SEMINAR NASIONAL MIPA DALAM RANGKA LUSTRUM IX

ISSN 0215 - 8250
SIMULASI KOMPUTER TENTANG MEDAN DAN POTENSIAL LISTRIK
DI SEKITAR MUATAN TITIK DALAM PEMBELAJARAN FISIKA
oleh
Yosaphat Sumardi
Jurusan Pendidikan Fisika
FAkultas MIPA, Universtas Negeri Yogyakarta
ABSTRAK
Dalam pembelajaran fisika simulasi komputer dapat memvisualisasikan
gejala fisis tertentu yang tidak dapat ditunjukkan secara mudah dalam eksperimen
laboratorium. Pola medan dan potensial listrik di sekitar muatan titik perlu
disimulasikan dengan bantuan komputer karena kuat medan itu sangat lemah dan
perangkat percobaannya sukar dilaksanakan. Algoritma dalam mewujudkan
simulasi tersebut meliputi penentuan medan dan potensial listrik, penggambaran
pola medan dan potensial listrik itu. Dalam artikel ini digunakan program aplikasi
Mathematica untuk menerjemahkan algoritma itu. Bentuk visual pola medan dan
potensial listrik tersebut dapat ditunjukkan dalam dua dimensi dan tiga dimensi.
Pola medan dan potensial listrik ini antara lain dihasilkan oleh monopol dan dipol
listrik.
Kata kunci: simulasi komputer, medan dan potensial listrik, muatan titik,
pembelajaran fisika
ABSTRACT
In physics learning computer simulations can visualize physical
phenomena that cannot be shown easily in laboratory experiment. Magnetic field
and potential patterns around point charges should be simulated by computer
because the electric fields are very weak and it is difficult to perform the
experiment set. Algorithm for implementing that simulation involves the
determination of electric field and potential, electric field and potential plotting. In
this article Mathematica software is used to translate the algoritm.. The visual form
of electric field and potential patterns can be simulated in two dimension and three
dimension. These electric field and potential patterns are produced by electric
monopol and dipol.
Keywords: computer simulation, electric field and potential, point charges, physics
learning
______________ Jurnal Pendidikan dan Pengajaran IKIP Negeri Singaraja, No. 1 TH. XXXVII Januari 2004
ISSN 0215 - 8250
1. Pendahuluan
Kemajuan pesat dalam perangkat lunak dan perangkat keras komputer
banyak mempengaruhi pola pikir manusia. Dalam bidang pendidikan dan
pengajaran, termasuk pembelajaran fisika, berkembang pola pembelajaran
berbantuan komputer, yang lebih dikenal dengan CAI (Computer Aided
Instruction).
Dalam pembelajaran fisika CAI diharapkan dapat meningkatkan efektivitas
pembelajaran pada semua jenjang pendidikan. Banyak gejala fisis yang tidak
kasatmata dapat divisualisasikan dengan bantuan komputer. Solusi numerik
dengan bantuan komputer juga dapat membantu memecahkan masalah fisis yang
sukar dipecahkan secara analitik.
Pengembangan CAI merupakan masalah yang perlu mendapat perhatian,
karena pengembang seharusnya mempunyai bekal pengetahuan dalam materi
pembelajaran, metode pembelajaran, dan pemrograman untuk dapat mewujudkan
CAI. Untunglah saat ini telah banyak dikenal bahasa pemrograman visual berbasis
window, yang relatif mudah digunakan, misalnya Delphi,Visual Basic, Visual
Fortran, dan Visual C++. Banyak pula program aplikasi yang lebih berdaya guna
misalnya, Mathematica, Math Lab, dan Maple.
Gejala medan listrik mudah ditunjukkan dengan cara gosokan, misalnya
penggosokan kaca dengan kain sutera atau pengosokan mistar plastik dengan
rambut kering. Namun demikian, pola medan listrik di sekitar muatan titik
merupakan salah satu gejala fisis yang tidak mudah ditunjukkan dengan
eksperimen laboratorium. Oleh karena itu, dalam artikel ini akan dibahas simulasi
komputer tentang pola medan listrik di sekitar muatan titik, khususnya monopol
dan dipol.
