesekan Minyak dan Tangki Menghasilkan Listrik Statis ....................15 Gambar 4 Petir Ditempat Terbuka (Listrik Statis)........................................................16 Gambar 5 Petir Akibat Loncatan Listrik Statis ..............................................................17 Gambar 6 Gerakan Awan Menghasilkan Listrik Statis ..............................................19
1 Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 01 PENDAHULUAN A. Latar Belakang Pendidikan merupakan proses yang sangat strategis dalam mencerdaskan kehidupan bangsa sehingga harus dilakukan secara profesional. Undang-Undang Nomor 14 Tahun 2005 tentang Guru dan Dosen Pasal 10 ayat (1) mengamanatkan bahwa guru yang profesional harus memiliki kompetensi pedagogik, kompetensi kepribadian, kompetensi sosial, dan kompetensi profesional. Keempat kompetensi tersebut bersifat holistik dan merupakan suatu kesatuan yang menjadi ciri guru profesional. Agar dapat melaksanakan tugas profesinya dengan baik, seorang guru perlu meningkatkan kompetensi dan kinerjanya secara bertahap, berjenjang, dan berkelanjutan melalui Pengembangan Keprofesian Berkelanjutan (PKB) guru. Strategi pelaksanaan PKB guru madrasah yang ditempuh oleh Direktorat Guru dan Tenaga Kependidikan Madrasah adalah melalui KKG/MGMP/MGBK, Kantor Wilayah Kementerian Agama Provinsi, dan Kementerian Agama Pusat. Untuk mendukung program tersebut, diperlukan modul sebagai salah satu aternatif sumber bahan ajar bagi guru untuk mempelajari konten materi, merancang pembelajaran dan cara mengajarkannya, mengembangkan Lembar Kerja Peserta Didik, mengembangkan instrumen penilaian dan evaluasi proses dan hasil belajar. B. Tujuan Tujuan modul ini adalah: 1. Meningkatkan kompetensi pedagogis dan kompetensi profesional guru melalui kegiatan PKB. 2. Meningkatkan hasil Asesmen Kompetensi Guru (AKG). 3. Menfasilitasi sumber belajar guru dan peserta didik dalam mengembangkan kurikulum, mempersiapkan dan melaksanaan pembelajaran yang mendidik. C. Manfaat Manfaat yang ingin dicapai: 1. Sebagai sumber belajar bagi guru dalam melaksanakan PKB untuk mencapai target kompetensi pedagogis dan kompetensi profesional tertentu.
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 2 2. Sebagai sumber bagi guru dalam mengembangkan kurikulum, persiapan dan pelaksanaan pembelajaran yang mendidik. 3. Sebagai bahan malakukan asesmen mandiri guru dalam rangka peningkatan keprofesionalan. 4. Sebagai sumber dalam merencanakan dan melaksanakan penilaian dan evaluasi proses dan hasil belajar peserta didik. 5. Sebagai sumber belajar bagi peserta didik untuk mencapai target kompetensi dasar. D. Sasaran Adapun sasaran modul ini adalah: 1. Fasilitator nasional, provinsi, dan kabupaten/kota 2. Pengawas Madrasah 3. Kepala Madrasah 4. Ketua KKG/MGMP/MGBK 5. Guru 6. Peserta didik. E. Petunjuk Penggunaan Agar Anda berhasil dengan baik dalam mempelajari dan mempraktikkan modul ini, ikutilah petunjuk belajar sebagai berikut: 1. Bacalah dengan cermat bagian pendahuluan sampai Anda memahami benar tujuan mempelajari Unit Pembelajaran ini. 2. Pelajarilah dengan seksama bagian target kompetensi sehingga Anda benarbenar memahami target kompetensi yang harus dicapai baik oleh diri Anda sendiri maupun oleh peserta didik. 3. Kegiatan Pembelajaran untuk menyelesaikan setiap Unit Pembelajaran dilakukan melalui model Tatap Muka In-On-In sebagai berikut: a. Kegiatan In Servive Learning 1. Kegiatan ini dilakukan secara tatap muka bersama fasilitator dan teman sejawat untuk mengkaji materi dan melakukan kegiatan pembelajaran, meliputi: mempelajari konten materi
3 Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis ajar dan mendiskusikan materi ajar yang sulit atau berpeluang terjadi miskonsepsi, mendesain pembelajaran yang sesuai dengan daya dukung madrasah dan karakteristik peserta didik, mempelajari dan melengkapi LKPD, serta mempersiapkan intrumen penilaian proses dan hasil belajar. b. Kegiatan On Service Learning. Pada tahap ini, Anda dapat mengkaji kembali uraian materi secara mandiri dan melakukan aktivitas belajar di madrasah berdasarkan rancangan pembelajaran dan LKPD yang telah dipersiapkan. Buatlah catatan-catatan peluang dan hambatan yang ditemui selama pelaksanaan pembelajaran. Hasil kegiatan on baik berupa tugas lembar kerja maupun tugas lainnya dilampirkan sebagai bukti fisik bahwa Anda telah menyelesaikan seluruh tugas on yang ada pada Unit Pembelajaran. c. Kegiatan In Servive Learning 2. Tahap ini dilakukan secara tatap muka bersama fasilitator dan teman sejawat untuk melaporkan dan mendiskusikan hasil kegiatan on. Arahkan diskusi pada refleksi untuk perbaikan dan pengembangan pembelajaran. 4. Ujilah pemahaman konsep Anda dengan mengerjakan latihan soal penilaian, kemudian cocokkan jawaban Anda dengan kunci jawaban yang tersedia di bagian akhir masing- masing Unit Pembelajaran. 5. Lakukan penilaian mandiri sebagai refleksi ketercapaian target kompetensi. Dalam melaksanakan setiap kegiatan pada modul ini, Anda harus mempertimbangkan prinsip kesetaraan dan inklusi sosial tanpa membedakan suku, ras, golongan, jenis kelamin, status sosial ekonomi, dan yang berkebutuhan khusus. Kesetaraan dan inklusi sosial ini juga diberlakukan bagi pendidik, tenaga kependidikan dan peserta didik. Dalam proses diskusi kelompok yang diikuti lakilaki dan perempuan, perlu mempertimbangkan kapan diskusi harus dilakukan secara terpisah baik laki-laki maupun perempuan dan kapan harus dilakukan bersama. Anda juga harus memperhatikan partisipasi setiap peserta didik dengan seksama, sehingga tidak mengukuhkan relasi yang tidak setara.
