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1、弹簧问题归类一、“轻弹簧”类问题图 3-7-1在中学阶段，凡涉及的弹簧都不考虑其质量，称之为“轻弹簧”，是一种常见的理想化物理模型.由于“轻弹簧”质量不计，选取任意小段弹簧，其两端所受张力一定平衡，否则，这小段弹簧的加速度会无限大.故轻弹簧中各部分间的张力处处相等，均等于弹簧两端的受力.弹簧一端受力为，另一端受力一定也为,若是弹簧秤，则弹簧秤示数为.【例1】如图3-7-1所示，一个弹簧秤放在光滑的水平面上，外壳质量不能忽略，弹簧及挂钩质量不计，施加弹簧上水平方向的力和称外壳上的力，且，则弹簧秤沿水平方向的加速度为 ，弹簧秤的读数为 .图 3-7-2【解析】 以整个弹簧秤为研究对象，利用牛顿运动
2、定律得： ，即,仅以轻质弹簧为研究对象，则弹簧两端的受力都，所以弹簧秤的读数为.说明:作用在弹簧秤外壳上，并没有作用在弹簧左端，弹簧左端的受力是由外壳内侧提供的.【答案】 二、质量不可忽略的弹簧 【例2】如图3-7-2所示，一质量为、长为的均质弹簧平放在光滑的水平面,在弹簧右端施加一水平力使弹簧向右做加速运动.试分析弹簧上各部分的受力情况.【解析】 弹簧在水平力作用下向右加速运动，据牛顿第二定律得其加速度,取弹簧左部任意长度为研究对象，设其质量为得弹簧上的弹力为：,【答案】三、弹簧的弹力不能突变(弹簧弹力瞬时)问题弹簧(尤其是软质弹簧)弹力与弹簧的形变量有关，由于弹簧两端一般与物体连接，因弹簧
3、形变过程需要一段时间，其长度变化不能在瞬间完成，因此弹簧的弹力不能在瞬间发生突变. 即可以认为弹力大小和方向不变，与弹簧相比较，轻绳和轻杆的弹力可以突变.图 3-7-3【例3】如图3-7-3所示，木块与用轻弹簧相连，竖直放在木块上，三者静置于地面，的质量之比是1:2:3.设所有接触面都光滑，当沿水平方向迅速抽出木块的瞬时，木块和的加速度分别是= 与= 【解析】由题意可设的质量分别为，以木块为研究对象，抽出木块前，木块受到重力和弹力一对平衡力，抽出木块的瞬时，木块受到重力和弹力的大小和方向均不变，故木块的瞬时加速度为0.以木块为研究对象，由平衡条件可知，木块对木块的作用力.以木块为研究对象，木块
4、受到重力、弹力和三力平衡，抽出木块的瞬时，木块受到重力和弹力的大小和方向均不变，瞬时变为0，故木块的瞬时合外力为,竖直向下，瞬时加速度为.【答案】0 说明：区别于不可伸长的轻质绳中张力瞬间可以突变.【例4】如图3-7-4所示，质量为的小球用水平弹簧连接，并用倾角为的光滑木板托住，使小球恰好处于静止状态.当突然向下撤离的瞬间，小球的加速度为 ( )图 3-7-4A. B.大小为，方向竖直向下C.大小为，方向垂直于木板向下 D. 大小为, 方向水平向右图 3-7-5【解析】 末撤离木板前，小球受重力、弹簧拉力、木板支持力作用而平衡，如图3-7-5所示，有.撤离木板的瞬间，重力和弹力保持不变(弹簧弹
5、力不能突变)，而木板支持力立即消失,小球所受和的合力大小等于撤之前的 (三力平衡)，方向与相反，故加速度方向为垂直木板向下，大小为 【答案】 C.四、弹簧长度的变化问题图 3-7-6设劲度系数为的弹簧受到的压力为时压缩量为，弹簧受到的拉力为时伸长量为，此时的“-”号表示弹簧被压缩.若弹簧受力由压力变为拉力，弹簧长度将由压缩量变为伸长量，长度增加量为.由胡克定律有: ,.则:,即说明:弹簧受力的变化与弹簧长度的变化也同样遵循胡克定律，此时表示的物理意义是弹簧长度的改变量，并不是形变量.【例5】如图3-7-6所示，劲度系数为的轻质弹簧两端分别与质量为、的物块1、2拴接，劲度系数为的轻质弹簧上端与物
