Fislab
الرئيسية / التجارب / قانون نيوتن الثاني: العلاقة بين القوة والتسارع

💡 قانون نيوتن الثاني: العلاقة بين القوة والتسارع

Newton’s Second Law: The Relation Between Force and Acceleration
⏱️ 30 دقيقة 📂 الميكانيكا 🎯 مستوى متوسط

🎯 نواتج التعلم

🎯 Learning Outcomes

بعد هذه التجربة ستكون قادرًا على أن:

After this experiment you will be able to:

  1. تستنتج تجريبيًا أن التسارع يتناسب طرديًا مع القوة المحصلة عند ثبات الكتلة \(a\propto F\).Deduce experimentally that the acceleration is directly proportional to the net force when the mass is constant \(a\propto F\).
  2. تطبّق قانون نيوتن الثاني \(\sum F=ma\) وتستنتج الكتلة من ميل الرسم \(a\)–\(F\) (الميل \(=\dfrac1m\)).Apply Newton’s second law \(\sum F=ma\) and deduce the mass from the slope of the \(a\)–\(F\) graph (slope \(=\dfrac1m\)).
  3. تحلّل نظام عربة وثقل معلّق وتحسب التسارع وقوة الشد.Analyse a system of a cart and a hanging weight and calculate the acceleration and the tension.

🎬 شاهد الفيديو

🎬 Watch the Video


🧪 قانون نيوتن الثاني: القوة والتسارع

🧪 Newton’s Second Law: Force and Acceleration

ينص قانون نيوتن الثاني على أن تسارع جسم يتناسب طرديًا مع القوة المحصلة المؤثرة عليه وعكسيًا مع كتلته، ويكون في اتجاه القوة المحصلة: \(\vec a=\dfrac{\sum\vec F}{m}\). وحدة القوة النيوتن \(1\ \mathrm{N}=1\ \mathrm{kg\cdot m/s^2}\).

Newton’s second law states that the acceleration of a body is directly proportional to the net force acting on it and inversely proportional to its mass, and it is in the direction of the net force: \(\vec a=\dfrac{\sum\vec F}{m}\). The unit of force is the newton \(1\ \mathrm{N}=1\ \mathrm{kg\cdot m/s^2}\).

📘 القانون وتجربة العربة والثقل

📘 The law and the cart-and-weight experiment

\[\sum F=m\,a\qquad a=\dfrac{\sum F}{m}\qquad F=m_2g\]

في التجربة نربط عربة كتلتها \(m_1\) بخيط يمر على بكرة ويحمل ثقلًا \(m_2\). القوة المحرّكة للنظام هي وزن الثقل \(F=m_2g\) والكتلة الكلية \(M=m_1+m_2\) ثابتة (ننقل الكتل من العربة إلى الثقل). المعادلتان: \(m_2g-F_T=m_2a\) و\(F_T=m_1a\) وبجمعهما:

In the experiment a cart of mass \(m_1\) is tied to a string that passes over a pulley and carries a weight \(m_2\). The force that drives the system is the weight of the hanging mass \(F=m_2g\) and the total mass \(M=m_1+m_2\) is kept constant (we move masses from the cart to the weight). The two equations: \(m_2g-F_T=m_2a\) and \(F_T=m_1a\) and by adding them:

\[m_2g=(m_1+m_2)\,a\ \Rightarrow\ a=\dfrac{m_2\,g}{m_1+m_2}=\dfrac{F}{M}\]

💡 شرح إضافي

💡 Extra explanation

🧪 تجربة 1: غيّر القوة وسجّل التسارع: العلاقة بين القوة والتسارع

🧪 Experiment 1: Change the force and record the acceleration: the relation between force and acceleration

عربة على طاولة يشدها ثقل معلّق عبر بكرة (\(g=10\ \mathrm{m/s^2}\)). الكتلة الكلية \(M=m_1+m_2\) ثابتة (ننقل الكتل من العربة إلى الثقل) فتتغير القوة \(F=m_2g\). اختر \(F\) و\(M\) ثم حرّك مؤشر الزمن أو اضغط «اترك العربة» (لا تتحرك من تلقاء نفسها). اضغط «سجّل» لتضيف نقطة \((F,a)\) إلى الرسم وتحقق أنها على خط مستقيم يمر بالأصل ميله \(1/M\).

