2010年經(jīng)典高中物理模型--彈簧類模型中的最值問題

1、彈簧類模型中的最值問題 在高考復(fù)習(xí)中，常常遇到有關(guān)“彈簧類”問題，由于彈簧總是與其他物體直接或間接地聯(lián)系在一起，彈簧與其“關(guān)聯(lián)物”之間總存在著力、運動狀態(tài)、動量、能量方面的聯(lián)系，因此學(xué)生普遍感到困難，本文就此類問題作一歸類分析。一、最大、最小拉力問題 例1. 一個勁度系數(shù)為k600N/m的輕彈簧，兩端分別連接著質(zhì)量均為m15kg的物體A、B，將它們豎直靜止地放在水平地面上，如圖1所示，現(xiàn)加一豎直向上的外力F在物體A上，使物體A開始向上做勻加速運動，經(jīng)0.5s，B物體剛離開地面（設(shè)整個加速過程彈簧都處于彈性限度內(nèi)，且g10m/s2）。求此過程中所加外力的最大和最小值。圖1 解析：開始時彈簧彈力恰

2、等于A的重力，彈簧壓縮量，0.5s末B物體剛要離開地面，此時彈簧彈力恰等于B的重力，故對A物體有，代入數(shù)據(jù)得。剛開始時F為最小且，B物體剛要離開地面時，F(xiàn)為最大且有，解得。二、最大高度問題 例2. 如圖2所示，質(zhì)量為m的鋼板與直立彈簧的上端連接，彈簧下端固定在地面上，平衡時彈簧的壓縮量為。一物體從鋼板正上方距離為的A處自由下落打在鋼板上，并立即與鋼板一起向下運動，但不粘連，它們到達最低點后又向上運動，已知物塊質(zhì)量也為m時，它們恰能回到O點，若物體質(zhì)量為2m仍從A處自由下落，則物塊與鋼板回到O點時還有向上的速度，求物塊向上運動到達的最高點與O點的距離。圖2 解析：物塊碰撞鋼板前作自由落體運動，設(shè)

3、表示物塊與鋼板碰撞時的速度，則： 物塊與鋼板碰撞后一起以v1速度向下運動，因碰撞時間極短，碰撞時遵循動量守恒，即： 剛碰完時彈簧的彈性勢能為，當(dāng)它們一起回到O點時，彈簧無形變，彈性勢能為0，根據(jù)機械能守恒有： 設(shè)表示質(zhì)量為2m的物塊與鋼板碰撞后開始向下運動的速度，由動量守恒有： 碰撞后，當(dāng)它們回到O點時具有一定速度v，由機械能守恒定律得： 當(dāng)質(zhì)量為2m的物塊與鋼板一起回到O點時兩者分離，分離后，物塊以v豎直上升，其上升的最大高度： 解式可得。三、最大速度、最小速度問題 例3. 如圖3所示，一個勁度系數(shù)為k的輕彈簧豎直立于水平地面上，下端固定于地面，上端與一質(zhì)量為m的平板B相連而處于靜止?fàn)顟B(tài)。今

4、有另一質(zhì)量為m的物塊A從B的正上方h高處自由下落，與B發(fā)生碰撞而粘在一起，已知它們共同向下運動到速度最大時，系統(tǒng)增加的彈性勢能與動能相等，求系統(tǒng)的這一最大速度v。圖3 解析：A下落到與B碰前的速度v1為： A、B碰后的共同速度v2為： B靜止在彈簧上時，彈簧的壓縮量為x0，且： A、B一起向下運動到最大速度v時的位移為x，此時A、B的加速度為0，即有： 由機械能守恒得： 解得： 例4. 在光滑水平面內(nèi)，有A、B兩個質(zhì)量相等的木塊，中間用輕質(zhì)彈簧相連?，F(xiàn)對B施一水平恒力F，如圖4所示，經(jīng)過一段時間，A、B的速度等于5m/s時恰好一起做勻加速直線運動，此過程恒力做功為100J，當(dāng)A、B恰好一起做勻

5、加速運動時撤除恒力，在以后的運動過程中求木塊A的最小速度。圖4 解析：當(dāng)撤除恒力F后，A做加速度越來越小的加速運動，彈簧等于原長時，加速度等于零，A的速度最大，此后彈簧壓縮到最大，當(dāng)彈簧再次回復(fù)原長時速度最小，根據(jù)動量守恒得： 根據(jù)機械能守恒得： 由以上兩式解得木塊A的最小速度v0。四、最大轉(zhuǎn)速和最小轉(zhuǎn)速問題 例5. 有一水平放置的圓盤，上面放一個勁度系數(shù)為k的輕彈簧，其一端固定于軸O上，另一端系著質(zhì)量為m的物體A，物體A與盤面間最大靜摩擦力為Ffm，彈簧原長為L，現(xiàn)將彈簧伸長后置于旋轉(zhuǎn)的桌面上，如圖5所示，問：要使物體相對于桌面靜止，圓盤轉(zhuǎn)速n的最大值和最小值各是多少？圖5 解析：當(dāng)轉(zhuǎn)速n較

6、大時，靜摩擦力與彈簧彈力同向，即： 當(dāng)轉(zhuǎn)速n較小時，靜摩擦力與彈簧彈力反向，即： 所以圓盤轉(zhuǎn)速n的最大值和最小值分別為： 。五、最大加速度問題 例6. 兩木塊A、B質(zhì)量分別為m、M，用勁度系數(shù)為k的輕質(zhì)彈簧連在一起，放在水平地面上，如圖6所示，用外力將木塊A壓下一段距離靜止，釋放后A做簡諧運動，在A振動過程中，木塊B剛好始終未離開地面，求木塊A的最大加速度。圖6 解析：撤去外力后，A以未加外力時的位置為平衡位置作簡諧運動，當(dāng)A運動到平衡位置上方最大位移處時，B恰好對地面壓力為零，此時A的加速度最大，設(shè)為am。 對A：由牛頓第二定律有 對B： 所以，方向向下。六、最大振幅 例7. 如圖7所示，小

7、車質(zhì)量為M，木塊質(zhì)量為m，它們之間靜摩擦力最大值為Ff，輕質(zhì)彈簧勁度系數(shù)為k，振動系統(tǒng)沿水平地面做簡諧運動，設(shè)木塊與小車間未發(fā)生相對滑動，小車振幅的最大值是多少？圖7 解析：在最大位移處，M和m相對靜止，它們具有相同的加速度，所以對整體有： 對m有： 所以由解得：。七、最大勢能問題 例8. 如圖8所示，質(zhì)量為2m的木板，靜止放在光滑的水平面上，木板左側(cè)固定著一根勁度系數(shù)為k的輕質(zhì)彈簧，彈簧的自由端到小車右端的距離為L0，一個質(zhì)量為m的小木塊從板的右端以初速度v0開始沿木塊向左滑行，最終回到木板右端，剛好不從木板右端滑出，設(shè)木板與木塊間的動摩擦因數(shù)為，求在木塊壓縮彈簧過程中（一直在彈性限度內(nèi)）彈簧所具有的最大彈性勢能。圖8 解：彈簧被壓縮至最短時，具有最大彈性勢能，設(shè)m在M上運動時，摩擦力做的總功產(chǎn)生內(nèi)能為2E，從初狀態(tài)到彈簧具有最大彈性勢能及從初狀態(tài)到末狀態(tài)，系統(tǒng)均滿足動量守恒定律，即： 由初狀態(tài)到彈簧具有最大彈性勢能，系統(tǒng)滿足能量守恒： 由初