高中物理必修一弹簧问题教学内容.docx

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高中物理必修一弹簧问题教学内容

高中物理必修一弹簧问题

高中物理弹簧模型问题

一、物理模型：

轻弹簧是不计自身质量，能产生沿轴线的拉伸或压缩形变，故产生向内或向外的弹力。

二、模型力学特征：

轻弹簧既可以发生拉伸形变，又可发生压缩形变，其弹力方向一定沿弹簧方向，弹簧两端弹力的大小相等，方向相反。

三、弹簧物理问题：

1．弹簧平衡问题：

抓住弹簧形变量、运动和力、促平衡、列方程。

2．弹簧模型应用牛顿第二定律的解题技巧问题：

（1）弹簧长度改变，弹力发生变化问题：

要从牛顿第二定律入手先分析加速度，从而分析物体运动规律。

而物体的运动又导致弹力的变化，变化的规律又会影响新的运动，由此画出弹簧的几个特殊状态（原长、平衡位置、最大长度）尤其重要。

（2）弹簧长度不变，弹力不变问题：

当物体除受弹簧本身的弹力外，还受到其它外力时，当弹簧长度不发生变化时，弹簧的弹力是不变的，出就是形变量不变，抓住这一状态分析物体的另外问题。

（3）弹簧中的临界问题：

当弹簧的长度发生改变导致弹力发生变化的过程中，往往会出现临界问题：

如“两物体分离”、“离开地面”、“恰好”、“刚好”……这类问题找出隐含条件是求解本类题型的关键。

3．弹簧双振子问题：

它的构造是：

一根弹簧两端各连接一个小球（物体），这样的装置称为“弹簧双振子”。

本模型它涉及到力和运动、动量和能量等问题。

本问题对过程分析尤为重要。

1．弹簧称水平放置、牵连物体弹簧示数确定

【例1】物块1、2放在光滑水平面上用轻弹簧相连，如图1所示。

今对物块1、2分别施以相反的水平力F1、F2，且F1>F2，则：

A．弹簧秤示数不可能为F1

B．若撤去F1，则物体1的加速度一定减小

C．若撤去F2，弹簧称的示数一定增大

D．若撤去F2，弹簧称的示数一定减小

即正确答案为A、D

【点评】对于轻弹簧处于加速状态时要运用整体和隔离分析，再用牛顿第二定律列方程推出表达式进行比较讨论得出答案。

若是平衡时弹簧产生的弹力和外力大小相等。

主要看能使弹簧发生形变的力就能分析出弹簧的弹力。

2．绳子与弹簧瞬间力的变化、确定物体加速度

【例2】四个质量均为

的小球，分别用三根绳子和一根轻弹簧相连，处于平衡状态，如图所示。

现突然迅速剪断

、

，让小球下落。

在剪断轻绳的瞬间，设小球1、2、3、4的加速度分别用a1a2a3a4表示，则：

（）

A．a1=0，a2=2g，a3=0，a4=2gB。

a1=g，a2=g，a3=2g，a4=0

C．a1=0，a2=g，a3=g，a4=g

D。

a1=g，a2=g，a3=g，a4=g

【解析】首先分析出剪断

，1球受到向上的拉力消失，绳

的弹力可能发生突变，那么究竟

的弹力如何变化呢？

我们可用假设法：

设

绳仍然有张力，则有a1>g，a2

松驰，这与假设的前提矛盾。

故剪断

的瞬间，

绳张力突变为0，所以a1=a2=g，此时绳

处于原长但未绷紧状态，球1、2整体做自由落体运动；剪断

的瞬间，由于

是弹簧，其弹力不能瞬间突变，故其对3、4的拉力不变，仍为

，易知a3=2g，a4=0，故选择B答案。

【点评】本题属于弹簧模型突变问题讨论。

要抓住弹簧的弹力不能突变，还要会分析轻绳的弹力如何变化，因绳的力会突变，从而分析本题的答案。

【思考探究题】如图所示，A、B两物体的质量分别为

和2

中间用轻质弹簧相连，A、B两物体与水平面间的动摩擦因数均为

，在水平推力F作用下，A、B两物体一起以加速度

向右做匀加速直线运动。

当突然撤去推力F的瞬间，A、B两物体的加速度大小分别为（）

A．2a；aB。

a+2ug；a+ug

C．2a+3ug；aD。