A cart on a table is pulled by a hanging weight over a pulley (\(g=10\ \mathrm{m/s^2}\)). The total mass \(M=m_1+m_2\) is kept constant (masses are moved from the cart to the weight) so the force \(F=m_2g\) changes. Choose \(F\) and \(M\) then move the time slider or press “Release the cart” (it never moves by itself). Press “Record” to add a point \((F,a)\) to the graph and check that it lies on a straight line through the origin with slope \(1/M\).

1
1
0
كتلة العربة \(m_1\) (kg)Mass of the cart \(m_1\) (kg)—
كتلة الثقل \(m_2\) (kg)Mass of the weight \(m_2\) (kg)—
القوة \(F\) (N)Force \(F\) (N)—
التسارع \(a\) (m/s²)Acceleration \(a\) (m/s²)—
قوة الشد \(F_T\) (N)Tension \(F_T\) (N)—
الميل من النقاط \(a/F\)Slope from the points \(a/F\)—

🧪 تجربة 2: حاسبة: التسارع والكتل وقوة الشد

🧪 Experiment 2: Calculator: the acceleration, the masses and the tension

مسألة جديدة في كل مرة على نظام العربة والثقل (\(g=10\ \mathrm{m/s^2}\)). احسب القيم الثلاث ثم اضغط «صحّح».

A new problem every time on the cart-and-weight system (\(g=10\ \mathrm{m/s^2}\)). Calculate the three values and press “Check”.

🛠️ تطبيقات عملية

🛠️ Practical applications


✍️ أمثلة محلولة

✍️ Worked Examples

❓ مثال 1Example 1

بقيم المحاكاة الأصلية: عربة \(m_1=0.9\ \mathrm{kg}\) وثقل \(m_2=0.1\ \mathrm{kg}\) (\(g=10\ \mathrm{m/s^2}\)). احسب القوة والتسارع وقوة الشد.

With the values of the original simulation: a cart \(m_1=0.9\ \mathrm{kg}\) and a weight \(m_2=0.1\ \mathrm{kg}\) (\(g=10\ \mathrm{m/s^2}\)). Calculate the force, the acceleration and the tension.

الحل
\(F=m_2g=0.1\times10=1\ \mathrm{N}\)
\(a=\dfrac{F}{M}=\dfrac{1}{1}=1\ \mathrm{m/s^2}\)
\(F_T=m_1a=0.9\times1=0.9\ \mathrm{N}\ (m_2g-F_T=0.1)\)
✅ \(F=1\ \mathrm{N}\) ، \(a=1\ \mathrm{m/s^2}\) ، \(F_T=0.9\ \mathrm{N}\)
Solution
\(F=m_2g=0.1\times10=1\ \mathrm{N}\)
\(a=\dfrac{F}{M}=\dfrac{1}{1}=1\ \mathrm{m/s^2}\)
\(F_T=m_1a=0.9\times1=0.9\ \mathrm{N}\ (m_2g-F_T=0.1)\)
✅ \(F=1\ \mathrm{N}\) , \(a=1\ \mathrm{m/s^2}\) , \(F_T=0.9\ \mathrm{N}\)
❓ مثال 2Example 2

قوة محصلة \(12\ \mathrm{N}\) على جسم كتلته \(4\ \mathrm{kg}\) ساكن. احسب تسارعه وسرعته بعد \(5\ \mathrm{s}\).

A net force of \(12\ \mathrm{N}\) acts on a body of mass \(4\ \mathrm{kg}\) at rest. Calculate its acceleration and its velocity after \(5\ \mathrm{s}\).

الحل
\(a=\dfrac{12}{4}=3\ \mathrm{m/s^2}\)
\(v=at=3\times5=15\ \mathrm{m/s}\)
✅ \(a=3\ \mathrm{m/s^2}\) ، \(v=15\ \mathrm{m/s}\)
Solution
\(a=\dfrac{12}{4}=3\ \mathrm{m/s^2}\)
\(v=at=3\times5=15\ \mathrm{m/s}\)
✅ \(a=3\ \mathrm{m/s^2}\) , \(v=15\ \mathrm{m/s}\)
❓ مثال 3Example 3

رسم \(a\)–\(F\) لجسم يمر بالأصل وبالنقطة \((F=2\ \mathrm{N},\ a=1\ \mathrm{m/s^2})\). ما كتلة الجسم؟

The \(a\)–\(F\) graph of a body passes through the origin and the point \((F=2\ \mathrm{N},\ a=1\ \mathrm{m/s^2})\). What is the mass of the body?