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 4 Gambar 1 Alur Pembelajaran In-On-In • Modul Fisika listrik statis ini berisi empat sub Pokok bahasan yang terdiri dari ruang lingkup materi gaya coulomb, medan listrik, potensial listrik dan kapasitor • Sebelum mempelajari modul Fisika Listrik Statis, ada beberapa persyaratan yang harus disiapkan oleh guru dan peserta didik agar proses pebelajaran bisa berjalan dengan baik. Bahan yang harus disiapkan oleh guru : 1. Lap top 2. koneksi internet
5 Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis •Bahan yang harus disiapkan oleh peserta didik; 1. Lap top minimal 1 per kelompok • Waktu yang dipergunakan untuk mempelajari modul ini diperkiranan 18 JP untuk diselesaikan dalam jangka waktu: 1. In Servive Learning 1: 6 JP 2. On Service Learnin : 8 JP 3. In Servive Learning 2: 4 JP • Strategi dalam melaksanakan kegiatan dalam modul ini, Saudara mulai dengan membaca Penjelasan umum modul, menyiapkan dokumendokumen yang diperlukan, mengikuti tahap demi tahap kegiatan secara sistematis, mengerjakan semua lembar kerja, membaca bahan bacaan yang relevan, dan pada akhir kegiatan ini, Saudara akan dinilai oleh Fasilitator. • Dalam melaksanakan setiap kegiatan pada modul ini, Saudara harus mempertimbangkan prinsip kesetaraan gender dan inklusi sosial tanpa membedakan suku, ras, golongan, jenis kelamin, status sosial ekonomi, dan yang berkebutuhan khusus. Kesetaraan gender dan inklusi sosial ini juga diberlakukan bagi pendidik, tenaga kependidikan dan peserta didik. • Dalam proses diskusi kelompok yang diikuti laki-laki dan perempuan, perlu bagi Saudara mempertimbangkan kapan diskusi harus dilakukan secara terpisah baik laki-laki maupun perempuan dan kapan harus dilakukan bersamaan. Saudara juga harus memperhatikan partisipasi setiap peserta didik dengan seksama, sehingga tidak mengukuhkan relasi yang tidak setara.
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 6 02 TERGET KOMPETENSI GURU A. Kompetensi Guru Target kompetensi guru didasarkan pada Peraturan Menteri Pendidikan Nasional Republik Indonesia Nomor 16 Tahun 2007 Tentang Standar Kualifikasi Akademik dan Kompetensi Guru. Dalam Unit Pembelajaran ini, target kompetensi yang dituangkan hanya yang terkait kompetensi pedagogis dan kompetensi profesional. 1. Kompetensi Guru Ranah Kompetensi Target Kompetensi Guru Kompetensi Pedagogis 4.3. Menyusun rancangan pembelajaran yang lengkap, baik untuk kegiatan di dalam kelas, laboratorium, maupun lapangan. 4.4. Melaksanakan pembelajaran yang mendidik di kelas, di laboratorium, dan di lapangan dengan memperhatikan standar keamanan yang dipersyaratkan. 4.5. Menggunakan media pembelajaran dan sumber belajar yang relevan dengan karakteristik peserta didik dan mata pelajaran yang diampu untuk mencapai tujuan pembelajaran secara utuh Kompetensi Profesional 22.1. Memilih materi pembelajaran yang diampu sesuai dengan tingkat perkembangan peserta didik. 22.2. Mengolah materi pelajaran yang diampu secara kreatif sesuai dengan tingkat perkembangan peserta didik.
7 Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 2. Indikator Pencapaian Kompetensi Guru Target Kompetensi Indikator Pencapaian Kompetensi Guru 4.3. Menyusun rancangan pembelajaran yang lengkap, baik untuk kegiatan di dalam kelas, laboratorium, maupun lapangan 4.3.1. Menentukan tujuan pembelajaran yang sesuai dengan karakteristik peserta didik 4.3.2. Memilih model pembelajaran yang sesuai dengan tujuan pembelajaran 4.4. Melaksanakan pembelajaran yang mendidik di kelas, di laboratorium, dan di lapangan dengan memperhatikan standar keamanan yang dipersyaratkan. 4.4.1. melaksanakan program pembelajaran Dinamika Partikel dan Benda Tegar yang sudah disusun dengan kreatif 4.4.2. melaksanakan praktikum yang relevan dengan materi Dinamika Partikel dan Benda Tegar 4.5. Menggunakan media pembelajaran dan sumber belajar yang relevan dengan karakteristik peserta didik dan mata pelajaran yang diampu untuk mencapai tujuan pembelajaran secara utuh 4.5.1. Menentukan jenis moda dan media yang relevan dengan materi pembelajaran 4.5.2. Menentukan sumber belajar yang relevan dengan karakteristik peserta didik
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 8 22.1. Memilih materi pembelajaran yang diampu sesuai dengan tingkat perkembangan peserta didik. 22.1.1. Menguasai materi Dinamika Partikel dan Benda Tegar secara bertahap sesuai dengan kebutuhan peserta didik 22.1.2. Mendeteksi miskonsepsi pada materi Dinamika Partikel dan Benda Tegar yang dimiliki peserta didik 22.2. Mengolah materi pelajaran yang diampu secara kreatif sesuai dengan tingkat perkembangan peserta didik. 22.2.1. Menyampaikan materi Dinamika Partikel dan Benda Tegar dengan tepat sesuai karakteristik peserta didik 22.2.2. Melakukan bimbingan dan pengayaan materi sesuai kebutuhan peserta didik B. Target Kompetensi Peserta Didik Target kompetensi peserta didik dalam Unit Pembelajaran ini dikembangkan berdasarkan Kompetensi Dasar kelas XI sesuai dengan permendikbud nomor 37 tahun 2018 Tentang Kompetensi Inti dan Kompetensi Dasar Pelajaran Kurikulum 2013 Pada Pendidikan Dasar dan Pendidikan Menengah sebagai berikut: 1. Kompetensi Inti dan Kompetensi Dasar Kompetensi Inti Kompetensi Dasar 3. Memahami, menerapkan, menganalisis dan mengevaluasi pengetahuan faktual, konseptual, prosedural, dan metakognitif berdasarkan rasa ingin tahunya tentang ilmu pengetahuan, teknologi, seni, 3.2 Menganalisis muatan listrik, gaya listrik, kuat medan listrik, fluks, potensial listrik, energi potensial listrik serta