Pembahasan yang akan diuraikan dalam artikel ini diarahkan pada
beberapa masalah berikut
(1)
Apa peranan simulasi komputer dalam
pembelajaran fisika?; (2) Mengapa pola medan listrik di sekitar muatan titik perlu
disimulasikan dengan komputer?; (3) Langkah apa saja yang dilakukan untuk
mewujudkan simulasi komputer tentang pola medan listrik di sekitar muatan titik?;
dan (4) Bentuk visual apa saja yang dapat diperlihatkan dengan simulasi
tersebut?
______________ Jurnal Pendidikan dan Pengajaran IKIP Negeri Singaraja, No. 1 TH. XXXVII Januari 2004
ISSN 0215 - 8250
2. Pembahasan
2.1 Peranan Simulasi Komputer dalam Pembelajaran Fisika
CAI merupakan kegiatan belajar-mengajar yang dibantu dengan komputer.
Pada dasarnya, CAI dapat dibagi menjadi enam ragam, yaitu: ujian, latihan,
tutorial terprogram, tutorial dialog, simulasi, dan inkuari (Romiszwoski, 1986).
Sedangkan, dalam bidang fisika, penggunaan komputer dalam fisika dapat dibagi
menjadi lima kategori, yaitu: analisis numerik, manipulasi simbolik, simulasi,
pengumpulan dan analisis data, dan visualisasi (Gould dan Tobochnik,1996: 2).
Oleh karena itu, dapat dikatakan bahwa simulasi merupakan salah satu bentuk
CAI.
Simulasi komputer digunakan untuk meniru situasi kehidupan sebenarnya
dan (maha)siswa menjadi pengendali situasi itu. Salah satu bentuk simulasi adalah
pemodelan proses. Karakteristik suatu sistem dalam kondisi tertentu dapat
diperlihatkan dengan komputer dan perangkat lunaknya. Oleh karena itu, simulasi
dalam pembelajaran fisika dapat menyajikan bentuk visual dari suatu gejala fisis
tertentu.
Simulasi komputer seringkali dikenal sebagai eksperimen komputer,
karena simulasi sangat mirip dengan eksperimen laboratorium. Eksperimen
laboratorium berpangkal sampel, sedangkan simulasi komputer berpangkal pada
model yang digagas dari sistem fisika yang sedang diperhatikan. Kemudian model
itu diimplementasikan pada komputer melalui langkah-langkah tertentu yang
disebut dengan algoritma. Algoritma dapat diungkapkan dalam diagram alir, kode
semu, atau pernyataan naratif.
Berdasarkan algoritma tersebut disusun program komputer dengan
menggunakan bahasa pemrograman tertentu. Program komputer ini
mensimulasikan sistem fisika yang sedang diperhatikan. Program komputer ini
mirip dengan peralatan fisis dalam eksperimen laboratorium. Dalam eksperimen
laboratorium peralatan perlu dikalibrasi, sedangkan dalam simulasi program
komputer perlu diujicoba.
______________ Jurnal Pendidikan dan Pengajaran IKIP Negeri Singaraja, No. 1 TH. XXXVII Januari 2004
ISSN 0215 - 8250
2.2 Simulasi Komputer tentang Pola Medan Listrik di Sekitar Muatan Titik
Gejala fisis dalam pembelajaran fisika sebaiknya ditunjukkan dalam situasi
sebenarnya atau eksperimen laboratorium. Namun demikian, tidak semua gejala
fisis dapat ditunjukkan dalam situasi sebenarnya, misalnya gejala fisis yang
berbahaya atau gejala atomik dan molekuler. Kadangkala, eksperimen
laboratorium juga sulit dilakukan karena keterbatasan peralatan laboratorium.
