弹簧与物块的分离问题----教师版

1“弹簧与物块的分离”模型模型建构：两个物体与弹簧组成的系统。两个物体在运动到某一位置时就会分开，那么这个位置就是物体间的分离点。【模型】弹簧与物块的分离【特点】①都要建立动力学方程；②分离条件是：相互作用的弹力FN=0这个问题可以分成两类“模型”：【模型1】水平面上“弹簧与木块的分离”模型如图1，B与弹簧相连，而A、B是紧靠在一起的两个物体，当弹簧原来处于压缩状态，如果地面是光滑的，则物体A、B在向左运动的过程中A、B何时分离。〖解析〗物体应在弹簧的原长处分离。由于水平面光滑，当弹簧从压缩状态回到自然伸长位置时，一直加速运动。当它刚刚回到平衡位置时，物块B受的弹力为阻力，开始减速。而物块A不受外力做匀速直线运动。vA≥vB此时A、B分离。【体验1】但是如果物体与地面之间是不光滑的，题目条件如模型1。试讨论分离条件。〖解析〗假设A、B在某一位置分离，此时刻两物体的相互作用力为零FAB=0同时，两物体的加速度相同。则AAag；BBBkxagm所以()ABgxk讨论：（1）如果A等于B或均为零；x等于零。两物体在O点分离；（2）如果A大于B，x大于零，两物体在O点的右侧分离；（3）如果A小于B，x大于零，两物体的分离点在O点的左侧。〖点评〗两物体分离的条件是：相互间的弹力FN=0等于零；两物体瞬时加速度相等。【模型2】竖直面上“弹簧与木块的分离”模型如图2所示，轻质弹簧上面固定一块质量不计的薄板，在薄板上放重物，用手将重物向下压缩到一定程度后，突然将手撤去，重物何时与木板分离？〖解析〗当物体分离时，物体间的弹力FN=0物块只受重力，物块的加速度为g，木板的加速度也为g弹簧的状态应为原长，即弹簧恢复原长时，二者分离此时物块与薄板有共同的加速度。从动力学的角度可以得到，竖直方向的弹簧类问题两物体的分离点是在弹簧的原长处。模型典案：图1ABO图2mM2【典案1】A、B两木块叠放在竖直轻弹簧上，如图3所示，已知木块A、B质量分别为0.42kg和0.40kg，弹簧的劲度系数k=100N/m，若在木块A上作用一个竖直向上的力F，使A由静止开始以0.5m/s2的加速度竖直向上做匀加速运动（g=10m/s2）（1）使木块A竖直做匀加速运动的过程中，力F的最大值；（2）若木块由静止开始做匀加速运动，直到A、B分离的过程中，弹簧的弹性势能减少了0.248J，求这一过程F对木块做的功。〖解析〗（1）设A、B叠放在弹簧上处于平衡时弹簧的压缩量为x有kx=（mA+mB）g，所以x=（mA+mB）g/k①对A施加向上的F力，分析A、B受力如图4对A：F+FN-mAg=mAa②对B：kx′-FN-mBg=mBa′③可知，当FN≠0时，AB有共同加速度a=a′，由②式知欲使A匀加速运动，随FN减小F增大，当FN=0时，F取得了最大值Fm，即Fm=mA（g+a）=4.41N（2）又当FN=0时，A、B开始分离，由③式知，此时弹簧压缩量kx′=mB（a+g）即x′=mB（a+g）/k④AB共同速度v2=2a（x-x′）⑤由题知，此过程弹性势能减少了WP=EP=0.248J设F做功WF，对这一过程应用动能定理或功能原理WF+EP-（mA+mB）g（x-x′）=21（mA+mB）v2⑥联立①④⑤⑥，且注意到EP=0.248J可知，WF=9.64×10-2J〖点评〗此题命题意图是考查对物理过程、状态的综合分析能力。难点和失分点在于能否通过对此物理过程的分析后，确定两物体分离的临界点，即当弹簧作用下的两物体加速度、速度相同且相互作用的弹力FN=0时，恰好分离。【案例2】如图5所示，轻弹簧上端固定，下端连接一质量为m的重物，先由托盘托住m，使弹簧比自然长度缩短L，然后由静止开始以加速度a匀加速向下运动。已知ag，弹簧劲度系数为k，求经过多少时间托盘M将与m分开？