9 Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis budaya, dan humaniora dengan wawasan kemanusiaan, kebangsaan, kenegaraan, dan peradaban terkait penyebab fenomena dan kejadian, serta menerapkan pengetahuan prosedural pada bidang kajian yang spesifik sesuai dengan bakat dan minatnya untuk memecahkan masalah penerapannya pada berbagai kasus 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 4.2. Melakukan percobaan berikut presentasi hasil percobaan kelistrikan (misalnya pengisian dan pengosongan kapasitor) dan manfaatnya dalam kehidupan sehari-hari 2. Indikator Pencapaian Kompetensi Kompetensi dasar dikembangkan menjadi beberapa indikator pencapaian kompetensi sebagai acuan bagi guru untuk mengukur pencapaian kompetensi dasar. Dalam rangka memudahkan guru menentukan indikator yang sesuai dengan tuntunan kompetensi dasar, indikator dibagi menjadi tiga kategori, yaitu indikator pendukung, indikator kunci, dan indikator pengayaan sebagai berikut: Tabel 1 Indikator Pencapaian Kompetensi Peserta Didik Kompetensi Dasar Indikator Pencapaian Kompetensi 3.2 Menganalisis muatan listrik, gaya listrik, kuat medan listrik, fluks, 3.2.1. Mendeskripsikan pengertian dan karakteristik muatan listrik 3.2.2. Mendeskripsikan hukum Coulomb
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 10 potensial listrik, energi potensial listrik serta penerapannya pada berbagai kasus 3.2.3. Menerapkan hukum coulomb dalam pemecahan masalah 3.2.4. Mendeskripsikan konsep medan listrik 3.2.5. Memformulasikan medan listrik dari berbagai sumber dengan menerapkan konsep hukum Gauss 3.2.6. Mendeskripsikan dan memformulasikan energy potensial listrik dan potensial listrik 3.2.7. Memformulasikan hubungan energy potensial listrik, potensial listrik, medan listrik dan gaya listrik 3.2.8. Mendeskripsikan fungsi, karakterstik, dan cara kerja kapasitor 3.2.9. Memformulasikan kapasitansi total hubungan seri dan paralel 4.2 Melakukan percobaan berikut presentasi hasil percobaan kelistrikan (misalnya pengisian dan pengosongan kapasitor) dan manfaatnya dalam kehidupan sehari-hari 4.2.1. Melakukan percobaan yang menunjukan adanya muatan listrik dan gaya listrik 4.2.2. Melakukan percobaan hubungan besaran fisis pembuat kapasitor melalui simulasi 4.2.3. Melakukan percobaan hubungan Kapasitansi, muatan, beda potensial dan energi kapasitor 4.2.4. Melakukan percobaan pengisian dan pengosongan kapasitor
11 Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 03 MATERI DAN ORGANISASI PEMBELAJARAN A. Ruang Lingkup Materi Ruang lingkup materi fisika di Madrasah Aliyah meliputi: 1. Hukum Coulomb 2. Medan Listrik 3. Energi Potensial Listrik 4. Potensial Listrik 5. Kapasitor B. Organisasi Pembelajaran Guna memudahkan guru dalam mempelajari modul ini, kita akan membaginya menjadi 3 topik bahasan dengan alokasi waktu sebagai berikut: Tabel 2 Materi dan organisasi pembelajaran No Topik Materi Waktu In –1 On In – 2 1 Listrik Statis Hukum Coulomb 2 JP 2 JP 1 JP Medan Listrik dan potensial listrik 2 JP 2 JP 1 JP Kapasitor 2 JP 4 JP 2 JP
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 12 04 KEGIATAN PEMBELAJARAN LISTRIK STATIS A. Pengantar Dalam unit pembelajaran ini akan dibahas materi pembelajaran listrik statis yang terdiri dari sub pokok bahasan antara lain: Hukum Coulomb, Medan Listrik, Potensial Listrik dan Kapasitor. Materi akan disampaikan melalui kegiatan literasi bahan bacaan yang disediakan dalam modul dan untuk memperdalam pemahaman disediakan aktivitas percobaan yang dapat dilakukan secara individu maupun dalam kelompok. Setelah menyelesaikan modul ini peserta diklat diharapkan dapat meningkatkan kompetensinya baik kompetensi pedagogik maupun kompetensi professional. Dalam unit Pembelajaran ini dielngkapi bagian Aplikasi dalam dunia nyata serta integrasi nilai-nilai keislaman diharapkan dapat mendorong pembelajaran yang kontekstual sekaligus menanamkan nilai-nilai karakter peserta didik. Unit Pembelajaran juga dilengkapi contoh alternatif aktivitas pembelajaran, lembar kegiatan peserta didik (LKPD), dan lembar pengembangan intrumen penilaian soal HOTS guna memudahkan guru dalam merancang pembelajaran yang sesuai dengan daya dukung madrasah dan karakteristik peserta didik. Di akhir Unit Pembelajaran terdapat latihan tes formatif yang dapat dijadikan intrumen penilaian diri bagi guru sebelum melaksanakan Asesmen Kompetensi Guru (AKG) maupun peserta didik dalam hal penguasaan materi. B. Aplikasi dalam Dunia Nyata a. Mesin fotocopy Mesin Fotokopi yang seringkali kita lihat selama ini ternyata cara kerja dan prinsipnya menggunakan Teori Listrik Statis. Check ya, berikut penjelasannya.
