扬州市宏达气动件有限公司
Yangzhou HTC pneumatic parts Co., LTD



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高中物理重要模型之一“轻弹簧”
发布人:网站管理员 分布时间:2013/8/30 点击:2018

弹簧有一定的质量,其自身的重力和弹力之比较小,简单物理研究可以通过忽略弹簧的质量来研究相对应的物理知识.由于“轻弹簧”质量不计,选取任意一小段弹簧,其两端所受张力一定相等,其弹力的主要特征是:①轻弹簧能产生沿弹簧轴线伸缩方向的压力或拉力;②轻弹簧各处受力大小相等,且与弹簧形变的方向相反;③轻弹簧产生的弹力是连续变化的,不能发生突变,只能渐变(除弹簧被剪断外);④在弹性限度内,弹力的大小与弹簧的形变量成正比,即F=kx,其中k为弹簧的劲度系数,x为弹簧的伸长量或缩短量.

一、弹簧中各个部分间的张力处处相等,均等于两端所受力

例1如图1所示,四个完全相同的弹簧都处于水平位置,它们的右端受到大小都为F的拉力作用:①中弹簧的左端固定在墙上,②中弹簧的左端受大小也为F的拉力作用,③中弹簧的左端栓一小物块,物块在光滑的桌面上滑动,④中弹簧的左端栓一小物块,物块在有摩擦的桌面上滑动.若认为弹簧的质量都为零,以l1、l2、l3、l4依次表示四个弹簧的伸长量,则有()

(A) l2>l1(B) l3>l4(C) l3

图1解析:结论为四个弹簧伸长量的关系l1=l2=l3=l4,由于“轻弹簧”质量不计选取任意一小段弹簧,其两端所受张力一定相等.弹簧一端受力为F,另一端受力一定也为F.不论弹簧受拉力还是受到压力的作用.(方向是沿弹簧的轴线方向)

二、弹簧的受力特点

例2如图2所示,质量为m的小球用两根细线悬挂,图(a)中细线AO与竖直方向成30°,细线BO水平,小球处于静止状态.图(b)中小球用一根轻弹簧和一根水平细线悬挂,弹簧与竖直方向成30°,小球处于静止状态.

图2(1)将(a)中细线BO剪断的瞬间,小球受细线AO的拉力是多少?小球加速度是多少?

(2)将图(b)中细线BO剪断的瞬间,小球受弹簧的拉力是多少?小球加速度是多少?

解析:(a)中AO、BO均为细线,小球受力分析,小球受三个力,重力G、AO绳拉力TA、BO绳拉力TB,小球处于静止状态,由平衡条件得mg=TAcos30°即TA=mgcos30°=233mg拉力TA的方向沿绳斜向上.当剪断BO绳的瞬间,AO绳拉力发生突变,小球在此时受两个力作用:重力G、AO绳拉力TA′, TA′方向没有发生变化,但大小却变为TA′=mgcos30°=32mg,a1=gsin30°=12g,a1的方向垂直于AO斜向下.

(b)中重力G、AO弹簧拉力TA、BO绳拉力TB,小球处于静止状态,由平衡条件得mg=TAcos30°,即TA=mgcos30°=233mg拉力TA的方向沿弹簧斜向上.当剪断BO绳的瞬间,因弹簧还来不及有显著的收缩,即此瞬间弹簧的状态还未变化,对小球而言弹簧给小球的拉力也未发生变化,仅是BO绳对小球的拉力消失,小球受两个力作用:重力G、AO弹簧拉力TA(未变化), 即TA=mgcos30°=233mg.故两力的合力水平向左,而此时小球的加速度的方向即该合力的方向,加速度大小为: mgtan30°=ma2,a2=gtan30°=33 g.

三、弹簧的受力分析

图3例3如图3所示,物体从某一高度自由落到直立于地面的轻弹簧上,如图3在A点,开始与弹簧接触到B点物体速度为0,然后被弹回,则()

(A) 物体从A下降到B的过程中,速率不断减小

(B) 物体从B上升到A的过程中,速率不断增大

(C) 物体从A下降到B以及从B上升到A的过程中,速率都是先增大后减小

(D) 物体在B点时所受合力为零

解析:物体从开始落到A点之间,由于只受重力作用,物体做自由落体运动,到A点时速度达到vA,此后开始压缩弹簧,物体受到向上弹力和向下的重力,由于刚开始压缩,弹簧的形变量较小,故物体的重力大于弹簧对它的弹力,加速度 方向向下.因为弹簧对它的弹力F=kx,物体向下压缩弹簧,x增大则弹力F增大,由牛顿第二定律a=G-FM得知,a在逐渐减小,故物体的运动情况为一种加速度逐渐减小的加速运动.随着物体向下移动的过程中,物体的重力不变,弹力越来越大,总有一时刻满足F=G,在这一关键的瞬间,物体的速度最大,加速度为零.物体继续向下移动,此后物体的重力小于弹簧对它的弹力,加速度a方向向上,由牛顿第二定律a=F-GM得知,a在逐渐增大,故物体的运动情况为一种加速度逐渐增大的减速运动.当压缩到B点时,弹簧被压缩至最短,物体的速度为零.答案为(C).

四、弹簧的临界状态分析

例4一个弹簧秤放在水平地面上,Q为与弹簧上端连在一起的秤盘,P为一重物,P的质量M=10.5 kg,Q的质量m=1.5 kg,弹簧的质量不计,劲度系数k=800 N/m,系统处于静止,现给P施加一个方向竖直向上的力F,使它从静止开始向上做匀加速运动,已知在前0.2 s时间内,F为变力,0.2 s以后,F为恒力.求力F的最大值和最小值.(取g=10 m/s2)

解析:(1)P做匀加速运动,它受到的合力一定是恒力.P受到的外力有重力Mg,向上的力F及Q对P的支持力FN ,其中重力Mg为恒力,FN为变力,题目中说0.2 s以后F为恒力,说明t=0.2 s的时刻,正是P与Q开始脱离接触的时候,即临界点.

(2)t= 0.2 s的时刻,是Q对P的作用力FN恰好减为零的时刻,此时刻P与Q具有相同的速度和加速度.因此,此时刻弹簧并未恢复原长,也不能认为此时弹簧的弹力为零.

(3)当t= 0 时刻,应是力F最小的时刻,此时刻F小=(M+m)a(a为它们的加速度).随后,由于弹簧弹力逐渐减小,而P与Q受到的合力保持不变,因此力F逐渐变大,至t= 0.2 s的时刻,力F增至最大,此时刻F大=M(g+a).

解:设开始时弹簧压缩量为x1, t= 0.2 s时弹簧的压缩量为x2,重物P的加速度为a,则有kx1=(M+m)g ①


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