高中物理弹簧专题总结
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高中物理弹簧专题总结 弹簧涉及的力学问题通常是动态的,常与能量、电场、简谐振动相结合,综合性强、能力要求高,且与日常生活联系密切,近几年来成为高考的热点。下面从几个角度分析弹簧的考查。 一 弹簧中牛顿定律的考查
与弹簧相连的物体运动时通常会引起弹力及合力发生变化,给物体的受力分析带来一定难度,这类问题关键是挖掘隐含条件,结合牛顿第二定律的瞬时性来分析。 例1如图1所示,竖直光滑杆上套有一个小球和两根弹簧,两弹簧的一端各与小球相连,另一端分别用销钉M、N固定于杆上,小球处于静止状态。设拔去销钉M瞬间,小球加速度的大小为12m/s2,若不拔去销钉M而拔去销钉N瞬间,小球的加速度可能是(g取10m/s2) ( BC ) A、22 m/s2,竖直向上 B、22 m/s2,竖直向下 C、2 m/s2,竖直向上 D、2 m/s2,竖直向下 解析:开始小球处于平衡状态所受的合力为零,拔去销钉M瞬间小球受的合力与上面弹簧弹力大小相等方向相反。若此时加速度方向向上,则上面弹簧弹力F= m ×12, 方向向下。若拔去销钉N瞬间则小球受到本身的重力和F,故加速度a=22m/s2 ,方向竖直向下; 反之则为C。
练习1如图2所示,质量为m的物体A,放置在质量为M的物体B上,B与轻质弹簧相连,它们一起在光滑的水平面上做简谐运动,振动过程中A、B之间无相对运动,设弹簧的劲度系数为k,当物体离开平衡位置的位移为x时,A、B间的摩擦力的大小等于(D) A、0 B、kx C、Mm kx D、mMm kx
练习2如图3所示,托盘A托着质量为m的重物B,B挂在劲度系数为k的弹簧下端,弹簧的上端悬于O点,开始时弹簧竖直且为原长。今让托盘A竖直向下做初速度为零的匀加速直线运动,其加速度为a(a
对B做的功W。(t=kaagm/)(2;W=-kgam22)() 二 弹簧中能量的考查
M m 图2 B 图3 A
图1
M N 通常从两个角度①能的转化和守恒,弹簧的弹性势能大小只与形变量有关,前后两个状态的弹性势能相等;②Ek=21kx2,通常是作为一种信息给予,处理这类问题关键是分析透彻整
个物理过程中有几种形式的能量参与转化,哪些能量在减少,哪些能量在增加。 例题2 如图4所示,一质量为m的塑料球形容器放在桌面上,它的内部有一劲度系数为k的轻弹簧,弹簧直立且下端固定于容器的底部,弹簧上端经绝缘物系住一只带正电q、质量也为m的小球,从加上一个向上的场强为E的匀强电场起,到容器对桌面压力减为零时为止,求(1)小球的电势能改变量 (2)容器对桌面压力减为零时小球的速度大小。 解析:(1)对小球开始处于平衡状态:弹簧的压缩量为x1 则有k x1=mg 当球壳对桌面压力减为零时,对球壳据二力平衡,弹簧的伸长量为x2 则有k x2=mg 小球电势能的改变量ΔE=qE(x1+ x2)=kmgqE2
(2)由于小球做变加速运动,选择物理规律时优先考虑动能定理和能的转化和守恒定律。两个状态弹簧的弹性势能大小相等,据能的转化与守恒则有: ΔE=mg(x1+ x2)+21mv2=kmgqE2 V=mg)/k-g(qE2
练习3 如图5所示一带+q滑块连在弹簧上,在光水平面内AB间往复运动,已知空间存在水平向右匀强电场,则下列说法中正确的为(O为AB中点)(BCE) A、O点系统的弹性势能最小 B、B点的系统的机械能最大 C、O点系统的动能最大 D、整个过程系统机械能守恒 E、在B点撤去电场,则振幅增大。 练习4如图6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滑轮,一端连物体A,另一端连一轻挂钩。开始时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的物质C换成另一个质量为(m1+ m2)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g。 (答案:v=2112122()2mgmmkmm)
+q 图4 M2
M1
图6 图5
O B A E 练习5为了研究弹簧弹性势能和形变量关系,请设计一个实验说明所需要的器材和步骤。 (答案:由于没有直接测量能量的仪器,故需据能的转化和守恒间接地测量其弹性势能,可设计如图7所示。 实验原理:通过平抛算出小球的初速度和初动能间接求出弹簧弹性势能。 实验器材:小球、天平、弹簧、带槽的轨道、重锤、刻度尺、复写纸、白纸。 实验步骤:①按装好器材调节轨道,使末端切线水平 ②压缩弹簧到某一长度,从静释放小球记下落点A和O。 ③重复几次,注意每次都从同一位置静释放,记下OA长度s和桌子高度h和弹簧形变量x,填入表格。 ④改变弹簧的形变量重复②③