13 Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis PRINSIP DASAR DAN CARA KERJA MESIN FOTOCOPY Mesin fotocopy adalah mesin yang digunakan untuk membuat salinan dokumen asli kedalam bentuk dokumen lainnya seperti kertas, mesin fotocopy pada umumnya hanya di gunakan untuk melakukan kegiatan salin menyalin saja. walau begitu saat ini fitur pada mesin fotocopy sudah banyak seperti menyimpan dokumen, faximil, scan, send to email, folder, dll Prinsip dan Cara Kerja Mesin Fotocopy prinsip dasar semua mesin fotocopy adalah xerografi, yakni fotocopy menggunakan cahaya, drum dan toner untuk melakukan penyalinan. ketiga komponen ini adalah komponen utama pada semua mesin fotocopy. untuk melakukan penyalinan kertas yang ditaruh pada kaca mesin akan disinari, sinar ini akan ditangkap dan dipantulkan oleh lensa ke arah drum. drum memiliki muatan negatif sehingga serbuk toner yang berbahan dasar serbuk besi halus akan menempel pada toner. drum yang terkena sinar pantulan oleh lensa akan kehilangan muatan negatif sehingga serbuk toner tidak akan menempel, sedangkan untuk bagian yang tidak terkena sinar (terbayang) seperti tulisan atau gambar akan tetap memiliki muatan negatif. Dengan begitu serbuk toner akan menempel mengikuti bayangan dari dokumen asli. setelah drum selesai menempelkan semua serbuk toner yang dibutuhkan untuk mencetak, kini saatnya kertas salinan masuk lewat tray sheet ke bagian
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 14 bawah drum. drum berputar kebawah sejajar dengan permukaan kertas salinan. alas tempat kertas salinan memiliki daya tarik magnet yang jauh lebih kuat dari drum mesin sehingga semua serbuk toner jatuh dan menempel pada kertas, langkah terakhir adalah memanaskan sambil mem-press serbuk toner pada kertas agar menempel dengan kuat dan tidak lentur itulah alasannya kenapa kertas hasil fotocopy terasa panas. Cara Kerja Mesin Fotokopi secara sederhana cara kerjanya dapat dibagi menjadi beberapa tahapan : 1. pre-xposure adalah penyinaran pertama dari mesin 2. primary charging adalah mengalirkan aliran listrik pada drum sehingga membuatnya bermuatan negatif untuk menarik toner 3. laser-xposure adalah penyinaran dengan laser, untuk mendapatkan kualitas bayangan yang lebih jelas, pada tahap ini bayangan dokumen asli di tangkap dan di pantulkan oleh lensa 4. development adalah tahapan dimana serbuk toner mulai diisi dan ditempelkan ke drum mengikuti bayangan pantulan
15 Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 5. transfer adalah tahapan dimana kertas disiapkan 6. separation adalah saat serbuk toner yang menempel di drum memisahkan diri dan menempel pada kertas karena tarikan magnet yang kuat dari alas kertas. 7. fixing adalah tahap memanaskan dan mempress toner pada kertas agar menempel dengan kuat. 8. cleaning seperti namanya adalah tahap membersihkan drum dari sisa-sisa toner b. Rantai besi di mobil tangki Mengapa mobil tangki bensin selalu digantungkan seuntai rantai besi dan dibiarkan terseret dengan aspal/jalan? Gambar 2 Gesekan Minyak dan Tangki Menghasilkan Listrik Statis Jawab: Dalam truk terdapat bensin. Sewaktu truk itu melaju, bensin akan terguncang-guncang terjadi benturan dan gesekan antara bensin dengan dinding tangki. Ini bisa membuat tangki bensin bermuatan listrik. Ban roda truk terbuat dari karet, yaitu suatu bahan isolator, jadi muatan listrik yang timbul dalam tangki bensin tersebut tidak bisa dibuang ke tanah melalui ban mobil, dengan demikian muatan listrik itu akan terkumpul. Selain itu, di udara terdapat debu yang bermuatan listrik. Waktu truk berjalan, debu itu
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 16 akan melekat pada permukaan truk. Kalau debu itu tertumpuk terlalu banyak, dapat menimbulkan percikan bunga api. Ini sangat membahayakan terutama ketika bensin dituang. Cara mencegah bahaya semacam ini adalah dengan menghantarkan muatan listrik yang timbul dalam tangki bensin maupun debu yang melekat pada permukaan truk itu ke tanah. Rantai besi yang digantungkan di belakang truk dan dibiarkan terseret berfungsi untuk mengalirkan muatan-muatan listrik tersebut ke tanah. C. Integrasi Keislaman Mengapa orang tua kita melarang kita bermain di lapangan ketika sedang hujan? Gambar 3 Petir Ditempat Terbuka (Listrik statis) Jawab: Hujan umumnya disertai petir. Petir selalu mencari tempat terdekat untuk mencapai Bumi. Biasanya, yang dipilih adalah tempat-tempat yg terbuka atau tempat-tempat yang tinggi. Oleh karena itu, lapangan merupakan salah satu tempat terbuka yang bisa langsung menghantarkan petir, dan tubuh kita akan bisa ikut tersambar petir.
17 Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis Gambar 4 Petir Akibat Loncatan Listrik Statis Petir merupakan salah satu fenomena alamiah listrik statis yang menunjukan kebesaran Tuhan Yang Maha Kuasa yang dapat membuat kita takut karena suaranya yang begitu keras dan kilat cahaya yang bersamaan dengan petir menyebabkan kita silau. Bahkan petir dapat membahayakan dan membawa bencana. Surat Fushilat 41:13 Allah berfirman: Jika mereka berpaling maka katakanlah “Aku telah memperingatkan kamu akan (bencana) Petir seperti petir yang menimpa kaum ‘Ad dan kaum Tsamud”. secara ilmiah petir disebabkan oleh listrik statis yang terkumpul ketika titik-titik air atau kristal es jatuh dan saling bergesekan dengan awan. Akibat gesekan tersebut awan menjadi bermuatan. Muatan positif akan terkumpul di puncak awan, sedangkan muatan negatif didasar awan, ketika hal itu terjadi muatan positif juga akan terkumpul dipermukaan tanah.
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 18 Sambaran awal (leader stroke) akan keluar dari awan dan mencari titik dengan muatan yang berlawanan di tanah, ketika sambaran awal menemukan tempatnya, ia akan membuat jalur yang akan diikuti oleh sambaran petir kuat dari tanah ke awan. Udara yang dipanaskan oleh petir akan memuai dengan sangat cepat. Hal tersebut menghasilkan suara yang kita dengar sebagai Guntur. Penyebab terjadinya petir ini bisa kita pahami dalam Al Qur’an AnNur 24 : 43 Yang artinya, Tidakkah bahwa Allah menjadikan awan bergerak perlahan, kemudian mengumpulkannya, lalu Dia yang bertumpuk-tumpuk, lalu engkau lihat hujan keluar dari celah-celahnya dan Dia (juga) menurunkan (butiran-butiran) dari langit, (yaitu) dari (gumpalan -gumpalan awan seperti) gunung-gunung, maka ditimpakan-Nya (butiran-butiran es) itu kepada siapa yang Dia kehendaki dan dihindarkan-Nya dari siapa yang Dia kehendaki. Kilauan kilatnya hampir hampir menghilangkan penglihatan.
