弹簧弹力作用下的“力与运动的关系”问题例析

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  “力与运动的关系”是牛顿第二定律的核心内容,而含弹簧的动态运动问题学生往往容易出错,下面主要以竖直弹簧动态运动问题和水平弹簧动态运动问题为例,进行分析。
  一、竖直弹簧动态运动问题
  图1例1如图1所示,一物块从某一高度自由落下,落在竖立于地面的轻弹簧上。物块在A处开始与弹簧接触,到B处时物块速度为零,然后被弹回。下列说法正确的是()。
  A.物块从A处下降到B处的过程中,速率不断减小
  B.物块从B处上升到A处的过程中,速率不断增大
  C.物块在B处时,所受合力为零
  D.物块从A处下降到B处的过程中速率先增大,后减小
  解析:物块在A处与弹簧接触后,物块所受合力与加速度关系为mg-kx=ma,刚开始一段时间内弹簧对物块的支持力FN=kx比重力mg小,物块所受的合外力方向竖直向下,与速度方向相同,物块竖直向下做加速运动,速度不断增大,选项A错误。随着物块向下运动,x不断增大,合外力减小,加速度减小,当FN=mg时,加速度为零,速度最大;之后物块继续压缩弹簧,x继续增大,FN>mg,合外力方向改为竖直向上,与速度方向相反,物块竖直向下做减速运动,到B处时速度为零,即物块从A处下降到B处的过程中,先加速后减速,物块速度先增大后减小,选项D正确。物块在B处时,所受合力最大,选项C错误。物块从A处下降到B处与从B处上升到A处互为逆运动,即物块从B处上升到A处的过程中速率先增大,后减小,选项B错误。答案D。
  二、水平弹簧动态运动问题
  图2例2一皮带传送装置如图2所示,皮带的速度v足够大,轻弹簧一端固定,另一端连接一个质量为m的滑块,已知滑块与皮带之间存在摩擦,当滑块放在皮带上时,弹簧的轴线恰好水平,若滑块放到皮带的瞬间,滑块的速度为零,且弹簧正好处于自然长度,则当弹簧从自然长度到第一次达最长这一过程中,滑块的速度和加速度变化的情况是()。
  A.速度增大,加速度增大
  B.速度增大,加速度减小
  C.速度先增大后减小,加速度先增大后减小
  D.速度先增大后减小,加速度先减小后增大
  解析:滑块在水平方向受向左的滑动摩擦力Ff和弹簧向右的拉力F拉=kx,合力F合=Ff-F拉=ma,当弹簧从自然长度到第一次达最长这一过程中,x逐渐增大,拉力F拉逐渐增大,因为皮带的速度v足够大,所以合力F合先减小后反向增大,从而加速度a先减小后反向增大;滑动摩擦力与弹簧弹力相等之前,加速度与速度同向,滑动摩擦力与弹簧拉力相等之后,加速度便与速度方向相反,故滑块的速度先增大,后减小。答案D。
  三、弹簧弹力作用下的动态运动问题的基本处理方法
  无论是竖直弹簧动态运动问题,还是水平弹簧动态运动问题,在处理时宜采用“逐段分析法”与“临界分析法”相结合。
  (1)合外力为零的点即加速度为零的点,是加速度方向发生改变的点,在该点物体的速度具有极值。
  (2)速度为零的点,是物体运动方向(速度方向)发生改变的转折点。
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