弹簧与传送带弹簧专题32005年高考专题复习------弹簧
相互接触的物体间可能存在弹力相互作用。对于面接触的物体,在接触面间弹力变为零时,它们将要分离。抓住相互接触物体分离的这一条件,就可顺利解答相关问题。现今对于弹簧连接的物体的分离是高考的热点,也是学生理解的难点,下面就弹簧连接的物理列几个典型例子加以说明。
例1、一根劲度系数为k,质量不计的轻弹簧,上端固定,下端系一质量为m的物体,有一水平板将物体托住,并使弹簧处于自然长度。如图7所示。现让木板由静止开始以加速度a(a<g=匀加速向下移动。求经过多长时间木板开始与物体分离。
分析与解...
2005年高考专
复习------弹簧
相互接触的物体间可能存在弹力相互作用。对于面接触的物体,在接触面间弹力变为零时,它们将要分离。抓住相互接触物体分离的这一条件,就可顺利解答相关问题。现今对于弹簧连接的物体的分离是高考的热点,也是学生理解的难点,下面就弹簧连接的物理列几个典型例子加以说明。
例1、一根劲度系数为k,质量不计的轻弹簧,上端固定,下端系一质量为m的物体,有一水平板将物体托住,并使弹簧处于自然长度。如图7所示。现让木板由静止开始以加速度a(a<g=匀加速向下移动。求经过多长时间木板开始与物体分离。
分析与解:设物体与平板一起向下运动的距离为x时,物体受重力mg,弹簧的弹力F=kx和平板的支持力N作用。据牛顿第二定律有:
mg-kx-N=ma得N=mg-kx-ma
当N=0时,物体与平板分离,所以此时
因为
,所以
。
例2、如图8所示,一个弹簧台秤的秤盘质量和弹簧质量都不计,盘内放一个物体P处于静止,P的质量m=12kg,弹簧的劲度系数k=300N/m。现在给P施加一个竖直向上的力F,使P从静止开始向上做匀加速直线运动,已知在t=0.2s内F是变力,在0.2s以后F是恒力,g=10m/s2,则F的最小值是 ,F的最大值是 。
.分析与解:因为在t=0.2s内F是变力,在t=0.2s以后F是恒力,所以在t=0.2s时,P离开秤盘。此时P受到盘的支持力为零,由于盘和弹簧的质量都不计,所以此时弹簧处于原长。在0_____0.2s这段时间内P向上运动的距离:
x=mg/k=0.4m
因为
,所以P在这段时间的加速度
当P开始运动时拉力最小,此时对物体P有N-mg+Fmin=ma,又因此时N=mg,所以有Fmin=ma=240N.
当P与盘分离时拉力F最大,Fmax=m(a+g)=360N.
例3.如图9所示,一劲度系数为k=800N/m的轻弹簧两端各焊接着两个质量均为m=12kg的物体A、B。物体A、B和轻弹簧竖立静止在水平地面上,现要加一竖直向上的力F在上面物体A上,使物体A开始向上做匀加速运动,经0.4s物体B刚要离开地面,设整个过程中弹簧都处于弹性限度内,取g=10m/s2 ,求:
(1)此过程中所加外力F的最大值和最小值。
(2)此过程中外力F所做的功。
解:(1)A原来静止时:kx1=mg ①
当物体A开始做匀加速运动时,拉力F最小,设为F1,对物体A有:
F1+kx1-mg=ma ②
当物体B刚要离开地面时,拉力F最大,设为F2,对物体A有:
F2-kx2-mg=ma ③
对物体B有:kx2=mg ④
对物体A有:x1+x2=
⑤
由①、④两式解得 a=3.75m/s2 ,分别由②、③得F1=45N,F2=285N
(2)在力F作用的0.4s内,初末状态的弹性势能相等,由功能关系得:
WF=mg(x1+x2)+
49.5J
例4.如图5所示,轻弹簧的一端固定在地面上,另一端与木块B相连,木块A放在木块B上,两木块质量均为m,在木块A上施有竖直向下的力F,整个装置处于静止状态.
(1)突然将力F撤去,若运动中A、B不分离,则A、B共同运动到最高点时,B对A的弹力有多大?
(2)要使A、B不分离,力F应满足什么条件?
【点拨解疑】 力F撤去后,系统作简谐运动,该运动具有明显的对称性,该题利用最高点与最低点的对称性来求解,会简单的多.