19 Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis Gambar 5 Gerakan Awan Menghasilkan Listrik statis Pada saat awan bergerak satu sama lain, terjadi gesekan sehingga awan-awan menjadi bermuatan listrik, hal ini menyebabkan petir yang dapat membahayakan. D. Bahan Bacaan 1. Muatan Listrik Beberapa percobaan yang dapat menunjukkan keberadaan gaya dan muatan listrik antara lain: Saat kita menyisir rambut pada saat kelembaban udara kecil, maka sisir yang sudah kita gunakan menyisir rambut akan menarik potongan-potongan kecil dari kertas, menggosok-gosok kain sutera pada Kaca atau menggosok-gosok karet dengan bulu binatang maka kaca dan karet akan saling marik-manarik. Sisir yang dapat menarik serpihan kertas kecil, Kaca dan karet menjadi saling tarik menarik karena sisir, kaca dan karet memiliki muatan. Muatan tersebut timbul karena kedua benda saling bergesekan. Berdasarkan percobaan Benjamin Franklin (1706-1790), ditemukan dua jenis muatan listrik yang biasa disebut muatan positif dan muatan negatif. Untuk
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 20 membuktikan keberadaan kedua jenis muatan tersebut, gantunglah batang karet, yang telah digosok oleh kain sutra, pada seutas tali seperti ditunjukkan pada gambar berikut. Hasil pengamatan ini menunjukkan bahwa karet dan kaca memiliki jenis muatan yang berbeda. Berdasarkan hasil ini, kita dapat menyimpulkan bahwa muatan-muatan yang bertanda sama akan tolak menolak dan muatan-muatan dengan tanda berlawanan akan tarik-menarik. 2. Hukum Coulomb Ketika benda-benda yang bermuatan listrik saling didekatkan maka terjadi interaksi berupa tarik-menarik atau tolak-menolak. Interaksi ini disebabkan adanya gaya elektostatik yang sering kita sebut gaya Coulomb. Besarnya gaya tarik atau tolak pada interaksi elektrostatik pertama kali diamati oleh Charles Augustin de Coulomb (1736-1804). Coulomb menggunakan neraca puntir sehingga ia berhasil menyelidiki hubungan antara gaya elektrostatik dengan muatan dan jarak masing-masing benda bermuatan. Coulomb menyimpulkan bahwa “Gaya elektrostatik antara dua muatan listrik berbanding lurus dengan besar masing-masing muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan” artinya jika salah satu muatan digandakan maka gaya tarik-menarik atau gaya tolak-menolak menjadi dua kali lipatnya, jika masing-masing muatan digandakan maka gaya tarik-menarik atau gaya tolak-menolak menjadi empat kali lipatnya. Sedangkan jika jarak pisah
21 Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis digandakan maka gaya tarik-menarik atau gaya tolak-menolak menjadi seperempat kali lipatnya. Secara matematis dapat dituliskan: = 1 2 2 Keterangan: 1 , 2 = muatan benda 1 dan 2 (coulomb/C) = gaya Coulomb (N) = jarak kedua muatan (m) = konstanta pembanding = konstanta Coulomb = 9 x 109 Nm2 /C2 Contoh soal dan pembahasan 1. Tiga buah bola streofoam bermuatan ditempatkan disudut-sudut segitiga 1 = 3 = 5 µC, 2= -2 µC dan = 0,10 m. Carilah gaya resultan yang bekerja pada 3! Diketahui: 23 = a = 0,1 m 1 = 5 µC = 5.10-6 C 13 = √2 =0,1 √2 m 2 = 2 µC = 2.10-6 C = 9.109 N.m2 /C2 3 = 5 µC = 5.10-6 C
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 22 Gaya di 3 akibat muatan 2 23 = 2 3 2 = ( 9.10^9 N.m2 /C 2 ) (2.10−6 C) (5.10−6 ) (0,10) 2 = 9,0 Gaya di 3 akibat muatan 1 13 = 1 3 2 = ( 9.109 N.m2 /C 2 ) (5.10−6 C) (5.10−6 ) 2(0,1 ) 2 = 11,0 Gaya 23 tepat pada sumbu x, ini artinya gaya 23 pada sumbu y bernilai nol. Sedangkan Gaya 13 membentuk sudut 450 dengan sumbu x. Oleh karena itu, komponen-komponen x dan y pada 13 adalah sama, yang besarnya ditentukan oleh 13 cos 450 = 7,9 Dengan menggunakan rumus penjumlahan vector untuk menggabungkan 13 dengan 23, kita akan mendapatkan komponen-komponen x dan y sebagai gaya resultan yang bekerja pada 3 : 3= 13+ 23= 7,9 + (−9,0) = −1,1 3= 13+ 23= 7,9 + 0 = 7,9 Kita juga dapat menyatakan gaya resultan yang bekerja pada 3 dengan vector satuan sebagai berikut: 3 = (−1,1 + 7,9) 2. Tiga muatan titik terletak di sepanjang sumbu x. Muatan positif q1 = 15,0 µC berada pada x = 2,00 m, muatan positif q2 = 6,00 µC berada pada titik asal, dan gaya resultan yang bekerja pada q3 adalah nol. Berapakah koordinat x untuk q3?