【解析】当托盘与重物分离的瞬间，托盘与重物虽接触但无相互作用力，此时重物只受到重力和弹簧的作用力在这两个力的作用下，当重物的加速度也为a时，重物与托盘恰好分离。由于ag，故此时弹簧必为伸长状态。mMam图5图3图43然后由牛顿第二定律和运动学公式求解：根据牛顿第二定律得：mgkxma①由①得：xmgak由运动学公式有：212Lxat②联立①②式有：212kLmgaatk③解得：2kLmgaxka〖点评〗本题属于牛顿运动定律中的临界状态问题。求解本类题型的关键是找出临界条件，同时还要能从宏观上把握其运动过程，分析出分离瞬间弹簧的状态。我们还可这样探索：若将此题条件改为ag，情况又如何呢？【典例3】如图6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、和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。[解析]（1）A原静止时，设弹簧压缩x1，由受力平衡和胡克定律有：kx1=mg------------①物体A向上做匀加速运动，开始时弹簧的压缩形变量最大，向上的弹力最大，则所需外力F最小，设为F1由牛顿第二定律：F1+kx1—mg=ma-----------②当B刚要离地时，弹簧由缩短变为伸长，此时弹力变为向下拉A，则所需外力F最大，设为F2对B：kx2=mg------------③对A：F2-kx2-mg=ma-----------④由位移公式对A有：22121atxx----------⑤又t=0.4s------⑥由①②③④⑤⑥可得：a=3.75m/s2F1=45NF2=285N（2）0.4s末的速度：v=at=3.75×0.4m/s=1.5m/s对A全程由动能定理得：WF－mg(x1+x2)=mv2图64解得：WF=49.5J也可用能量守恒求解：在力作用的0.4s内，在初末状态有x1=x2，所以弹性势能相等，由能量守恒知，外力做了功，将其它形式的能转化为系统的重力势能和动能。即：【典案4】如图7质量为mA=10kg的物块A与质量为mB=2kg的物块放在倾角为300光滑斜面上，处于静止状态，轻弹簧一端与物块B连接，另一端与固定档板连接，弹簧的劲度系数为K=400N/m，现给物块A施加一个平行与斜面向上的力F，使物块A沿斜面向上做匀加速直线运动，已知力F在前0.2s内是变力，0.2s后为恒力，求力F的最大值和最小值。（g=10m/s2）【解析】原系统处于静止状态，则M与m受合外力为零,设此时弹簧压缩量为xo即：(m+M)gsin300=kx0则：x0=0.15m由静止开始向上匀加速运动，m与M在0～0.2S内整体向上有共同的加速度a．设经时间为t，则在t内m与M上升位移为S：S=21at2①在0～0.2S内以m与M为整体：F+K(X0-S)-(m+M)gsin300=(m+M)a②当t=0.2s时s=21a×(0.2)2=0.02a③由①、②、③得：F+(0.15-O.02a)×400-60=(m+M)a④分析可知在0.2s后F为恒力，此状况只有m与M分离可存在在ｔ＝0.2ｓ后，对ｍ有：Ｆ－ｍｇsin300＝ｍａ，（此时力Ｆ也为ｔ＝0.2ｓ瞬间的力）Ｆ＝（ｇ/2＋ａ）ｍ⑤由④⑤得：ａ＝5ｍ／ｓ２．分析可知Ｆ最小力应是在ｔ＝０时，即：Ｆmin=(m+M)a=(2+10)×5=60N在t=0.2s以后力有最大值即：Fmax=(g/2+a)×m=(10/2+5)×10=100N【典案5】质量为M=6Kg的小车放在光滑的水平面上，物块A和B的质量均为m=2Kg且均放在小车的光滑水平底板上，物块A和小车右侧壁用一根轻弹簧连接，不会分离，如图8所示，物块A和B并排靠在一起，现用力向右压B并保持小车静止，使弹簧处于压缩状态，在此过程中外力做功270J。撤去外力，当A和B分开后，在A达到小车底板的最左端位置之前，B已从小车左端抛出，求：（1）B与A分离时，小车的速度多大？