高考物理答题技巧模型02、含弹簧的物理模型（原卷版）Word（9页）

模型二、含弹簧的物理模型 【模型概述】 纵观历年的高考试题，和弹簧有关的物理试题占有相当大的比重。高考命题者常以弹簧为载体设计出 各类试题，这类试题涉及静力学问题、动力学问题、动量守恒和能量守恒问题、振动问题、功能问题等， 几乎贯穿了整个力学的知识体系，能很好能很好地考查学生的综合分析能力。 【模型特点】 中学物理中的 “弹篑”和“橡皮绳”也是理想化模型，具有如下几个特性: (1)弹力遵循胡克定律F=kx，其中x 是弹簧的形变量。 (2)轻:即弹簧(或橡皮绳)的重力可视为零。 (3)弹簧既能受拉力，也能受压力(沿着弹簧的轴线)，橡皮绳只能受拉力，不能受压力。 (4)由于弹簧和橡皮绳受力时，其形变较大，发生形变需要一段时间，所以弹簧和橡皮绳中的弹力不能 突变。但是，当弹簧和橡皮绳被剪断时，它们产生的弹力立即消失。 【模型解题】 胡克定律、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 【模型训练】 【例1】如图所示，一劲度系数为k、原长为l0的轻弹簧，上端固定在天花板上，下端悬挂一个质量为 m 的小球，小球处于静止状态。弹簧的形变在弹性限度内。已知重力加速度为g。下列判断中正确的是（ ） A．弹簧的伸长量为 B．弹簧的伸长量为 mgk C．弹簧的总长度为l0+ mgk D．弹簧的总长度为 变式1.1 如图所示，将一轻弹簧上端悬挂在天花板上，下端连接物体A，A 下面再用棉线挂一物体 B，A、B 质量相等，g 为当地重力加速度。烧断棉线，下列说法中正确的是（ ） A．烧断棉线瞬间，A 的加速度大小为g B．烧断棉线之后，A 向上一直加速 C．烧断棉线之后，A 在运动中机械能守恒 D．在最高点弹簧弹力等于mg 变式1.2 两根相同的轻弹簧的原长均为l，将两弹簧与两相同物体按如图所示的方式连接并悬挂于天 花板上，静止时两根弹簧的总长为2.6l，现用手托着B 物体，使下面的弹簧2 恢复到原长，则下面说法正 确的有（ ） A．悬挂稳定时弹簧1 的长度为1.2l，弹簧2 的长度为1.4l B．弹簧2 恢复原长时弹簧1 长度为1.4l C．物体A 上升的距离为0.4l D．物体B 上升的距离为0.4l 【例2】如图所示，内壁光滑的半球形容器固定在水平面上。将一轻弹簧的一端固定在半球形容器底 部 处， 为球心。当弹簧另一端与质量为 的小球 相连时，小球 静止于 点。已知 与水平方向 的夹角为 ，则半球形容器对球的支持力和弹簧的弹力分别为（ ） （ ） A． ， B． ， C． ， D． ， 变式2.1 如图所示，质量均为m 的A、B 两球，由一根劲度系数为k 的轻弹簧连接静止于半径为R 的 光滑半球形碗中，弹簧水平，两球间距为R 且球半径远小于碗的半径．则弹簧的原长为（ ） A． ＋R B． ＋R C． ＋R D． ＋R 变式2.2 如图所示，在半径为R 的光滑半球形碗中，一根水平放置的轻弹簧两端连接A、B 两球，两 球静止于半球形碗中。已知A、B 球质量均为m，轻弹簧的劲度系数为k，A、B 两球之间的距离为R，球 的半径远小于碗的半径，求： （1）半球形碗对A 球的支持力大小； （2）弹簧的原长。 【例3】如图所示，质量分别为m1和m2的两块方木中间以轻弹簧相连，在空中设法使弹簧处于自然 长度（即其中没有弹力）后，给它们相同的初速度，向上抛出。在空中时，发现系统始终保持竖直，且弹 簧长度保持自然长度。空气阻力不计。则（ ） A．m1一定等于m2 B．m1一定大于m2 C．m1一定小于m2 D．不能通过该现象判断m1和m2的大小关系 变式3.1 如图所示，一小球从空中下落，从它刚接触弹簧到把弹簧压缩至最短的过程中，若不计空气 阻力，则关于小球能量的变化，下列判断正确的是（ ） A．