23 Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis Diketahui: 23 = x m 1 = 15 µC = 15.10-6 C 13 = (2- x) m 2 = 6 µC = 6.10-6 C = 9.109 N.m2 /C2 Oleh karena q3 negatif dan q1 dan q2 positif, gaya-gaya 13 dan 23 tarik-menarik. Maka nilai 13 dan 23: 13 = 1 3 (2−) 2 23 = 2 3 2 Agar gaya resultan pada q3 sama dengan nol, 23 harus memiliki besar yang sama dan arah yang berlawanan dengan 13. Maka kita dapatkan : 1 3 (2−) 2 = 2 3 2 1 (2 − ) 2 = 2 2 (2 − ) 22 = 21 (4 − 4 + 2 )(6. 10−6 ) = 2 (15. 10−6 ) 3 2 + 8 − 8 = 0 = 0,775
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 24 3. Dua bola kecil identic bermuatan, masing-masing memiliki massa 3,0x10- 2kg, berada pada kesetimbangan. Panjang masing-masing tali adalah 0,15 m, dan sudut adalah 5 0 . Carilah besar muatan pada masing-masing bola. (1) ∑ = − = 0 (2) ∑ = − = 0 Dari persamaan (2), kita lihat bahwa = . cos , nilai ini jika disubtitusikan ke persamaan (1) maka persamaan menjadi = tan = (3. 10−2 ). 9,8. tan 5 0 = 2,6. 10−2 Perhatikan segitiga siku-siku, kita lihat bahwa sin = /. Oleh karena itu, kita dapatkan jarak antara kedua bola (2a) adalah: a = sin = (0,15 m) sin 5 0= 0,013 m 2a = 0,026 m r = 0,026 m dan q adalah besar muatan pada masing-masing bola. Dari persamaan hokum Coulomb kita dapatkan besar nilai muatan q adalah 2 = . 2 = (2,610−2)(0,026) 2 9109 .2/2 = 1,96. 10−15 2 = 4,4 . 10−8
25 Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 3. Medan Listrik Konsep medan dikembangan oleh Michaael Faraday (1791-1867) dalam konteks gaya listrik. Menurut Faraday suatu medan listrik keluar dari setiap muatan dan menyebar keseluruh ruang. Apabila suatu benda bermuatan listrik berada dalam ruang tersebut, maka akan mendapatkan gaya listrik. Medan listrik merupakan efek yang ditimbulkan oleh adanya muatan listrik pada ruangan yang ada di sekitarnya. Medan listrik termasuk dalam medan vektor. Arah medan listrik dari muatan sumber dinyatakan sama dengan arah gaya yang dialami benda bermuatan positif dan berlawanan dengan gaya yang dialami benda bermuatan negatif. Jika muatan sumber positif, maka arah medannya searah dengan gaya yang dialami muatan uji positif dan berlawanan arah dengan gaya yang dialami muatan uji negatif, ini artinya bahwa arah medan dari muatan sumber positif yaitu radial keluar menjauhi muatan sumber positif; sedangkan jika muatan sumber negatif, maka arah medannya memiliki arah searah dengan gaya yang dialami muatan uji positif dan berlawanan dengan gaya yang dialami muatan uji negatif, ini artinya bahwa arah medan dari muatan sumber negatif yaitu radial menuju muatan sumber negatif. (a) Untuk muatan sumber positif, medan listrik pada titik arahnya menjauhi atau mengarah keluar secara radial dari . (b) Untuk muatan sumber negatif, medan listrik pada titik arahnya mendekati atau mengarah ke dalam secara radial menuju .
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 26 Kuat medan listrik di suatu titik didefinisikan sebagai besarnya gaya elektrostatik persatuan muatan uji (positif) di titik tersebut, yang dapat dinyatakann dalam persamaan: = ′ Keterangan: : kuat medan listrik (N/C) : gaya elektrostatik (N) ’ : muatan listrik (C) Jadi, gaya listrik pada sebuah muatan q yang ditempatkan pada sebuah medan listrik E dinyatakan dengan = . Apabila jarak antara titik dengan muatan listrik adalah , maka kuat medan listrik di titik : = ′ = ′ 2 ′ = 2 Contoh Soal dan Pembahasan 1. Suatu muatan q1 =7 µC terletak pada titik asal dalam koordinat xy (0,0), dan muatan q2 =-5 µC terletak pada (0,30) cm. Carilah medan listrik pada titik P yang memiliki koordinat (40,0) cm.
27 Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis Dari narasi soal dan gambar kita dapatkan informasi: 1 = 7 µ = 7.10-6 C 1 = 0,4 m 2 = −5 µ = -5.10-6 C 2 = 0,5 m = 9.109 N.m2 /C2 Cari medan listrik pada titik yang disebabkan oleh masing-masing muatan. Medan 1 akibat muatan 7 µ dan 2 akibat muatan −5 µ. 1 = 1 1 2 = (9 . 109 ) (7 . 10−6 ) 0,4 2 = 3,9 . 105 ⁄ 2 = 2 2 2 = (9 . 109 ) (5 . 10−6 ) 0,5 2 = 1,8 . 105 ⁄ Vektor 1 hanya memiliki komponen . Vektor 2 memiliki komponen yang dinyatakan oleh 2 cos = 3 5 2 dan komponen negatif y yang dinyatakan oleh −2 sin = − 4 5 2. Oleh karena itu, kita dapat menyatakan vector-vektornya sebagai berikut 1 = 3,9 . 105 ⁄ 1 = 0
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 28 2= 2 cos = 1,1 . 105 ⁄ 2= 2 sin = 1,4 . 105 ⁄ = (1 + 2 ) + (1 + 2) = (1,1 . 105 + 2,5 . 105 ) ⁄ Dari hasil ini, kita temukan bahwa E membentuk sudut ᴓ sebesar 660 dengan sumbu x positif dan besarnya adalah 2,17x105 N/C. 4. Energi Potensial Listrik dan Potensial Listrik 1. Energi potensial listrik Untuk memindahkan muatan yang terletak disekitar muatan sumber dari titik 1 ke titik 2 diperlukan usaha sebesar 12 = ∫ 2 1 = ∫ 2 2 1 = ∫ −2 2 1 Maka usahanya kita dapatkan 12 = − ( 1 2 − 1 1 ) Gaya listrik merupakan gaya konservatif, maka perubahan energi potensialnya merupakan negatif dari usaha yang dilakukan gaya listrik, secara matematis dituliskan ∆12 = −12 2 − 1 = ( 1 2 − 1 1 ) 2 = ( 1 2 ) dan 1 = ( 1 1 ) Suku = dinamakan energi potensial listrik. 2. Beda Potensial dan Potensial Listrik Potensial listrik adalah karekteristik skalar dari suatu medan listrik, tidak bergantung pada muatan apa pun yang diletakkan di dalam medan.