(1)最高点与最低点有相同大小的回复力,只有方向相反,这里回复力是合外力.在最低点,即原来平衡的系统在撤去力F的瞬间,受到的合外力应为F/2,方向竖直向上;当到达最高点时,A受到的合外力也为F/2,但方向向下,考虑到重力的存在,所以B对A的弹力为
.
(2)力F越大越容易分离,讨论临界情况,也利用最高点与最低点回复力的对称性.最高点时,A、B间虽接触但无弹力,A只受重力,故此时恢复力向下,大小位mg.那么,在最低点时,即刚撤去力F时,A受的回复力也应等于mg,但根据前一小题的分析,此时回复力为F/2,这就是说F/2=mg.则F=2mg.因此,使A、B不分离的条件是F≤2mg.
例5.两块质量分别为m1和m2的木块,用一根劲度系数为k的轻弹簧连在一起,现在m1上施加压力F,如图14所示.为了使撤去F后m1跳起时能带起m2,则所加压力F应多大?
(对称法)
例6.如图1-4-8所示,离心机的光滑水平杆上穿着两个小球A、B,质量分别为2m和m,两球用劲度系数为k的轻弹簧相连,弹簧的自然长度为l.当两球随着离心机以角速度ω转动时,两球都能够相对于杆静止而又不碰两壁.求A、B的旋转半径rA和rB.
例7.(14分)如图14所示,A、B两滑环分别套在间距为1m的光滑细杆上,A和B的质量之比为1∶3,用一自然长度为1m的轻弹簧将两环相连,在 A环上作用一沿杆方向的、大小为20N的拉力F,当两环都沿杆以相同的加速度a运动时,弹簧与杆夹角为53°。(cos53°=0.6)
求:(1)弹簧的劲度系数为多少?
(2)若突然撤去拉力F,在撤去拉力F的瞬间,A的加速度为a/,a/
与a之间比为多少?
解:(1)先取A+B和弹簧整体为研究对象,弹簧弹力为内力,杆对A、B支持力与加速度方向垂直,在沿F方向应用牛顿第二定律F=(mA+mB)a①
再取B为研究对象F弹cos53°=mBa②
①②联立求解得,F弹=25N
由几何关系得,弹簧的伸长量⊿x=
(1/sin53°-1)=0.25m
所以弹簧的劲度系数k=100N/m
(2)撤去F力瞬间,弹簧弹力不变,A的加速度a/= F弹cos53°/mA
所以a/:a=3∶1。
例8.(14分)如图所示,质量M=3.5kg的小车静止于光滑水平面上靠近桌子处,其上
面与水平桌面相平,小车长L=1.2m,其左端放有一质量为0.5kg的滑块Q。水平放置的轻弹簧左端固定,质量为1kg的小物块P置于桌面上的A点并与弹簧的右端接触。此时弹簧处于原长,现用水平向左的推力将P缓慢推至B点(弹簧仍在弹性限度内)时,推力做的功为WF=6J,撤去推力后,P沿桌面滑到小车上并与Q相碰,最后Q停在小车的右端,P停在距小车左端0.5m处。已知AB间距L1=5cm,A点离桌子边沿C点距离L2=90cm,P与桌面间动摩擦因数
,P、Q与小车表面间动摩擦因数
。(g=10m/s2)求:
(1)P到达C点时的速度 VC。
(2)P与Q碰撞后瞬间Q的速度大小。
解:(1)对P由A→B→C应用动能定理,得
(2)设P、Q碰后速度分别为v1、v2,小车最后速度为v,由动量守恒定律得,
由能量守恒得,
解得,
当
时,
不合题意,舍去。
即P与Q碰撞后瞬间Q的速度大小为
例9.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1-9-15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.已知物块质量也为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.
解:质量为m的物块运动过程应分为三个阶段:第一阶段为自由落体运动;第二阶段为和钢板碰撞;第三阶段是和钢板一道向下压缩弹簧运动,再一道回到O点.质量为2m的物块运动过程除包含上述三个阶段以外还有第四阶段,即2m物块在O点与钢板分离后做竖直上抛运动.弹簧
对于m:
第二阶段,根据动量守恒有mv0=2mv1 ②
对于2m物块:
第二阶段,根据动量守恒有2mv0=3mv2 ④
第三阶段,根据系统的机械能守恒有
又因 E′p=Ep ⑦
上几式联立起来可求出:l=x0/2
图7
F
图8
图 9
F
B
A
图14
� EMBED PBrush ���
� EMBED Equation.3 ���
� EMBED Equation.3 ���
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1
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