⑤据能转化和守恒计算弹簧弹性势能 Ep=Ek=220mv=hmgs42 ⑥以纵轴表示弹性势能,以横轴表示弹形变量x作出其图象,推测其间关系,再加以论证。) 三 弹簧中简谐振动的考查
简谐振动在考试大纲中要求高,涉及的知识点多,符合理综中物理一题多点考查的特点,应当引起同学们的重视。处理这类题目关键是透彻理解简谐振动中概念和定义,确定弹簧原长、简谐振动的平衡位置、振动的极点,充分利用简谐振动的对称性。 例3、如图8所示,m、M叠放在一起,M固定在弹簧上,在力F作用下处于静止状态,现突然撤去F,弹簧的劲度系数为k,(1)试证明m、M作为一个整体做简谐振动(m、M不分离)。(2)F满足什么条件m、M在上升过程中会分离。 解析:①证明一个物是否为简谐振动看其回复力与位移是否满足F=-kx,设弹簧原长在O1点,则简谐振动的平衡位置在O2点O1O2=kgMm)(取偏离平衡位置任意一点p,O2p=x,其回复力由弹
力和重力的合力来提供,F回=F-mg=k(O1O2+x)-mg=kx,且总与位移方向相反,故F回=- kx为简谐振动。 ②设恰好运动到最高点分离,则m、M在最高点速度为零且之间无相互作用力,有aM=am=g,故弹簧处于原长,据对称性在最低点时整体的加速度大小也为g方向竖直向上F-(M+m)g=(M+m)g, F=2(M+m)g 练习6 在练习1 中m、M一起做简谐振动,对m而言其回复力F与位移x满足:F=k’x,试求k’的大小。(答案:k’=MmmK)
练习7如图9所:示,在光滑水平面上一M在AB间往复运动,振幅为A。将一m放在M上,稳定后系统振幅A’则下列说法中正确的是:(BD) A 将m在O点轻放在M上,则A’
O A 图7
m M A O B 图9
M m 图8
O1
O2
P B 将m在A点轻放在M上,则A’=A C 将m在O点轻粘在M上,则A’=A D 将m在A点轻粘在M上,则A’=A 练习8如图10所示,一质量不计的轻质弹簧竖立在地面上,弹簧的上端与盒子A连接在一起,下端固定在地面上.盒子内装一个光滑小球,盒子内腔为正方体,一直径略小于此正方体边长的金属圆球B恰好能放在盒内,已知弹簧的劲度系数为k=400N/m,A和B的质量均为2kg.将A向上提高,使弹簧从自由长度伸长10cm后,从静止释放,不计阻力,A和B一起做竖直方向的简谐运动,g取10 m/s已知弹簧处在弹性限度内,对于同一弹簧,其弹性势能只决定于其形变的大小.试求: (1)盒子A的振幅; (2)盒子A运动到最低点时,A对B的作用力方向;(不要求写出理由) (3)小球B的最大速度 (答案:20cm;60N,方向向下;2m/s)
四 弹簧的综合考查
充分挖掘题目的隐含条件,熟悉并灵活、合理利用力学的五大物理规律(牛顿定律、动量定理、动能定理、动量守恒定律、能的转化和守恒定律)是解决综合问题的关键。 例4质量为m的钢板与直立的弹簧的上端连接,弹簧下端固定在地上,平衡时,弹簧的压缩量为x0,如图11所示,一物块从钢板正上方距离3xo处的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,它们恰能回到原长O点.若物质量为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点相距多远?(碰撞时间极短) 解析:木板开始做自由落体运动设刚好碰撞时速度为v1`则有: mg3x0=21mv12 v1=06gx
木板与钢板碰撞过程满足动量守恒定律,设刚碰撞结束时速度为v2则有: mv1=2mv2 v2=032gx 碰撞后系统机械能守恒,设弹簧开始的弹性势能为Ep,则有 Ep=2mgx0-212mv22=20mgx
若将木板的质量换为2m,设刚碰撞后的速度为v3,同理可得v3=083gx 再回到O点时木板与钢板分离,设分离时的速度为v4,则有
图10 Ep=3mgx0-213m(v32- v42) v4=0gx 分离后木板做竖直上抛运动,上升的高度为h,则有 h= 242vg=02x
练习9如图12一弹簧振子,振子M带负电,振子与弹簧及光滑平面彼此绝缘,当有一水平向右的匀强电场时,振子在O点处于平衡状态,A、B为振子离平衡位置的最大位移处.以下说法正确的是(C) ①振子从O到A的过程中,一定是克服弹簧弹力、电场力做功 ②振子从O点到达B点过程中,克服弹力做的功大于电场力做的功 ③振子运动到O点时,突然去掉电场,则振子的周期不变,振幅增加 ④振子运动到O点时,突然去掉电场,则振子的周期改变,振幅不变 (A)①② (B)①④ (C)②③ (D)③④ 练习10如图13所示,一个劲度系数为k的轻弹簧竖直立于水平地面上,下端固定于地面,上端与一质量为m的平板B相连而处于静止状态.今有另一质量为m的物体A从B的正上方自由落下,与B发生碰撞而粘在一起.已知它们共同向下运动到速度最大时,系统的
弹性势能的增加量与动能相等.求系统的这一最大速度v。(答案:v= mgk)
A 3x0 x0 O
图11 M
O A B
E
图12 图13
B A