29 Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis Medan listrik merupakan gaya listrik persatuan muatan listrik, analogi dengan medan maka beda potensial antara dua titik didefinisikan sebagai besarnya usaha (energi potensial) listrik yang diperlukan untuk memindahkan muatan uji dari titik satu ke titik lain persatuan muatan uji. Untuk memindahkan muatan uji dari titik 1 ke titik 2, definisi di atas dapat dinyatakan: ∆12 = ∆12 = ( 1 2 − 1 1 ) = = maka = . Ket : = beda potensial listrik (volt) = Energi potensial listrik (joule) = muatan listrik (coulomb) Potensial listrik di suatu titik oleh beberapa sumber muatan Potensial merupakan besaran skalar, maka potensial listrik disuatu titik yang ditimbulkan beberapa sumber muatan listrik merupakan penjumlahan skalar dari potensial muatan-muatan tersebut. = ∑ =1 5. Kapasitor Kapasitor (kondensator) adalah: alat yang terdiri dari dua penghantar berdekatan yang dimaksudkan untuk diberi muatan sama besar dan berlawanan jenis. Fungsi dari Kapasitor. 1. Untuk menghilangkan bunga api listrik pada rangkaian-rangkaian yang mengandung kumparan bila tiba-tiba diputuskan. 2. Pada rangkaian yang dipakai untuk menghidupkan mesin mobil.
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 30 3. Untuk memperbesar effisiensi daya transmisi (penyebaran) arus bolakbalik. 4. Untuk memilih panjang gelombang (tuning) pesawat penerima radio. Setiap kapasitor mempunyai kapasitas (C), yaitu perbandingan antara besar muatan (Q) dari salah satu keping dengan beda potensial (V) antara kedua keping-kepingnya. C Q V = C = kapasitor satuan = Coulomb/Volt Q = muatan satuan = Coulomb V = beda potensial satuan = Volt * KAPASITOR KEPING SEJAJAR Kapasitor yang terdiri dari 2 buah keping sejajar yang masing-masing luasnya A m2 terpisah sejauh d meter satu sama lain, bila diantara kepin-kepingnya hampa udara, kapasitasnya (C0) adalah : C A d 0 0 = 0 = permitivitas ruang hampa Bila di antara keping-keping kapasitor disisipi bahan dielektrik.
31 Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis Besar kapasitasnya (C) menjadi : C A d = . = permitivitas bahan dielektrik KONSTANTA DIELEKTRIK (K). K C C A d X d A = = = 0 0 0 . Karena C selalu lebih besar dari C0, maka : K selalu >1 Jadi kapasitas kapasitor keping sejajar secara umum dapat dituliskan : C C K K A d = 0 = 0 . * ENERGI SUATU KAPASITOR BERMUATAN. Energi yang tersimpan di dalam kapasitor, bila suatu kapasitor diberi muatan adalah : W Q C = 1 2 2 atau W = CV 1 2 2
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 32 * SUSUNAN KAPASITOR 1. Bila kapasitor yang masing-masing kapasitasnya C1,C2,C3, ... disusun seri, maka : - Qs = Q1 = Q 2 = Q 3 = ..... - Vs = Vab + Vbc + Vcd + Vde +..... - 1 1 1 1 CS C1 C2 C3 = + + +..... 2. Kapasitor-kapasitor yang disusun paralel. Bila beberapa kapasitor C1,C2,C3, ....... disusun paralel, maka : - Beda potensial (Vab) total sama dengan beda potensial masing-masing kapasitor. - Qp = Q1 + Q2 + Q3 + ..... - Cp = C1 + C2 + C3 + .....
33 Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis MERUBAH BESARNYA KAPASITAS SUATU PENGHANTAR: Sebuah penghantar bermuatan, potensialnya semakin kecil kalau didekati penghantar lain yang netral. Akan menjadi lebih kecil lagi bila penghantar netral itu dihubungkan dengan bumi. Sebuah penghantar bermuatan, kapasitasnya semakin besar kalau didekati penghantar lain yang netral. Akan menjadi lebih besar lagi bila penghantar netral itu dihubungkan dengan bumi. Besarnya Potensial Penghantar Gabungan: Apabila dua penghantar baru yang bermuatan saling dihubungkan, terjadi sebuah penghantar baru yang kapasitasnya sama dengan jumlah kapasitas penghantar masing-masing. Untuk dua penghantar yang belum dihubungkan berlaku : Q1 = C1 V1 atau Q2 = C2 V2 Setelah dihubungkan : (Jumlah Muatan Tidak Berubah) Q1 + Q2 = C V atau : C1 V1 + C2 V2 = C1 V + C2 V = ( C1 + C2 ) V sehingga V C V C V C C = + + 1 2 2 2 1 2 Contoh soal dan pembahasan 1. Energi potensial listrik sistem dua muatan identik q dan Q adalah V ketika keduanya terpisah sejauh x. Apabila kedua muatan itu digeser saling menjauh sehingga jarak antara keduanya menjadi 2x, lalu keduanya digeser lagi sehingga jarak antara keduanya menjadi 0,5x, maka pada kejadian itu dari keadaan mula-mula sampai keadaan akhir gaya Coulomb tidak melakukan usaha.