动能一直减小 B．动能先增加后减小 C．机械能先增加后减小 D．机械能保持不变 变式3.2 如图所示，用轻弹簧将质量均为m=1kg 的物块A 和B 连接起来，将它们固定在空中，弹簧 处于原长状态，A 距地面的高度h1=0.15m．同时释放两物块，设A 与地面碰撞后速度立即变为零，由于B 压缩弹簧后被反弹，使A 刚好能离开地面（但不继续上升）．已知弹簧的劲度系数k=100N/m，取 g=10m/s2．求： （1）物块A 刚到达地面的速度； （2）物块B 反弹到最高点时，弹簧的弹性势能； （3）若将B 物块换为质量为2m 的物块C（图中未画出），仍将它与A 固定在空中且弹簧处于原长， 从A 距地面的高度为h2处同时释放，C 压缩弹簧被反弹后，A 也刚好能离开地面，此时h2的大小． 【例4】如图所示，一质量不计的弹簧原长为x0=12cm，一端固定于质量m=3kg 的物体上，另一端一 水平拉力F。物体与水平面间的动摩擦因数μ=0.225，当弹簧拉长至x1=16.5cm 时，物体恰好向右匀速运动 （设最大静摩擦力与滑动摩擦力相等，弹簧始终在弹性限度内， ）； （1）若将弹簧压缩至x2=8cm，求物体受到的摩擦力大小及方向。 （2）若将弹簧拉长至x3=18cm ，求物体体受到的摩擦力大小及方向。 变式4.1 如图所示，一质量m=3kg 的物体静止在水平面上，物体与水平面间的动摩擦因数 ，原 长 的轻质弹簧一端固定于物体上，另一端施一水平拉力F。已知最大静摩擦力与滑动摩擦力相等， 弹簧始终在弹性限度内，重力加速度g 取 。 （1）当弹簧长度为21cm 时，物体恰好向右匀速运动，求弹簧的劲度系数； （2）当弹簧长度为12cm 时，求物体受到的摩擦力； （3）当弹簧长度为23cm 时，求物体受到的摩擦力。 变式4.2 如图所示，两木块A、B 质量分别为 、 ，中间由水平轻质弹簧相连，弹 簧劲度系数 ，弹簧允许的最大形变量为15cm，水平拉力 作用在木块A 上，系统恰好 在水平面上做匀速直线运动，重力加速度大小g 取 ，已知木块A、B 与水平面间的动摩擦因数相同 且均为μ（大小未知）。求： （1）μ 的值； （2）弹簧的伸长量为多少； （3）若将另一木块C 放置在木块B 上，施加拉力 ，使系统仍做匀速运动（弹簧在弹性限度内）， 拉力 的最大值是多少？木块C 的质量是多少？ 【例5】如图所示，倾角为 的斜面固定在水平地面上，轻弹簧的一端固定在斜面的底端，弹簧处 于原长时另一端与斜面上的点平齐。质量为 的小滑块从斜面上的点由静止下滑，滑块在点接 触弹簧并压缩弹簧到点时开始弹回。已知、间的距离为0.4m，、间的距离为0.2m，弹簧始终处于 弹性限度内，重力加速度 取 ， 取3.87。 （1）若斜面光滑，求滑块运动中弹簧弹性势能的最大值： （2）若滑块第1 次离开弹簧后，沿斜面上升的最高点位于、的中点，求滑块第2 次经过点时的 速度大小。（结果保留3 位有效数字） 变式5.1 如图所示，一轻弹簧一端固定在倾角为θ=37º 的固定斜面的底端，另一端拴住质量为m1=6kg 的物体P，Q 为一质量m2=10kg 的物体，系统处于静止状态，弹簧的压缩量x0=0.16m。现给物体Q 施加一 个方向沿斜面向上的力F，使它从静止开始沿斜面向上做匀加速运动，已知在前0.2s 时间内，F 为变力， 0.2s 以后F 为恒力。已知斜面光滑且足够长，sin37°=0.6，cos37°=0.8，g 取10m/s2求： （1）弹簧的劲度系数k； （2）物体Q 做匀加速运动的加速度大小a； （3）前0.2s 内拉力F 做的功。 变式5.2 如图所示，质量 的物块放在竖直弹簧上端并紧挨着竖直墙壁，水平向左、大小 的力作用在物块上，物块恰好不下滑，此时弹簧的长度 。