Dalam keadaan semacam itu simulasi komputer dapat digunakan sebagai
pengganti.
Seperti telah dikemukakan sebelumnya, gejala medan listrik dapat
ditunjukkan dengan metode gosokan.. Medan listrik dapat ditunjukkan dengan
elektroskop. Karena kelembaban udara sering berpengaruh terhadap gerakan daun
elektroskop dan kuat medan listrik biasanya sangat kecil, maka gejala medan
listrik ini sukar ditunjukkan dengan elektroskop.
Pola medan listrik di sekitar benda bermuatan listrik tidak mudah
ditunjukkan dengan percobaan seperti medan magnetik. Pola medan magnetik
dapat ditunjukkan dengan serbuk besi yang ditaburkan di atas kertas yang
membatasi benda bermagnet dan serbuk besi itu. Pola medan magnetik di sekitar
kawat berarus listrik dapat ditunjukkan dengan bantuan sejumlah kompas kecil.
Penyusunan perangkat percobaan semacam itu sukar dilakukan untuk
menunjukkan pola medan listrik.
2.3 Algoritma Simulasi
Dalam artikel ini gejala fisis yang disimulasikan adalah medan listrik di
sekitar muatan titik, khusunya monopol dan dipol. Muatan titik dapat
disimulasikan dengan bola bermuatan listrik homogen dengan ukuran sangat kecil.
Dipol listrik disimulasikan dengan sepasang monopol yang bemuaran berlawanan.
Algoritma untuk menunjukkan pola medan listrik di sekitar bola bermuatan
homogen dapat diungkapkan secara naratif sebagai berikut (Zimmerman dan
Olness, 1995). (1) Menentukan medan listrik di dalam bola dan di luar bola. (2)
Menggambarkan pola medan listrik dalam dua dimensi. (3) Mencari potensial
listrik di dalam bola dan di luar bola. (5) Menggambarkan pola garis ekipotensial
______________ Jurnal Pendidikan dan Pengajaran IKIP Negeri Singaraja, No. 1 TH. XXXVII Januari 2004
ISSN 0215 - 8250
dalam dua dimensi. (6) Menggambarkan pola medan listrik dalam tiga dimensi.
(7) Menggambarkan pola permukaan ekipotensial dalam tiga dimensi.
Algoritma untuk menunjukkan pola medan listrik di sekitar dipol listrik
dapat diungkapkan secara naratif sebagai berikut (Zimmerman dan Olness, 1995).
(1) Menentukan potensial coulomb muatan titik (monopol). Potensial coulomb
dipol dicari dengan superposisi sepasang monopol. (2) Menggambarkan pola
garis ekipotensial dalam dua dimensi. (3) Menyatakan potensial dalam koordinat
bola dan mengekspansikannya. (4) Menghitung medan listrik dipol, yaitu nilai
negatif dari gradien potensial. (5) Menggambarkan pola medan listrikdipol dalam
tiga dimensi. (6) Menggambarkan pola medan listrik dipol dalam dua dimensi.
2.4 Contoh Visual Pola Medan Listrik dan Garis/Permukaan Ekipotensial di
Sekitar Muatan Titik
Program aplikasi yang digunakan untuk menerjemahkan algoritma tersebut
adalah Mathematica (Wolfram, 1999). Zimmerman dan Olness (1995) menyatakan
bahwa keluwesan mathematica untuk memanipulasi ekspresi analitik, numerik,
dan grafik dapat memperluas jangkauan masalah yang dapat diselesaikan oleh
(maha)siswa dan peneliti.
Gambar 1 memperlihatkan pola medan listrik dan garis ekipotensial di
sekitar monopol dalam dua dimensi (Zimmerman dan Olness,1995). Dalam
gambar terlihat bahwa arah medan eletrik tegak lurus pada garis ekipotensial.
