Deuxième Loi de Newton : F=ma Guide

PhysiqueIntermédiaireTemps de lecture: 4 min

Aperçu

Étudiez la relation quantitative entre l'accélération, la force nette et la masse en utilisant la méthode de contrôle des variables et un minuteur à bande pour vérifier la deuxième loi de Newton $F = ma$ .

Contexte

En 1687, Isaac Newton a détaillé pour la première fois systématiquement les trois lois du mouvement dans son ouvrage fondateur 'Principia Mathematica'. La deuxième loi révèle la relation quantitative entre la force, la masse et l'accélération, posant les bases de la mécanique classique. Newton a résumé cette loi universelle applicable aux objets macroscopiques à faible vitesse en observant des phénomènes tels que la chute des pommes et l'orbite de la lune, combinés à une dérivation mathématique. Cette expérience utilisera le classique minuteur à bande pour mesurer précisément l'accélération à l'aide de la méthode des différences successives et vérifier personnellement cette grande loi.

Concepts clés

Accélération ( $a$ )

a \ (\text{m/s}^2)

Une grandeur physique décrivant la rapidité avec laquelle la vitesse change. Plus l'accélération est grande, plus la vitesse change vite. Dans un mouvement rectiligne uniformément accéléré, $a = \Delta v / \Delta t$ .

Force ( $F$ )

F \ (\text{N})

L'interaction entre des objets, qui est la cause des changements de l'état de mouvement d'un objet. La force est un vecteur avec une grandeur et une direction.

Masse ( $m$ )

m \ (\text{kg})

Une mesure de l'inertie d'un objet. Plus la masse est grande, plus il est difficile de changer son état de mouvement (accélérer ou décélérer).

Méthode de contrôle des variables

Lors de l'étude de problèmes à plusieurs variables, gardez les autres variables constantes et ne changez qu'une seule variable pour explorer l'influence de cette variable sur le résultat.

Formules et dérivation

Deuxième loi de Newton

F = ma

L'accélération d'un objet est directement proportionnelle à la force extérieure nette agissant sur lui et inversement proportionnelle à sa masse. L'unité de force 'Newton' est définie à partir de ceci : la force requise pour accélérer un objet de

1\text{kg}

1\text{m/s}^2

est de

1\text{N}

Accélération par différence successive

a = \frac{(x_4+x_5+x_6)-(x_1+x_2+x_3)}{9T^2}

Calculez l'accélération en utilisant la méthode des différences successives avec le déplacement entre 6 points de comptage adjacents sur la bande.

T

est l'intervalle de temps entre les points de comptage adjacents (dans cette expérience

T = 0.1\text{s}

). Cette méthode utilise pleinement les données pour réduire les erreurs accidentelles.

Étapes de l'expérience

1
Étudier la relation entre l'accélération et la force
Gardez la masse du chariot $M = 0.5\text{kg}$ constante. Réglez la force de traction $F$ à $1.0\text{N}$ , $1.5\text{N}$ , $2.0\text{N}$ et $2.5\text{N}$ successivement, effectuez l'expérience respectivement et enregistrez l'accélération. Observez : la masse étant constante, comment l'accélération change-t-elle avec la force de traction ? (Indice : Essayez de tracer un graphique $a\text{-}F$ )
2
Étudier la relation entre l'accélération et la masse
Gardez la force de traction $F = 1.0\text{N}$ constante. Réglez la masse du chariot $M$ à $0.5\text{kg}$ , $1.0\text{kg}$ et $1.5\text{kg}$ successivement, effectuez l'expérience respectivement et enregistrez l'accélération. Observez : la force étant constante, comment l'accélération change-t-elle avec la masse ? (Indice : Essayez de tracer un graphique $a\text{-}1/M$ )
3
Analyser la bande
Observez la distribution des points de comptage sur la bande. Prenez 1 point de comptage tous les 5 points, et l'intervalle de temps entre les points de comptage adjacents est $T = 0.1\text{s}$ . Mesurez la distance entre les points de comptage adjacents $x_1, x_2, ..., x_6$ . Réfléchissez : Pourquoi la distance entre les points de comptage adjacents devient-elle de plus en plus grande ? Quel type de mouvement cela indique-t-il que le chariot effectue ?
4
Introduire le frottement
Ajustez le coefficient de frottement de $0$ à $0.1$ ou plus. Répétez l'expérience de l'étape 1 et observez l'écart de l'accélération mesurée par rapport à la valeur théorique. Réfléchissez : Quelle est la différence entre l'accélération mesurée expérimentalement et la valeur théorique ? Comment expliquer cette différence ? Comment 'équilibrer le frottement' dans les expériences réelles ?

