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弹簧试题涉及动力学问题、动量守恒和能量守恒问题、振动问题等.对于弹簧,从受力角度来看,弹簧上的弹力是变力;从能量角度来看,弹簧是储能元件.因此,弹簧问题能很好地考查学生的综合分析能力,学生对这类问题常常显得不知从何处下手.现将有关弹簧问题进行分类剖析.
1以弹力影响物体的运动
例1一弹簧秤秤盘的质量M=1.5 kg,盘内放一个质量m=10.5 kg的物体P,弹簧质量忽略不计,轻弹簧的劲度系数k=800 N/m,系统原来处于静止状态,如图1(a)所示.现给物体P施加一竖直向上的拉力F,使P由静止开始向上做匀加速直线运动.已知在前0.2 s时间内F是变力,在0.2 s以后是恒力.求前0.2 s时间内的位移及力F的最小值和最大值.
2以弹性势能介入能量的转化
例2如图2所示,质量为m1的物体A经一轻质弹簧与下方地面上的质量为m2的物体B相连,弹簧的劲度系数为k,A、B都处于静止状态,一条不可伸长的轻绳绕过轻滑轮,一端连物体A,另一端连一轻挂钩,开始各段绳都处于伸直状态,A上方的一段绳沿竖直方向.现在挂钩上挂一质量为m3的物体C并从静止状态释放,已知它恰好能使B离开地面但不继续上升.若将C换另一个质量为(m1 m3)的物体D,仍从上述初始位置由静止状态释放,则这次B刚离地时D的速度的大小是多少?已知重力加速度为g.
3与弹簧相连物块分离条件
例3质量为m的钢板与直立轻弹簧的上端连接,弹簧下端固定在地上,平衡时,弹簧的压缩量为x0,如图3所示.一物块从钢板正上方距离为3x0的A处自由落下,打在钢板上并立刻与钢板一起向下运动,但不粘连.它们到达最低点后又向上运动.已知物块质量也为m时,它们恰能回到O点.若物块质量为2m,仍从A处自由落下,则物块与钢板回到O点时,还具有向上的速度,求物块向上运动到达的最高点与O点的距离.
分析 物块与钢板向上运动过程中,开始时弹簧给钢板向上的推力,物块与钢板以相同的加速度向上做加速度逐渐减小的加速直线运动.当弹簧经原长后,弹簧由向上推力变为向下的拉力,钢板将变为加速度逐渐增加的减速运动,而物块向上做匀减速直线运动.因此,两物体的分离点应在弹簧原长处.此时A、B两物体间的相互作用力开始为零, 而加速度仍相等.
需注意的是,在没有外界作用力的情况下, 两物体的分离位置在弹簧的原长处,而有外力作用时此结论不成立,例1即可说明这一点.
4简谐运动中的弹簧
例4一轻质弹簧直立在地面上,劲度系数为k=400 N/m,在弹簧的上端与空心物体A连接,物体B置于A内,B的上下表面恰好与A接触,A和B质量均为1 kg,先将A向上抬高使弹簧伸长5 cm后由静止释放,A和B一起做上下的简谐运动,取g=10 m/s2.求:(1)物体A的振幅;(2)物体B的最大速率;(3)在最高点和最低点A和B的作用力.
例5如图5(a)所示,质量均为m的两滑块中间用一个劲度系数为k的轻弹簧连接着,这个装置放在光滑的水平地面上处于静止状态,有一质量也为m、速度为v0的子弹水平向右飞过来击中滑块A并留在其内,试分析这个弹簧双振子被子弹击中后如何运动.
分析子弹击中滑块A的过程时间极短,滑块B认为没有运动,子弹与滑块A组成的系统在水平方向动量守恒,最终获得的共同速度为v=mv0mA m=12v0.
当子弹与滑块A获得共同速度之后,这个弹簧双振子系统的运动情况有这样的规律:
(1)滑块A、B一方面向右随质心做匀速直线运动(由2mv=(2m m)vC,得质心速度vC=23v=13v0),另一方面相对于质心做等周期的简谐运动(初速度分别为vAC=vA0-vC=13v0,vBC=vB0-vC=-23v0,周期T=2π2m3k);
(2)由2mv=2mvA mvB及12mv2=12mv2A 12mv2B,得vA1=v,vB1=0或vA2=13v=16v0,vB2=43v=23v0,即滑块A速度取得最大值vA1时,滑块B的速度取得极小值vB1;滑块A的速度达极小值vA2时,滑块B的速度达极大值vB2,它们达到极值的时刻是周期性的,并且具有同时性,都在弹簧处于原长时达到;
(3)当弹簧的形变量(压缩量或伸长量)为最大时,滑块A、B具有共同的速度(等于系统质心的速度vC) .
