2010年经典物理模型--弹簧类问题难点探究思考1073.pdf

弹簧类问题难点探究思考 在中学阶段，凡涉及的弹簧都不考虑其质量，称之为轻弹簧，这是一种常见的理想化物理模型 弹簧类问题多为综合性问题，涉及的知识面广，要求的能力较高，是高考的难点之一.难点提出 1.（99 年全国）如图2-1 所示，两木块的质量分别为m1和 m2，两轻质弹簧的劲度系数分别为k1和k2，上面木块压在上面的弹簧上（但不拴接），整个系统处于平衡状态.现缓慢向上提上面的木块，直到它刚离开上面弹簧.在这过程中下面木块移动的距离为 A.11kgm B.12kgm C.21kgm D.22kgm 图 2 1 图 2 2 2.如图2-2 所示，劲度系数为k1的轻质弹簧两端分别与质量为m1、m2的物块1、2 拴接，劲度系数为k2的轻质弹簧上端与物块2 拴接，下端压在桌面上（不拴接），整个系统处于平衡状态.现施力将物块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_.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2-3 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.案例探究 例1如图2-4，轻弹簧和一根细线共同拉住一质量为m 的物体，平衡时细线水平，弹簧与竖直夹角为，若突然剪断细线，刚刚剪断细线图 2-3 图 2-4 的瞬间，物体的加速度多大?命题意图：考查理解能力及推理判断能力.B 级要求.错解分析：对弹簧模型与绳模型瞬态变化的特征不能加以区分，误认为弹簧弹力在细线剪断的瞬间发生突变从而导致错解.解题方法与技巧：弹簧剪断前分析受力如图2-5，由几何关系可知：弹簧的弹力T=mg cos 细线的弹力T=mgtan 细线剪断后由于弹簧的弹力及重力均不变，故物体的合力水平向右，与 T等大而反向，F=mgtan，故物体的加速度a=gtan，水平向右.例2 A、B 两木块叠放在竖直轻弹簧上，如图2-6 所示，已知木块A、B 质量分别为0.42 kg 和 0.40 kg，弹簧的劲度系数k=100 N/m，若在木块 A 上作用一个竖直向上的力F，使A 由静止开始以0.5 m/s2的加速度竖直向上做匀加速运动（g=10 m/s2）.（1）使木块A 竖直做匀加速运动的过程中，力F 的最大值；（2）若木块由静止开始做匀加速运动，直到A、B 分离的过 程中，弹簧的弹性势能减少了0.248 J，求这一过程F 对木块做的功.命题意图：考查对物理过程、状态的综合分析能力.B 级要求.错解分析：此题难点和失分点在于能否通过对此物理过程的分析后，确定两物体分离的临界点，即当弹簧作用下的两物体加速度、速度相同且相互作用的弹力 N=0 时 ,恰好分离.解题方法与技巧:当 F=0（即不加竖直向上F 力时），设A、B 叠放在弹簧上处于平衡时弹簧的压缩量为x，有 kx=（mA+mB）g x=（mA+mB）g/k 对 A 施加F 力，分析A、B 受力如图2-7 对 A F+N-mAg=mAa 对 B kx-N-mBg=mBa 可知，当 N 0 时，AB 有共同加速度a=a，由式知欲使A 匀加速运动，随 N 减小F图 2-5 图 2-6 增大.当 N=0 时，F 取得了最大值Fm,即 Fm=mA（g+a）=4.41 N 又当N=0 时，A、B 开始分离，由式知，此时，弹簧压缩量kx=mB（a+g）x=mB（a+g）/k AB 共同速度 v2=2a（x-x）由题知，此过程弹性势能减少了WP=EP=0.248 J 设 F 力功WF，对这一过程应用动能定理或功能原理 WF+EP-（mA+mB）g（x-x）=21（mA+mB）v2 联立，且注意到EP=0.248 J 可知，WF=9.64 10-2 J 锦囊妙计 一、高考要求 轻弹簧是一种理想化的物理模型，以轻质弹簧为载体，设置复杂的物理情景，考查力的概念，物体的平衡，牛顿定律的应用及能的转化与守恒，是高考命题的重点，此类命题几乎每年高考卷面均有所见.应引起足够重视.二、弹簧类命题突破要点 1.弹簧的弹力是一种由形变而决定大小和方向的力.当题目中出现弹簧时，要注意弹力的大小与方向时刻要与当时的形变相对应.在题目中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，找出形变量x 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，以此来分析计算物体运动状态的可能变化.2.