Objectifs d'apprentissage

Décrire avec précision le contenu et la signification physique de la deuxième loi de Newton
Maîtriser l'application de la méthode de contrôle des variables dans les expériences de physique
Utiliser avec compétence la méthode des différences successives pour traiter les données de la bande et calculer l'accélération
Comprendre les conclusions expérimentales de $a \propto F$ (masse constante) et $a \propto 1/m$ (force constante)
Analyser les sources d'erreur expérimentale et proposer des mesures d'amélioration

Applications réelles

Performance d'accélération des voitures : Fournir une plus grande poussée du moteur ou réduire la masse de la carrosserie peut améliorer les performances d'accélération. Les voitures de F1 utilisent des carrosseries en fibre de carbone précisément pour réduire la masse.
Lancement de fusée : La combustion du carburant de fusée fournit la poussée. À mesure que le carburant est consommé et que la masse diminue, l'accélération continue d'augmenter avec une poussée constante.
Démarrage de l'ascenseur : Lorsqu'un ascenseur accélère vers le haut depuis l'arrêt, la sensation de 'surpoids' que les gens ressentent est une manifestation de la force extérieure nette.
Airbag : Réduire la force d'impact en prolongeant le temps de collision consiste essentiellement à utiliser la déformation de $F = ma$ , $F = m \cdot \Delta v / \Delta t$ .
Entraînement sportif : L'accélération de départ d'un sprinteur est directement liée à la force de poussée au sol et au poids du corps, ce qui est également la base scientifique du contrôle du poids.

Idées reçues

Erreur

La force est la cause du maintien du mouvement de l'objet

Correct

La force est la cause du changement de l'état de mouvement d'un objet, pas de son maintien. Lorsqu'un objet n'est pas soumis à une force, il maintient un mouvement rectiligne uniforme ou reste immobile (Première loi de Newton).

Erreur

L'accélération est directement proportionnelle à la vitesse ; plus la vitesse est grande, plus l'accélération est grande

Correct

Il n'y a pas de relation directe entre l'accélération et la vitesse. Un objet peut avoir une grande vitesse mais une accélération nulle (mouvement uniforme), ou une vitesse nulle mais une grande accélération (moment du départ).

Erreur

Les objets plus lourds tombent plus vite

Correct

Dans le vide (en négligeant la résistance de l'air), les objets de différentes masses tombent avec la même accélération. Bien que la gravité

F = mg

soit proportionnelle à la masse, comme

a = F/m = g

, l'accélération est indépendante de la masse.

Lectures complémentaires

Prêt à commencer ?

Maintenant que vous comprenez les bases, commencez l'expérience interactive !

Démarrer l'expérience Commencer le quiz

Aperçu

Contexte

Concepts clés

Accélération (aaa)

Force (FFF)

Masse (mmm)

Méthode de contrôle des variables

Formules et dérivation

Deuxième loi de Newton

Accélération par différence successive

Étapes de l'expérience

Étudier la relation entre l'accélération et la force

Étudier la relation entre l'accélération et la masse

Analyser la bande

Introduire le frottement

Objectifs d'apprentissage

Applications réelles

Idées reçues

Lectures complémentaires

Prêt à commencer ?

Accélération ( $a$ )

Force ( $F$ )

Masse ( $m$ )