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m 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1A 、1B ，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a1 a2 a3 a4表示，则：

（ ） A ．a1=0，a2=2g ，a3=0，a4=2g B 。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1A ，1球受到向上的拉力消失，绳2A 的弹力可能发生突变，那么究竟2A 的弹力如何变化呢？我们可用假设法：设2A 绳仍然有张力，则有a1>g ，a2

【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m 和2m 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μ，在水平推力F 作用下，A 、B 两物体一起以加速度a 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 ；a

B 。a+2ug ；a+ug

C ．2a+3ug ；a

D 。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θ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d 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m 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

m

M a

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m的重物，先由托盘托住m，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

【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a 时，重物与托盘恰好分离。由于a g，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h，质量为m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

2

m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μ，其余各处的摩擦不计，重力加速度为g，求

（1）物块A在与挡板B碰撞前的瞬间速度v 的大小；

（2）弹簧最大压缩量为d时的弹簧势能

P

E（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：d

【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θ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、