6、块2拴接，下端压在桌面上(不拴接)，整个系统处于平衡状态.现将物块1缓慢地竖直上提，直到下面那个弹簧的下端刚脱离桌面.在此过程中，物块2的重力势能增加了 ,物块1的重力势能增加了 .【解析】由题意可知，弹簧长度的增加量就是物块2的高度增加量，弹簧长度的增加量与弹簧长度的增加量之和就是物块1的高度增加量.由物体的受力平衡可知，弹簧的弹力将由原来的压力变为0,弹簧的弹力将由原来的压力变为拉力,弹力的改变量也为 .所以、弹簧的伸长量分别为:和故物块2的重力势能增加了，物块1的重力势能增加了五、弹簧形变量可以代表物体的位移图 3-7-7 弹簧弹力满足胡克定律，其中为弹簧的形变量，两端与物体相连时亦即物
7、体的位移，因此弹簧可以与运动学知识结合起来编成习题.【例6】如图3-7-7所示，在倾角为的光滑斜面上有两个用轻质弹簧相连接的物块，其质量分别为，弹簧的劲度系数为,为一固定挡板，系统处于静止状态,现开始用一恒力沿斜面方向拉使之向上运动，求刚要离开时的加速度和从开始到此时的位移(重力加速度为).【解析】 系统静止时,设弹簧压缩量为，弹簧弹力为，分析受力可知:解得:在恒力作用下物体向上加速运动时，弹簧由压缩逐渐变为伸长状态.设物体刚要离开挡板时弹簧的伸长量为，分析物体的受力有:,解得设此时物体的加速度为，由牛顿第二定律有: 解得:因物体与弹簧连在一起，弹簧长度的改变量代表物体的位移，故有，即【答案】
8、六、弹力变化的运动过程分析弹簧的弹力是一种由形变决定大小和方向的力，注意弹力的大小与方向时刻要与当时的形变相对应.一般应从弹簧的形变分析入手，先确定弹簧原长位置、现长位置及临界位置，找出形变量与物体空间位置变化的几何关系，分析形变所对应的弹力大小、方向，弹性势能也是与原长位置对应的形变量相关.以此来分析计算物体运动状态的可能变化.结合弹簧振子的简谐运动，分析涉及弹簧物体的变加速度运动，.此时要先确定物体运动的平衡位置，区别物体的原长位置，进一步确定物体运动为简谐运动.结合与平衡位置对应的回复力、加速度、速度的变化规律，很容易分析物体的运动过程.图 3-7-8【例7】如图3-7-8所示，质量为的
9、物体用一轻弹簧与下方地面上质量也为的物体相连，开始时和均处于静止状态，此时弹簧压缩量为，一条不可伸长的轻绳绕过轻滑轮，一端连接物体、另一端握在手中，各段绳均刚好处于伸直状态，物体上方的一段绳子沿竖直方向且足够长.现在端施加水平恒力使物体从静止开始向上运动.(整个过程弹簧始终处在弹性限度以内). (1)如果在端所施加的恒力大小为，则在物体刚要离开地面时物体的速度为多大?(2)若将物体的质量增加到，为了保证运动中物体始终不离开地面，则最大不超过多少?【解析】 由题意可知，弹簧开始的压缩量，物体刚要离开地面时弹簧的伸长量也是.(1)若,在弹簧伸长到时，物体离开地面，此时弹簧弹性势能与施力前相等，所做
10、的功等于物体增加的动能及重力势能的和.即：得: 图 3-7-9(2)所施加的力为恒力时，物体不离开地面，类比竖直弹簧振子，物体在竖直方向上除了受变化的弹力外，再受到恒定的重力和拉力.故物体做简谐运动.在最低点有：,式中为弹簧劲度系数，为在最低点物体的加速度.在最高点，物体恰好不离开地面，此时弹簧被拉伸，伸长量为，则: 而，简谐运动在上、下振幅处，解得：也可以利用简谐运动的平衡位置求恒定拉力.物体做简谐运动的最低点压缩量为，最高点伸长量为，则上下运动中点为平衡位置，即伸长量为所在处.由,解得: .【答案】 说明: 区别原长位置与平衡位置.和原长位置对应的形变量与弹力大小、方向、弹性势能相关,和平