（2）从撤去外力至B与A分离时，A对B做了多少功？（3）假设弹簧伸到最长时B已离开小车。A仍在车上，则此时弹簧的弹性势能是多大？〖解析〗（１）分析可知A、B分离时应在弹簧恢复为原长时，此时AB有共同速度为图7图85v1，设车速为v2，接触面均光滑，动量守恒，取向右为正，Ｏ＝Ｍv2－２ｍv1①又机械能守恒：ＥP＝2221Mv＋21221mv②由①②得：v1＝9m/s，v2＝6m/s③（２）A对B做的功应为Ｂ的动能增量：ＷB＝ＥBK＝2121mv-0＝81J④（３）A与B分离后，A的速度不变，弹力对Ａ与Ｍ作负功。弹簧最长时，令Ａ的速度为ｖ３，A与M有共同速度，动量再次守恒，有：取向右为正：Ｍv2－ｍv1＝（Ｍ＋ｍ）v3⑤第二次机械能守恒：2321vmM＋ＥＰ／＝189J⑥由③⑤⑥得：/PE＝168.75Ｊ模型体验：【体验1】用木板托住物体m，并使得与m连接的弹簧处于原长，手持木板M向下以加速度a（ag）做匀加速运动，如图9。求物体m与木板一起做匀加速运动的时间。〖解析〗m在与M一起向下做匀加速运动过程中，m受到弹簧的弹力不断增大，板M对m的支持力不断减小，重力保持不变。m与板M分离的条件为板M对m的支持力FN恰好为零，且此时m与M运动的加速度恰还相等。设：m与M分离经历t时间，弹簧伸长为x：mg－kx＝ma解得：x＝kagm)(又因为：x＝21at2所以t＝aagm)(2【体验2】如图10所示，轻质弹簧上面固定一块质量不计的薄板，在薄板上放重物，用手将重物向下压缩到一定程度后，突然将手撤去，则重物将被弹簧弹射出去，则在弹射过程中(重物与弹簧脱离之前)重物的运动情况是()A.一直加速运动B．匀加速运动C.先加速运动后减速运动D．先减速运动后加速运动【解析】物体的运动状态的改变取决于所受合外力．所以，对物体进行准确的受力分析是解决此题的关键，物体在整个运动过程中受到重力和弹簧弹力的作用．刚放手时，弹力大于重力，合力向上，物体向上加速运动，但随着物体上移，弹簧形变量变小，弹力随之变小，合力减小，加速度减小；当弹力减至与重力相等的瞬间，合力为零，加速度为零，此时物体的速度最大；此后，弹力继续减小，物体受到的合力向下，物体做减速运动，当弹簧恢复原a图9图10图116长时，二者分离．正确答案：C【体验3】如图11所示，一根轻质弹簧两端与质量分别为m1和m2的木块相连，竖直放置在水平地面上。问：至少要向下压多大的力F于m1上，才可以使突然撤去外力F后m2恰好离开地面？〖解析〗m2恰好离开地面的临界条件是弹簧比原长再伸长x2，且kx2=m2g和m1速度为零。设未加压力F时，弹簧的压缩量为x0；加压力F时，弹簧的压缩量为x1，则：kx0=m1gkx1=F+m1g应用简谐运动的对称性求解：m2不离开地面，m1做简谐运动，则振幅：A=x1－x0=x0+x2所以x1=x2+2x0=kgmkgm122加压力F时，F+m1g=kx1∴F=kx1－m1g=(m1+m2)g[点评]物体与弹簧组成的系统做简谐运动时，具有明显的对称性，这类题一般用对称性来求解会简单得多。【体验4】如图所示，质量为m的物体A用一轻弹簧与下方地面上质量也为m的物体B相连，开始时A和B均处于静止状态，此时弹簧压缩量为x0，一条不可伸长的轻绳绕过轻滑轮，一端连接物体A、另一端C握在手中，各段绳均处于刚好伸直状态，A上方的一段绳子沿竖直方向且足够长。现在C端施水平恒力F而使A从静止开始向上运动。（整个过程弹簧始终处在弹性限度以内）（1）如果在C端所施恒力大小为3mg，则在B物块刚要离开地面时A的速度为多大？（2）若将B的质量增加到2m，为了保证运动中B始终不离开地面，则F最大不超过多少？〖解析〗由题意可知：弹簧开始的压缩量0mgxk，在B物块刚要离开地面时弹簧的伸长量也是0mgxk（1）若F=3mg，在弹簧伸长到x0时，B开始离开地面，此时弹簧弹性势能与施