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 34 SEBAB Usaha gaya Coulomb sama dengan minus perubahan energi potensial listrik. Pembahasan : Energi potensial di titik awal : = . . dan = . . ... (1) Energi potensial di titik akhir : ℎ = . . 0.5 ... (2) Usaha Gaya Coulomb : = − (Alasan benar) = − ℎ = . . − . . 0.5 = . . ( 1 − 2 ) = − .. (Pernyataan salah) Jawaban : D 2. Kapasitor X, Y dan Z tersusun atas dua keeping datar yang sejajar. Diketahui kapasitas kapasitor X adalah C. Luas keping pada kapasitor Y dua kali lebih luas dibanding kapasitor X dan jarak antar kepingnya sama dengan kapasitor X. Kapasitor Z memiliki luas keping yang sama denga kapasitor X namun jarak antar keping dua kali lebih jauh disbanding kapasitor X. jika kapasitor Y dan Z disusun paralel, berapakah kapasitor totalnya? A. 2 5 B. 2 3 C. 3 4 D. 5 4 E. 5 2
35 Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis Pembahasan : Kapasitor X Kapasitor Y Kapasitor Z = = 2 = = = = 2 = = 02 = 0 2 = = = Kapasitor Y dan Z disusun parelel maka : = + = 2 + 1 2 = 5 2 Jawaban ( E ) 3. Perhatikan rangkaian kapasitor berikut ! Sebuah kapasitor 6 µF dipasang di titik P dan Q dalam rangkaian listrik di atas. Setelah keadaan tunak, energi yang disimpan kapasitor adalah .... A. 0 B. 1, 35 × 10−5 C. 2, 70 × 10−5 D. 6,08 x 10-5 J E. 12, 15 × 10−5 Pembahasan : Hitung beda potensial di PQ (=beda potensial di hambatan 5) dengan prinsip rangkaian seri =
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 36 V Q C V Q C 9 = 5 10 = 5 10 × 9 = 4,5 Energi yang tersimpan di dalam kapasitor dihitung dengan persamaan = 1 2 2 = 1 2 × (6 × 10−6 ) × 4,5 2 = 6,075 × 10−5 ≈ 6,08 × 10−5 4. Dua kapasitor identik dirangkai secara paralel. Agar energi listrik yang tersimpan dalam rangkaian kapasitor itu sebesar W, muatan keseluruhan yang harus disimpan pada setiap kapasitor adalah Q. Berapa kapasitansi tiap kapasitor itu? A. 2 8 B. 2 4 C. 2 2 D. 2 E. 2 2 8 Pembahasan Cp = C1+C2, , Cp = C+C maka Cp = 2C Rangkaian Paralel itu V sama Qt=Q+Q , Qt=2Q
37 Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis Sehingga = 1 2 . , = 1 2 (2). = . -----> = . ---->V= = . , = 2 Jadi = E. Kegiatan Pembelajaran Topik listrik statis, materi: Hukum Coulomb, Medan Listrik dan Potensial Listrik 1. Kegiatan In Learning Service-1 ( 6 JP) Aktivitas ini dilakukan secara tatap muka bersama fasilitator dan teman sejawat untuk mengkaji materi dan melakukan kegiatan pembelajaran. Langkah-langkah Kegiatan: 1) Membaca bagian pendahuluan modul untuk memahami tujuan pembelajaran dan target kompetensi guru dan peserta didik. 2) Peserta dibagi menjadi beberapa kelompok. 3) Setiap kelompok diberikan tanggungjawab untuk menelaah contoh aktivitas peserta didik dalam pembelajaran yang akan dilakukan dalam aktivitas on disesuaikan dengan daya dukung dan karakteristik peserta didik, menelaah LKPD, dan membuat instrumen penilaian HOTS. 4) Jika diperlukan, peserta dapat melakukan simulasi pembelajaran atau mengerjakan/mempraktikkan LKPD. 5) Setiap kelompok mempresentasikan hasil telaahnya.
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 38 2. Kegiatan On Job Training (8 JP) Pada kegiatan ini, setiap guru mempraktikkan pembelajaran terhadap peserta didik di madrasah masing-masing sesuai dengan perangkat pembelajaran yang telah disempurnakan pada kegiatan in-1. Contoh model pembelajaran yang dapat digunakan adalah model Discovery Learning (DL) dengan sintak: 1) Pemberian stimulus (Stimulation) 2) Mengidentifikasi masalah (Problem Statement) 3) Mengumpulkan data (Data Collecting) 4) Mengolah data (Data Processing) 5) Memverifikasi hasil pengolahan data (Verification) 6) Penarikan Kesimpulan (Generalization) 3. Kegiatan Pembelajaran Pertemuan 1 ( 2 x 45 menit) Materi: Hukum Coulomb Tabel 3 Pembelajaran HK Coulomb No. Aktivitas Peserta Didik Aktivitas Guru Waktu 1 Menyimak dan merespon guru. Melakukan aktivitas pendahuluan: - Menginformasikan tujuan pembelajaran. - Menginformasikan garis besar aktivitas pembelajaran yang akan dilakukan. - Menginformasikan cakupan materi secara umum. - Menyampaikan apersepsi dan motivasi, dengan 15 menit
39 Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis memberikan pertanyaan yang membangkitkan minat peserta didik, misalnya pertanyaan “Mengapa penggaris plastik dapat menarik serpihan-serpihan kecil kertas?” 2 Membentuk kelompok masing-masing 4-5 orang. Membagi peserta didik menjadi beberapa kelompok heterogen terdiri dari 4-5 orang. 5 menit 3 Berdiskusi untuk menentukan masalah yang berhubungan dengan Hukum Coulomb (Problem Statement) Memandu peserta didik dengan memberi pertanyaan untuk membantu peserta didik menentukan masalah. 10 menit 4 Membaca LKPD secara cermat. Membagikan LKPD. 5 menit 5 Mencari informasi dari berbagai sumber tentang muatan listrik, perbedaan benda bermuatan listrik negatif dan positif dan bagaimana interaksi dua atau lebih benda bermuatan listrik (Data collection) - Memfasilitasi peserta didik untuk berdiskusi didalam kelompok. - Mendorong peserta didik untuk saling Mengungkapkan pendapat. 20 menit
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 40 6 Berdiskusi didalam kelompok tentang muatan listrik, perbedaan benda bermuatan listrik negatif dan positif dan bagaimana interaksi dua atau lebih benda bermuatan listrik - Melakukan penilaian proses pembejaran terhadap peserta didik. 7 Menyusun simpulan (Generalization) mengenai muatan listrik, perbedaan benda bermuatan listrik negatif dan positif dan bagaimana interaksi dua atau lebih benda bermuatan listrik. Simpulan dapat dituliskan dalam kertas karton untuk dipresentasikan dalam forum kelas. 8 Perwakilan kelompok mempresentasikan hasil diskusinya. Menfasilitasi presentasi dan terjadinya dan diskusi kelas. 20 menit 9 Menyimak dan merespon guru. Melakukan aktivitas penutup: - Melakukan verifikasi - Melakukan umpan baik 15 menit
41 Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis - Menyampaikan penugasan untuk pertemuan berikutnya.
Unit Pembelajaran 7 : Listrik Statis 42 Materi: Medan listrik, Potensial dan energi potensial listrik Tabel 4 Pembelajaran Medan listrik, potensial dan energi potensial listrik No. Aktivitas Peserta Didik Aktivitas Guru Waktu 1 Menyimak dan merespon guru. Melakukan aktivitas pendahuluan: - Menginformasikan tujuan pembelajaran. - Menginformasikan garis besar aktivitas pembelajaran yang akan dilakukan. - Menginformasikan cakupan materi secara umum. - Menyampaikan apersepsi dan motivasi, dengan memberikan pertanyaan yang membangkitkan minat peserta didik, misalnya pertanyaan “Apa yang dimaksud dengan medan listrik? Dan bagaimana cara menentukan besar kuat medan listrik?” 15 menit 2 Membentuk kelompok masing-masing 4-5 orang. Membagi peserta didik menjadi beberapa kelompok heterogen terdiri dari 4-5 orang. 5 menit