الحل
الميل\(=\dfrac{a}{F}=\dfrac12=\dfrac1m\)
\(m=2\ \mathrm{kg}\)
✅ \(m=2\ \mathrm{kg}\)
Solution
\(\text{slope}=\dfrac{a}{F}=\dfrac12=\dfrac1m\)
\(m=2\ \mathrm{kg}\)
✅ \(m=2\ \mathrm{kg}\)
❓ مثال 4Example 4

قوتان متعاكستان \(30\ \mathrm{N}\) و\(18\ \mathrm{N}\) تؤثران على جسم كتلته \(6\ \mathrm{kg}\). أوجد تسارعه واتجاهه.

Two opposite forces \(30\ \mathrm{N}\) and \(18\ \mathrm{N}\) act on a body of mass \(6\ \mathrm{kg}\). Find its acceleration and its direction.

الحل
\(\sum F=30-18=12\ \mathrm{N}\)
\(a=\dfrac{12}{6}=2\ \mathrm{m/s^2}\)
في اتجاه القوة الأكبر.
✅ \(a=2\ \mathrm{m/s^2}\) في اتجاه القوة الأكبر
Solution
\(\sum F=30-18=12\ \mathrm{N}\)
\(a=\dfrac{12}{6}=2\ \mathrm{m/s^2}\)
In the direction of the larger force.
✅ \(a=2\ \mathrm{m/s^2}\) in the direction of the larger force
⭐ 1

عند ثبات الكتلة إذا تضاعفت القوة المحصلة فإن التسارع:

At constant mass if the net force doubles the acceleration:

Aيتناصفhalves
Bيتضاعفdoubles
Cلا يتغيرdoes not change
Dيصبح أربعة أمثالهbecomes four times
الحل
\(a=\dfrac Fm\propto F\)
✅ يتضاعف.
Solution
\(a=\dfrac Fm\propto F\)
✅ doubles.
⭐ 2

ميل الرسم \(a\)–\(F\) (التسارع على المحور الرأسي) يساوي:

The slope of the \(a\)–\(F\) graph (acceleration on the vertical axis) equals:

A\(m\)\(m\)
B\(mg\)\(mg\)
C\(g\)\(g\)
D\(\dfrac1m\)\(\dfrac1m\)
الحل
\(a=\dfrac1m\,F\)
✅ \(\dfrac1m\).
Solution
\(a=\dfrac1m\,F\)
✅ \(\dfrac1m\).
⭐ 3

جسم كتلته \(2\ \mathrm{kg}\) أثّرت عليه قوة محصلة \(10\ \mathrm{N}\). تسارعه:

A body of mass \(2\ \mathrm{kg}\) is acted on by a net force of \(10\ \mathrm{N}\). Its acceleration is:

A\(5\ \mathrm{m/s^2}\)\(5\ \mathrm{m/s^2}\)
B\(20\ \mathrm{m/s^2}\)\(20\ \mathrm{m/s^2}\)
C\(0.2\ \mathrm{m/s^2}\)\(0.2\ \mathrm{m/s^2}\)
D\(12\ \mathrm{m/s^2}\)\(12\ \mathrm{m/s^2}\)
الحل
\(a=\dfrac{10}{2}=5\)
✅ \(5\ \mathrm{m/s^2}\).
Solution
\(a=\dfrac{10}{2}=5\)
✅ \(5\ \mathrm{m/s^2}\).
⭐ 4

اتجاه التسارع هو اتجاه:

The direction of the acceleration is the direction of:

Aالسرعة دائمًاthe velocity always
Bالإزاحة دائمًاthe displacement always
Cالقوة المحصلةthe net force
Dأكبر قوة فقطthe largest single force only
الحل
\(\vec a=\dfrac{\sum\vec F}{m}\)
✅ القوة المحصلة.
Solution
\(\vec a=\dfrac{\sum\vec F}{m}\)
✅ the net force.

📚 ملخص

📚 Summary

المفهومConceptالعلاقةRelation
قانون نيوتن الثانيNewton’s second law\(\sum F=ma\)\(\sum F=ma\)
عند ثبات الكتلةAt constant mass\(a\propto F\)\(a\propto F\)
ميل a–FSlope of a–F\(\dfrac1m\)\(\dfrac1m\)
العربة والثقلCart and weight\(a=\dfrac{m_2g}{m_1+m_2}\)\(a=\dfrac{m_2g}{m_1+m_2}\)

⚠️ أخطاء شائعة

⚠️ Common mistakes