已知弹簧的劲度系数 、原长 ，物块与竖直墙壁之间的最大静摩擦力等于滑动摩擦力，取重力加速度大小 ，求： （1）弹簧对物块的弹力大小； （2）竖直墙壁对物块的摩擦力大小和方向； （3）物块与竖直墙壁之间的动摩擦因数。 【例6】如图所示，质量为10kg 的物体M 放在倾角为 的固定斜面上，M 与斜面间动摩擦因数 ，M 用平行于斜面的轻绳绕过光滑定滑轮与质量为8kg 的物块m 相连。劲度系数k＝200N/m 的弹 簧与m 相连，也与地面相连，设最大静摩擦力和滑动摩擦力相等，重力加速度取 ，求： （1）若M 静止在斜面上，弹簧伸长量为8cm，求M 所受到的摩擦力； （2）若M 刚要开始运动，求此时弹簧对物块的弹力的大小。 变式6.1 如图所示，质量为m 的小球甲穿过一竖直固定的光滑杆拴在轻弹簧上，质量为4m 的物体乙 用轻绳跨过光滑的定滑轮与小球甲连接，开始用手托住物体乙，轻绳刚好伸直，滑轮左侧绳竖直，右侧绳 与水平方向夹角为 ，某时刻由静止释放物体乙（足够高），经过一段时间小球甲运动到Q 点，O、 Q 两点的连线水平， ，且小球甲在P、Q 两点处时弹簧的弹力大小相等。已知重力加速度为g， ， 。求： （1）弹簧的劲度系数k； （2）小球甲位于Q 点时的速度大小v； （3）在小球甲从P 点上升到PQ 中点的过程中，弹簧弹力做的功W。 变式6.2 如图所示，质量为10kg 的物体M 放在倾角为 的斜面上，M 与斜面间摩擦因数 ，M 用平行于斜面的轻绳绕过光滑定滑轮与质量为5kg 的物块m 相连。劲度系数k＝200N/m 的弹 簧与m 相连，也与地面相连，设最大静摩擦力和滑动摩擦力相等。 （1）若M 静止在斜面上，弹簧伸长量为8cm，求此时绳子上的拉力大小； （2）在第一问的基础上，求M 所受到的摩擦力的大小和方向； （3）若M 刚要开始运动，求此时弹簧弹力的大小。 【例7】如图所示，粗糙水平面 长为 ，与竖直面内半径为 的光滑半圆形轨道在 点相接。质 量为 的物体甲（可视为质点）将弹簧压缩到 点后由静止释放，甲脱离弹簧后，在水平面滑行一段距离 后滑上竖直轨道，并恰好能通过 点。已知甲与水平面间的动摩擦因数 ，重力加速度为 。 （1）求甲通过 点时的速度大小； （2）求弹簧被压缩到 点时的弹性势能； （3）若在 点放置另一个质量为 的物体乙（可视为质点，图中未画出），使甲把弹簧仍然压缩到 点，由静止释放甲，甲、乙发生弹性正碰后，撤去甲，此后乙沿半圆形轨道运动，通过计算说明乙离开 半圆形轨道后将如何运动。 变式7.1 一光滑水平面 与竖直面内的圆形粗糙轨道在B 点相切，轨道半径 ，一个质量 的小物块在A 处压缩一轻质弹簧，弹簧与小物块不拴接。用手挡住小物块不动，此时弹簧弹性势能 。如图所示，放手后小物块向右运动脱离弹簧，沿圆形轨道向上运动恰能通过最高点C，不计空 气阻力， 。求： （1）物块在B 点时半圆轨道对它的支持力大小； （2）小物块从B 到C 过程，阻力做的功 ； （3）小物块离开C 点后落回水平面的位置到B 点的水平距离x。 变式7.2 如图所示，竖直面内、半径为R=1m 的光滑圆弧轨道底端切线水平，与水平传送带 左端B 靠 近，传送带右端C 与一平台靠近，圆弧轨道底端、传送带上表面及平台位于同一水平面，圆弧所对的圆心 角为53°，传送带长为1 m，以v=4 m/s 的恒定速度沿顺时针匀速转动，一轻弹簧放在平台上，弹簧右端固 定在竖直墙上，弹簧处于原长，左端与平台上D 点对 齐，CD 长也为1 m，平台D 点右侧光滑，重力加速 度为g=10m/s2，让质量为1 kg 的物块从圆弧轨道的最高点A 由静止释放，物块第二次滑上传送带后，恰好 能滑到传送带的左端 B 点，不计物块的大小，物块与传送带间的动摩擦因数为0.5. （1）求物块运动到圆弧轨道最底端时对轨道的压力大小； （2）物块第一次到达C 点的速度 （3）物块第一次压缩弹簧，弹簧获得的最大弹性势能是多少？