Gambar 2 memperlihatkan pola medan listrik dan permukaan ekipotensial
di sekitar monopol dalam tiga dimensi Dalam gambar juga terlihat bahwa arah
medan eletrik tegak lurus pada permukaan ekipotensial.
Gambar 3 memperlihatkan dan permukaan ekipotensial di sekitar dipol
dalam dua dimensi. Gambar 4 memperlihatkan dan listrik di sekitar dipol dalam
dua dimensi. Dua gambar ini juga menunjukkan bahwa arah medan eletrik tegak
lurus pada garis ekipotensial. Gambar 5 memperlihatkan dan listrik di sekitar dipol
dalam tiga dimensi.
______________ Jurnal Pendidikan dan Pengajaran IKIP Negeri Singaraja, No. 1 TH. XXXVII Januari 2004
ISSN 0215 - 8250
Gambar 1. Pola medan listrik dan garis ekipotensial yang dihasilkan monopol
dalam dua dimensi
Gambar 2. Pola medan listrik dan garis ekipotensial yang dihasilkan monopol
dalam tiga dimensi
______________ Jurnal Pendidikan dan Pengajaran IKIP Negeri Singaraja, No. 1 TH. XXXVII Januari 2004
ISSN 0215 - 8250
Gambar 3. Pola garis ekipotensial yang dihasilkan dipol dalam dua dimensi
dengan sumbu dipol vertikal
Gambar 4. Pola medan listrik yang dihasilkan dipol dalam dua dimensi dengan
sumbu dipol vertikal.
______________ Jurnal Pendidikan dan Pengajaran IKIP Negeri Singaraja, No. 1 TH. XXXVII Januari 2004
ISSN 0215 - 8250
Gambar 5. Pola medan listrik dipol dalam tiga dimensi
3
Penutup
Berdasarkan uraian dalam pembahasan dapat ditarik kesimpulan sebagai
berikut. (1) Dalam pembelajaran simulasi komputer dapat memvisualisasikan
gejala fisis tertentu.
(2) Pola medan listrik di sekitar muatan titik perlu
disimulasikan karena kuat medan ini sangat lemah dan penyusunan perangkat
percobaannya sukar dilaksanakan. (3) Algoritma dalam mewujudkan simulasi
tersebut meliputi: penentuan medan dan potensial listrik, penggambaran pola
medan dan potensial listrik itu. (4) Bentuk visual simulasi pola medan dan
potensial listrik tersebut dapat ditunjukkan dalam dua dimensi dan tiga dimensi.
Pola medan dan potensial listrik ini antara lain dihasilkan oleh monopol dan dipol
listrik
Beberapa saran yang perlu dikemukakan di sini antara lain sebagai berikut.
(1) Pengembangan simulasi komputer dalam pembelajaran fisika masih perlu
dilanjutkan untuk berbagai macam pokok bahasan. (2) Jajaran dalam lingkungan
Depdiknas, khususnya Lembaga Pendidikan dan Tenaga Kependidikan, perlu
memberikan perhatian serius terhadap pengembangan CAI.
______________ Jurnal Pendidikan dan Pengajaran IKIP Negeri Singaraja, No. 1 TH. XXXVII Januari 2004
ISSN 0215 - 8250
DAFTAR PUSTAKA
Gould, H., Tobochnik, J. 1996. An Introduction to Computer Simulation Methods:
Application to Physical System. Reading, Massachusetts: Addison-Wesley
Publishing Company.
Romiszwoski, A.J. 1986. Developing Auto-Instructional Material. London: Kogan
Page.
Wolfram, S. 1999. The Mathematica Book. Version 4. Fourth edition. New York:
Cambridge University Press).
Zimmerman, R.L., Olness, F.I. 1995. Mathematica for Physics. Reading,
Massachusetts: Addison-Wesley Publishing Company.
______________ Jurnal Pendidikan dan Pengajaran IKIP Negeri Singaraja, No. 1 TH. XXXVII Januari 2004