【力学解题】“两步法”处理弹簧问题

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“两步法”处理弹簧问题有关弹簧的题目在高考中几乎年年出现,弹簧问题是高中物理问题中的一个难点,难就难在弹簧弹力是变力,会发生形变——伸长或压缩。学生往往对弹力大小和方向的变化过程缺乏清晰的认识,不能建立与之相关的物理模型,学生很难找到弹簧的形变量,对解决弹簧问题思路不清、效率低下、错误率较高。处理弹簧问题如果分“两步走”思路清晰,可以更快速、更准确、更简单的解决弹簧问题。[来源:学.科.网]何为“两步走”?我们要对弹簧问题有一个清晰的认识,弹簧问题一般分两个过程,一个是弹簧发生变化前,一个是弹簧发生变化后,我们就对变化前列式,对变化后列式即可解决问题。第一步,弹簧发生变化前,由题目的已知条件判断弹簧是伸长的还是压缩的,伸长的设伸长量,压缩的设压缩量,由胡克定律F=kx写出弹簧的弹力。第二步,弹簧发生变化后,由题目的已知条件判断弹簧是伸长的还是压缩的,伸长的设伸长量,压缩的设压缩量,由胡克定律F=kx写出弹簧的弹力。下面举例说明:[来源:学。科。网]例1、如图所示劲度系数为K1、K2的两根弹簧中间栓结了一个质量为m的物体,K2与地间不拴结,今在A点加一向上的作用力使K2下端刚好离开地面,试求A点上升的距离。[来源:Z*xx*k.Com]解析:第一步,弹簧发生变化前,由题目的已知条件判断弹簧K1是处于原长,弹簧K2处于压缩,设压缩量为X2,则有:22Fkxmg①﹙此式为弹簧发生变化前的式子﹚第二步,今在A点加一向上的作用力使K2下端刚好离开地面,弹簧发生变化后K2弹簧是处于原长,K1弹簧处于伸长,设伸长量为X1,则有:11Fkxmg②﹙此式为弹簧发生变化后的式子﹚X1和X2都参与了A点的上升,所以A点上升的距离:21kkmgX。[来源:学科网ZXXK]例2、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。系统处一AK2K1ABCθ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的位移d(重力加速度为g)解析:第一步,弹簧发生变化前,由题目的已知条件开始A、B处于静止状态判断弹簧处于压缩,设压缩量为X1,对A有:kx1=mAgsin①﹙此式为弹簧发生变化前的式子﹚第二步,现开始用一恒力F沿斜面方向拉物块A使之向上运动,弹簧发生了变化。由物块B刚要离开C可判断弹簧此时是伸长的,设伸长量为X2,对B有:kx2=mBgsin②﹙此式为弹簧发生变化后的式子﹚对A分析受力有:F-kx2-mAgsin=mAa③①、②、③联立得:a=sinABFmmgKx1和x2都参与了物块A的上升,所以物块A的位移:sinABmmgdk例3、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?解析:第一步,弹簧发生变化前,由题目的已知条件判断弹簧是压缩的,设压缩量为x1,则有:kx1=m1g①﹙此式为弹簧发生变化前的式子﹚第二步,当力F作用在m1上时,弹簧开始发生变化,变化后弹簧进一步被压缩,设压缩量为x2,则有:kx2=F②﹙此式为弹簧发生变化后的式子﹚再撤去力F后弹簧又发生了变化,使撤去F后m1跳起时能带起m2可知此时弹簧是伸长的,设伸长量为x3,则有:kx3=m2g③﹙此式为弹簧发生变化后的式子﹚由对称性可知:x3=x2-x1④①、②、③、④联立得:F=﹙m1+m2﹚g例4、如图所示,重力为G的质点M,与三根相同的螺旋型轻弹簧相连,静止时,相邻的两弹簧间的夹角为120o已知弹簧A、B对质点的作用力均为2G,则弹簧C对质点的作用力大小为多大?解析:由已知条件我们无法判断弹簧是伸长的还是压缩的,所以我们必须分情况讨论:[来源:Zxxk.Com]⑴若A、B都伸长,对M分析受力如图所示互成120o角的两个等大力的合力与原两力大小相等,此时M所受的2G2G合力为3G,方向向下,则由平衡条件知弹簧C对质点的作用G力为3G,方向向上。⑵若A、B都压缩,对M分析受力如图所示2G2G此时M所受的合力为G,方向向上,则由平衡条件知弹簧C对质点的作用力为G,方向向下。⑶若A伸长、B压缩,对M分析受力如图所示G这种情况M不能静止,此种情况不成立。2G⑷若A压缩、B伸长,这种情况M也不能静止,此种情况不成立。综上所述:C对M的作用力应为3G方向向上和G方向向下。从以上四例中我们可以看出弹簧试题的确是培养、训练2GG学生物理思维和反映、开发学生的学习潜能的优秀试题。弹簧与相连物体构成的系统所表现出来的运动状态的变化,是学生充分运用物理概念和规律(牛顿第二定律、动能定理、机械能守恒定律、动量定理、动量守恒定律)巧妙解决物理问题、施展自身才华的广阔空间,当然也是区分学生能力强弱、拉大差距、选拔人才的一种常规题型。因此,弹簧试题也就成为高考物理的一种重要题型。而且,弹簧试题也就成为高考物理题中一类独具特色的考题。CMAB

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