弹簧双振子系统的运动情况如图5(b)所示.
1以弹力影响物体的运动
例1一弹簧秤秤盘的质量M=1.5 kg,盘内放一个质量m=10.5 kg的物体P,弹簧质量忽略不计,轻弹簧的劲度系数k=800 N/m,系统原来处于静止状态,如图1(a)所示.现给物体P施加一竖直向上的拉力F,使P由静止开始向上做匀加速直线运动.已知在前0.2 s时间内F是变力,在0.2 s以后是恒力.求前0.2 s时间内的位移及力F的最小值和最大值.
2以弹性势能介入能量的转化
例2如图2所示,质量为m1的物体A经一轻质弹簧与下方地面上的质量为m2的物体B相连,弹簧的劲度系数为k,A、B都处于静止状态,一条不可伸长的轻绳绕过轻滑轮,一端连物体A,另一端连一轻挂钩,开始各段绳都处于伸直状态,A上方的一段绳沿竖直方向.现在挂钩上挂一质量为m3的物体C并从静止状态释放,已知它恰好能使B离开地面但不继续上升.若将C换另一个质量为(m1 m3)的物体D,仍从上述初始位置由静止状态释放,则这次B刚离地时D的速度的大小是多少?已知重力加速度为g.
3与弹簧相连物块分离条件
例3质量为m的钢板与直立轻弹簧的上端连接,弹簧下端固定在地上,平衡时,弹簧的压缩量为x0,如图3所示.一物块从钢板正上方距离为3x0的A处自由落下,打在钢板上并立刻与钢板一起向下运动,但不粘连.它们到达最低点后又向上运动.已知物块质量也为m时,它们恰能回到O点.若物块质量为2m,仍从A处自由落下,则物块与钢板回到O点时,还具有向上的速度,求物块向上运动到达的最高点与O点的距离.
分析 物块与钢板向上运动过程中,开始时弹簧给钢板向上的推力,物块与钢板以相同的加速度向上做加速度逐渐减小的加速直线运动.当弹簧经原长后,弹簧由向上推力变为向下的拉力,钢板将变为加速度逐渐增加的减速运动,而物块向上做匀减速直线运动.因此,两物体的分离点应在弹簧原长处.此时A、B两物体间的相互作用力开始为零, 而加速度仍相等.
需注意的是,在没有外界作用力的情况下, 两物体的分离位置在弹簧的原长处,而有外力作用时此结论不成立,例1即可说明这一点.
4简谐运动中的弹簧
例4一轻质弹簧直立在地面上,劲度系数为k=400 N/m,在弹簧的上端与空心物体A连接,物体B置于A内,B的上下表面恰好与A接触,A和B质量均为1 kg,先将A向上抬高使弹簧伸长5 cm后由静止释放,A和B一起做上下的简谐运动,取g=10 m/s2.求:(1)物体A的振幅;(2)物体B的最大速率;(3)在最高点和最低点A和B的作用力.
例5如图5(a)所示,质量均为m的两滑块中间用一个劲度系数为k的轻弹簧连接着,这个装置放在光滑的水平地面上处于静止状态,有一质量也为m、速度为v0的子弹水平向右飞过来击中滑块A并留在其内,试分析这个弹簧双振子被子弹击中后如何运动.
分析子弹击中滑块A的过程时间极短,滑块B认为没有运动,子弹与滑块A组成的系统在水平方向动量守恒,最终获得的共同速度为v=mv0mA m=12v0.
当子弹与滑块A获得共同速度之后,这个弹簧双振子系统的运动情况有这样的规律:
(1)滑块A、B一方面向右随质心做匀速直线运动(由2mv=(2m m)vC,得质心速度vC=23v=13v0),另一方面相对于质心做等周期的简谐运动(初速度分别为vAC=vA0-vC=13v0,vBC=vB0-vC=-23v0,周期T=2π2m3k);
(2)由2mv=2mvA mvB及12mv2=12mv2A 12mv2B,得vA1=v,vB1=0或vA2=13v=16v0,vB2=43v=23v0,即滑块A速度取得最大值vA1时,滑块B的速度取得极小值vB1;滑块A的速度达极小值vA2时,滑块B的速度达极大值vB2,它们达到极值的时刻是周期性的,并且具有同时性,都在弹簧处于原长时达到;
(3)当弹簧的形变量(压缩量或伸长量)为最大时,滑块A、B具有共同的速度(等于系统质心的速度vC) .
弹簧双振子系统的运动情况如图5(b)所示.