因弹簧（尤其是软质弹簧）其形变发生改变过程需要一段时间，在瞬间内形变量可以认为不变.因此，在分析瞬时变化时，可以认为弹力大小不变，即弹簧的弹力不突变.3.在求弹簧的弹力做功时，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，也可据动能定理和功能关系：能量转化和守恒定律求解.同时要注意弹力做功的特点：Wk=-（21kx22-21kx12），弹力的功等于弹性势能增量的负值.弹性势能的公式Ep=21kx2，高考不作定量要求，可作定性讨论.因此，在求弹力的功或弹性势能的改变时，一般以能量的转化与守恒的角度来求解.歼灭难点 1.如左图所示，小球在竖直力F 作用下将竖直弹簧压缩，若将力F 撤去，小球将向上弹起并离开弹簧，直到速度变为零为止，在小球上升的过程中 A.小球的动能先增大后减小 B.小球在离开弹簧时动能最大 C.小球的动能最大时弹性势能为零 D.小球的动能减为零时，重力势能最大 2.（00 年春）一轻质弹簧，上端悬挂于天花板，下端系一质量为M 的平板，处在平衡状态.一质量为m 的均匀环套在弹簧外，与平板的距离为h，如图右所示.让环自由下落，撞击平板.已知碰后环与板以相同的速度向下运动，使弹簧伸长.A.若碰撞时间极短，则碰撞过程中环与板的总动量守恒 B.若碰撞时间极短，则碰撞过程中环与板的总机械能守恒 C.环撞击板后，板的新的平衡位置与h 的大小无关 D.在碰后板和环一起下落的过程中，它们减少的动能等于克服弹簧力所做的功 3.如图2-10 所示的装置中，木块B 与水平桌面间的接触是光滑的，子弹A 沿水平方向射入木块后留在木块内，将弹簧压缩到最短.现将子弹、木块和弹簧合在一起作为研究对象（系统），则此系统在从子弹开始射入木块到弹簧压缩至最短的整个过程中 A.动量守恒，机械能守恒 B.动量不守恒，机械能不守恒 C.动量守恒，机械能不守恒 D.动量不守恒，机械能守恒 4.如图2-11 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Ep=_.5.（01 年上海）如图9-12（A）所示，一质量为m 的物体系于长度分别为l1、l2的两根细线上，l1的一端悬挂在天花板上，与竖直方向夹角为，l2水平拉直，物体处于平衡状态.现将l2线剪断，求剪断瞬时物体的加速度.图 2-10 图 2-11 （1）下面是某同学对该题的一种解法：解：设l1线上拉力为T1，l2线上拉力为T2，重力为mg，物体在三力作用下保持平衡：T1cos=mg,T1sin=T2,T2=mgtan 剪断线的瞬间，T2突然消失，物体即在T2反方向获得加速度.因为mgtan=ma,所以 加速度a=gtan,方向在T2反方向.你认为这个结果正确吗?请对该解法作出评价并说明理由.（2）若将图A 中的细线l1改为长度相同、质量不计的轻弹簧，如图2-12（B）所示，其他条件不变，求解的步骤与（1）完全相同，即a=gtan，你认为这个结果正确吗?请说明理由.*6.如图2-13 所示，A、B、C 三物块质量均为m，置于光滑水平台面上.B、C 间夹有原已完全压紧不能再压缩的弹簧，两物块用细绳相连，使弹簧不能伸展.物块A 以初速度v0沿B、C 连线方向向B 运动，相碰后，A 与B、C 粘合在一起，然后连接B、C 的细绳因受扰动而突然断开，弹簧伸展，从而使C 与 A、B 分离，脱离弹簧后C 的速度为v0.（1）求弹簧所释放的势能 E.（2）若更换B、C 间的弹簧，当物块A 以初速v 向 B 运动，物块C 在脱离弹簧后的速度为2v0，则弹簧所释放的势能 E是多少?（3）若情况（2）中的弹簧与情况（1）中的弹簧相同，为使物块C 在脱离弹簧后的速度仍为 2v0，A 的初速度v 应为多大?图 2 12 参考答案：难点提出 1.C 2.21km2（m1+m2）g2;（2211kk）m1（m1+m2）g2 3.21x0 歼灭难点 1.AD 2.AC 3.B 4.分析从小球下落到压缩最短全过程 由动能定理：（mg-f）（H-L+x）-W弹性=0 W弹性=Ep=（mg-f）（H-L+x）5.（1）结果不正确.因为l2被剪断的瞬间，l1上张力的大小发生了突变，此瞬间 T2=mg cos,a=g sin （2）结果正确，因为l2被剪断的瞬间、弹簧l1的长度不能发生突变、T1的大小和方向都不变.6.（1）31mv02 （2）121m（v-6v0）2 （3）4v0