a；2a+3ug

【解析】C。

3．弹簧系统放置在斜面上的运动状态分析

【例3】如图所示，在倾角为

的光滑斜面上有两个用轻质弹簧相连接的物块A、B，它们的质量分别为ma、mb，弹簧的劲度系数为k，C为一固定挡板，系统处于静止状态。

现开始用一恒力F沿斜面方向拉物块A使之向上运动，求物块B刚要离开C时物块A的加速度a和从开始到此时物块A发生的位移d。

已知重力加速度为g。

【点评】本例是弹簧模型在运动和力上的应用，求解时要抓住两个关键：

“物块B刚要离开C”的条件和弹簧由压缩状态变为伸长状态，其形变量与物块A的位移

的关系。

【例4】如图，一倾角为o的斜面固定在水平地面上，一质量为

有小球与弹簧测力计相连在一木板的端点处，且将整个装置置于斜面上，设木板与斜面的动摩擦因数为u，现将木板以一定的初速度Vo释放，不熟与木板之间的摩擦不计，则（）

A．如果u=o，则测力计示数也为零

B．如果u>tano，则测力计示数大于mgsino

C．如果u=tano，则测力计示数等于mgsino

D．无论u取何值，测力计示数都不能确定

【解析】本例是将弹簧模型迁移到斜面上，而且设置了木板与斜面之间的动摩擦因数不同来判断测力计的示数的变化。

从而选择A、B、C答案。

【点评】本例是动力学在弹簧模型中的应用，求解的关键是分析整体的加速度，然后分析小球的受力来确定测力计示数的大小。

4．弹簧中的临界问题状态分析

【例5】如图所示，轻弹簧上端固定，下端连接一质量为

的重物，先由托盘托住

，使弹簧比自然长度缩短L，然后由静止开始以加速度a匀加速向下运动。

已知a

，求经过多少时间托盘M将与

分开？

【解析】当托盘与重物分离的瞬间，托盘与重物虽接触但无相互作用力，此时重物只受到重力和弹簧的作用力，在这两个力的作用下，当重物的加速度也为

时，重物与托盘恰好分离。

由于

，故此时弹簧必为伸长状态，然后由牛顿第二定律和运动学公式求解：

【点评】本题属于牛顿运动定律中的临界状态问题。

求解本类题型的关键是找出临界条件，同时还要能从宏观上把握其运动过程，分析出分离瞬间弹簧的状态。

我们还可这样探索：

若将此题条件改为a>g，情况又如何呢？

5．弹簧模型在力学中的综合应用

【例6】如图所示，坡度顶端距水平面高度为

，质量为

的小物块A从坡道顶端由静止滑下，进入水平面上的滑道时无机械能损失，为使A制动，将轻弹簧的一端固定在水平滑道延长线M处的墙上，一端与质量为

的挡板B相连，弹簧处于原长时，B恰位于滑道的末湍O点。

A与B碰撞时间极短，碰后结合在一起共同压缩弹簧，已知在OM段A、B与水平面间的动摩擦因数均为

，其余各处的摩擦不计，重力加速度为

，求

（1）物块A在与挡板B碰撞前的瞬间速度

的大小；

（2）弹簧最大压缩量为

时的弹簧势能

（设弹簧处于原长时弹性势能为零）。

【解析】

（1）由机械能守恒定律得：

①

②

（2）A、B在碰撞过程中内力远大于外力，由动量守恒，有：

③

A、B克服摩擦力所做的功：

④

由能量守恒定律，有：

⑤

解得：

【点评】本例是在以上几题的基础上加以引深，从平衡到匀变速运动，又由弹簧模型引入到碰撞模型，逐层又叠加，要会识别物理模型，恰当地选择物理规律求解。

【例7】有一倾角为

的斜面，其底端固定一档板M，另有三个木块A、B和C，它们的质量分别为ma=mb=mc，mc=3m，它们与斜面间的动摩擦因数都相同。

其中木块A放于斜面上并通过一轻弹簧与档板M相连，如图所示，开始时，木块A静止于P处，弹簧处于原长状态，木块B在Q点以初速度Vo向下运动，P、Q间的距离为L。

已知木块B在下滑的过程中做匀速直线运动，与木块A相碰后立刻一起向下运动，但不粘连，它们到达一个最低点后又向上运动，木块B向上运动恰好能回到Q点。