11、衡位置对应的位移量与回复大小、方向、速度、加速度相关.七与弹簧相关的临界问题 通过弹簧相联系的物体，在运动过程中经常涉及临界极值问题：如物体速度达到最大；弹簧形变量达到最大时两个物体速度相同；使物体恰好要离开地面；相互接触的物体恰好要脱离等.此类问题的解题关键是利用好临界条件，得到解题有用的物理量和结论。【例8】如图3-7-9所示，两木块叠放在竖直轻弹簧上，已知木块的质量分别为和，弹簧的劲度系数，若在上作用一个竖直向上的力,使由静止开始以的加速度竖直向上做匀加速运动（）求： (1) 使木块竖直做匀加速运动的过程中，力的最大值; 图 3-7-10(2)若木块由静止开始做匀加速运动，直到分离的过程
12、中，弹簧的弹性势能减少了，求这一过程中对木块做的功.【解析】 此题难点在于能否确定两物体分离的临界点.当(即不加竖直向上力)时，设木块叠放在弹簧上处于平衡时弹簧的压缩量为,有: ,即 对木块施加力，、受力如图3-7-10所示,对木块有: 对木块有: 可知，当时，木块加速度相同，由式知欲使木块匀加速运动，随减小增大,当时, 取得了最大值,即: 又当时，开始分离，由式知，弹簧压缩量，则木块、的共同速度： 由题知，此过程弹性势能减少了设力所做的功为，对这一过程应用功能原理，得： 联立式，且,得：【答案】（1） 图 3-7-11【例9】如图3-7-11所示，一质量为的塑料球形容器，在处与水平面接触.它
13、的内部有一直立的轻弹簧，弹簧下端固定于容器内部底部，上端系一带正电、质量为的小球在竖直方向振动，当加一向上的匀强电场后，弹簧正好在原长时，小球恰好有最大速度.在振动过程中球形容器对桌面的最小压力为0，求小球振动的最大加速度和容器对桌面的最大压力.图 3-7-12【解析】 因为弹簧正好在原长时小球恰好速度最大，所以有： 小球在最高点时容器对桌面的压力最小，有： 此时小球受力如图3-7-12所示，所受合力为 由以上三式得小球的加速度.显然，在最低点容器对桌面的压力最大，由振动的对称性可知小球在最低点和最高点有相同的加速度，解以上式子得：所以容器对桌面的压力为：.八、弹力做功与弹性势能的变化问题弹簧
14、伸长或压缩时会储存一定的弹性势能，因此弹簧的弹性势能可以与机械能守恒规律综合应用,用公式计算弹簧势能，弹簧在相等形变量时所具有的弹性势能相等.弹簧弹力做功等于弹性势能的减少量.弹簧的弹力做功是变力做功，一般可以用以下方法:(1)因该变力为线性变化，可以先求平均力，再用功的定义进行计算;(2)利用图线所包围的面积大小求解;(3)根据动能定理、能量转化和守恒定律求解.由于弹性势能仅与弹性形变量有关，弹性势能的公式高考中不作定量要求，因此，在求弹力做功或弹性势能的改变时，一般从能量的转化与守恒的角度来求解.特别是涉及两个物理过程中的弹簧形变量相等图 3-7-13时，往往弹性势能的改变可以抵消或替代求
15、解.【例10】如图3-7-13所示，挡板固定在足够高的水平桌面上，物块和大小可忽略，它们分别带有和的电荷量，质量分别为和.两物块由绝缘的轻弹簧相连，一个不可伸长的轻绳跨过滑轮，一端与连接，另一端连接轻质小钩.整个装置处于场强为、方向水平向左的匀强电场中，、开始时静止，已知弹簧的劲度系数为,不计一切摩擦及、间的库仑力, 、所带电荷量保持不变，不会碰到滑轮. (1)若在小钩上挂质量为的物块并由静止释放，可使物块对挡板的压力恰为零，但不会离开,求物块下降的最大距离.(2)若的质量为,则当刚离开挡板时, 的速度多大?【解析】 通过物理过程的分析可知，当物块刚离开挡板时，弹力恰好与所受电场力平衡，弹簧伸长量一定，前后两次改变物块质量，在第(2)问对应的物理过程中，弹簧长度的变化及弹性势能的改变相同，可以替代求解.设开始时弹簧压缩量为，由平衡条件,可得 设当刚离开挡板时弹簧的伸长量为,由，可得: 故下降的最大距离为: 由三式可得: 。(2)由能量守恒定律可知，物块下落过程中，重力势能的减少量等于物块电势能的增量和弹簧弹性势能的增量以及系统动能的增量之和.当的质量为时，有： 图 3-7-14当的质量为时，设刚离开挡板时的速度为，则有： 由三式可得刚离开时的速度为:
