弹簧弹力做功问题的探讨

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  轻弹簧是中学物理教学中的一个非常重要的的物理模型,几乎每年的高考都有关于弹簧的考查,主要集中在与其他物体的相互作用及能量转化上,能量的转化涉及到弹簧弹力做功,而功的计算,高中阶段所学的计算公式只能用于恒力做功情况,弹簧弹力做功属于变力做功,不能简单的用来计算功的大小,由此,弹簧弹力做功问题成为了高中物理学习中的难点和热点,笔者根据多年教学实践,总结解决弹簧弹力做功问题的方法如下:
  一、平均力法
  力的方向不变,大小对位移按线性规律变化时,,变力F由线性地变化到的过程中所做的功等于该过程的平均力所做的功。弹簧的弹力,与弹簧变化长度x成线性变化,故可以用平均力法来求弹簧弹力所做的功。
  【例题1】 有一弹性系数为k的弹簧,原长为l,下端固定,上端静置一质量为m的物块。现用力将物块缓慢下压,求当弹簧长度变为0.5L时,求弹簧弹力所做的功。
  简要解析:
  物体的位移,
  弹力由初状态的mg线性变化到末状态的0.5kl,平均弹力为,所以,弹簧弹力所做的功为:
  二、图像法
  如果能知道变力F随位移s变化的关系,我们可以先作出F-s关系图象,(横坐标表示力F在位移方向上的分量,纵坐标表示物体的位移)并利用这个图象求变力所做的功,图象与坐标轴围成的面积表示功的数值。
  【例题2】如图2所示,有一劲度系数k=500N/m的轻弹簧,左端固定在墙壁上,右端紧靠一质量m=2kg的物块,物块与水平面间的动摩擦因数,弹簧处于自然状态。现缓慢推动物块使弹簧从B到A处压缩10cm,然后由静止释放物块,求(1)弹簧恢复原长时,物块的动能为多大?(2)在弹簧恢复原长的过程中,物块的最大动能为多大?
  图2 图3
  简要解析:(1)从A到B的过程,可利用图像求出,画出弹簧弹力随位移变化图象(如图3所示,弹力做功的值等于△OAB的面积,即
  (2)放开物体后,当弹簧的弹力等于摩擦力时,物体有最大的动能。设此时弹簧的压缩量为。在这一过程中弹力的功在数值上等于图3中梯形OADC的面积,即
  三、动能定理法
  动能定理的表达式是:,可以理解成所有外力做功的代数和,如果所研究的多个力中,只有一个力是变力,其余的都是恒力,用动能定理就可以求出这个变力所做的功。
  图4
  【例题3】如图4所示,轻质弹簧原长L,竖直固定在地面上,质量为m的小球从距地面H高处由静止开始下落,正好落在弹簧上,使弹簧的最大压缩量为x,在下落过程中,空气阻力恒为f,则弹簧在最短时具有的弹性势能为=________.
  简要解析:从小球下落到压缩最短全过程
  由动能定理:
  四、功能关系、能量守恒法
  弹力做多少正功,弹性势能减少多少;弹力做多少负功,弹性势能增加多少。弹簧的弹力做的功等于弹性势能增量的负值,即:,除系统内的重力和弹簧的弹力外,其他力做的总功等于系统机械能的增量,即:
  图5
  【例题4】如图5所示,一物体质量m=2 kg,在倾角为θ=37°的斜面上的A点以初速度下滑.A点距弹簧上端B的距离AB=4 m.当物体到达B后将弹簧压缩到C点,最大压缩量BC=0.2 m,然后物体又被弹簧弹上去,弹到的最高位置为D点,D点距A点距离AD=3 m.挡板及弹簧质量不计,g取10 m/s2,求:
  (1)物体与斜面间的动摩擦因数μ.
  (2)弹簧的最大弹性势能
  简要解析:
  (1)最后的D点与开始的位置A点比较:动能减少,重力势能减少,机械能减少,机械能的减少量全部用来克服摩擦力做功,即,而路程,则而,所以
  (2)弹簧被压缩到最短时,具有最大弹性势能,即题目中的C点,由A到C的过程:动能减少,重力势能减少
  机械能的减少用于克服摩擦力做功
  由能的转化和守恒定律得:
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