若木块A仍静止放在P点，木块C从Q点处于开始以初速度（根号2/3Vo）向下运动，经历同样过程，最后木块C停在斜面的R点。

求：

（1）A、B一起压缩弹簧过程中，弹簧具有的最大弹性势能；

（2）A、B间的距离

【解析】

（1）木块B下滑做匀速直线运动，有：

①

B与A碰撞前后总动量守恒有：

②

设AB两木块向下压缩弹簧的最大的长度为S，弹簧具有的最大弹性势能为

，压缩过程对AB由能量守恒定律得：

③

联立①②③解得：

④

（2）木块C与A碰撞过程，由动量守恒定律得：

⑤

碰后AC的总动能为：

⑥

由③式可知AC压缩弹簧具有的最大弹性势能和AB压缩弹簧具有的最大弹性势能相等，两次的压缩量也相等。

设AB被弹回到P点时的速度为

，从开始压缩到回到P点有：

⑦

两木块在P点处分开后，木块B上滑到Q点的过程：

⑧

设AC回到P点时的速度为

，同理有：

⑨⑩

联立⑦⑧⑨⑩得：

【点评】本例在上例的基础上又进了一步，它是从受力分析开始，要从过程和状态分析该题，并选准物理规律：

动量守恒、动能定理等，还要会用已知字母表达求解结果。

【反思演练题】1。

质量不计的弹簧下端固定一小球。

现手持弹簧上端使小球随手在竖直方向上以同样大小的加速度a（a

若忽略空气阻力，弹簧的伸长分别为x1、x2；若空气阻力不能忽略且大小恒定，弹簧的伸长分别为x①、x②则有：

A。

x1+x①=x2+x②B。

《

C．》D。

=

【答案】D。

忽略空气阻力，小球向上运动时，由牛顿第二定律有

，解得：

，同理可得向下运动时

；当空气阻力不能忽略时，设空气阻力为

，根据牛顿第二定律有：

解得：

，同理向下运动时

由以上四式可得

=

故D答案正确。

2．如图所示，质量分别为

和

的两物块放在水平地面上，与水平地面间的动摩擦因数都是u，用轻质弹簧将两物块连接在一起。

当用水平力F作用在m1上时，两物块均以加速度

做匀加速运动，此时弹簧伸长量为

。

若用水平力

作用在

上时，两物块均以加速度A=2a做匀加速运动，此时，弹簧伸长量为x`，则下列关系式正确的是：

（）

A．F`=2FB。

X`=2XC。

F`>2FD。

X<2X

3．一个竖立着的轻弹簧，支撑着倒立的汽缸的活塞使汽缸悬空静止，如图所示，假设活塞与汽缸壁之间无摩擦且不漏气，若大气压强增大，汽缸与活塞均有良好绝缘性能。

下列说法中正确的是：

A．则弹簧的长度增长，缸底离地面的高度减小，缸内气体内能减少

B．则弹簧的长度不变，缸底离地面的高度减小，缸内气体内能增加

C．则弹簧的长度不变，缸底离地面的高度增大，缸内气体温度降低

D．则弹簧的长度减小，缸底离地面的高度增大，缸内气体温度升高

4．如图所示，静止在水平面上的三角架质量为M，它用两质量不计的弹簧连接着质量为

的小球，小球上下振动，当三角架对水平面的压力为

时，小球加速度的方向与大小分别是（）

A．向上，MG/mB。

向下，MG/m

C．向下，gD。

向下，MG+mg/m

5．有一弹簧原长为L，两端固定绝缘小球，球上带同种电荷，电荷量都是Q，由于静电斥力使弹簧伸长了

，如图所示，如果两球的电荷量均减为原来的一半，那么弹簧比原长伸长了（）

A．△L/4B。

小于C。

大于D。

△L/2

6．如图所示，两物体A、B用轻质弹簧相连，静止在光滑水平面上，现同时对A、B两物体施加等大反向的水平力f1、f2，使A、B同时由静止开始运动，在运动过程中，对A、B两物体及弹簧组成的系统，下列说法正确的是（整个过程中弹簧不超过其弹性限度）（）

A．机械能始终守恒，动量始终守恒

B．机械能不断增加，动量不断增加

C．当弹簧伸长到最长时，系统的机械能最大

D．当弹簧弹力的大小与f1、f2的大小相等时，系统总动能最大

7．如图所示，一端固定在地面上的竖直轻弹簧，在它的正上方高H处有一个小球自由落下，落到轻弹簧上，将弹簧压缩。

如