备战2024年高考物理一轮重难点复习突破二、弹簧模型（解析版）

突破二、弹簧模型静力学中的弹簧模型静力学中的弹簧模型一般指与弹簧相连的物体在弹簧弹力和其他力的共同作用下处于平衡状态的问题，涉及的知识主要有胡克定律、物体的平衡条件等，难度中等偏下。【例题】如图所示，粗糙的水平地面上放着一个质量为M、倾角为θ的斜面体，斜面部分光滑，底面与水平地面间的动摩擦因数为μ，轻质弹簧一端与固定在斜面上的轻质挡板相连，另一端连接一质量为m的小球，弹簧的劲度系数为k。斜面体在水平向右的恒力F作用下，和小球一起以加速度a向右做匀加速直线运动（运动过程小球没离开斜面）。重力加速度为g，以下说法正确的是（ ）A．水平恒力大小为（M＋m）a B．地面对斜面体的摩擦力为μ（M＋m）gC．弹簧的形变量为 D．斜面对小球的支持力为mgcosθ＋masinθ【答案】B【详解】AB．将小球和斜面看成整体进行受力分析可知又故水平恒力大小为地面对斜面体的摩擦力为A错误，B正确；CD．对小球进行受力分析可知解得根据胡克定律可知弹簧的形变量为CD错误。故选B。【总结归纳】(1)弹簧的最大形变量对应弹簧弹力的最大值。(2)当木块刚好不上滑时所受静摩擦力达到最大值，此时弹簧弹力最大。 【分类训练】类型1 形变情况已知的弹簧模型1．木块A、B重力分别为50N和60N，它们与水平地面之间的动摩擦因数均为0.25，夹在A、B之间的轻弹簧被压缩了2cm，弹簧的劲度系数为400N/m，系统置于水平地面上静止不动．假设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，现用F＝2N的水平拉力作用在木块B上，如图所示，则F作用后木块A、B所受摩擦力的大小分别为(弹簧始终在弹性限度内)（ ）A．8N,10N B．8N,15NC．10N,8N D．10N,15N【答案】A【详解】由题意可知，木块A和木块B受到的最大静摩擦力分别为弹簧对木块A、B的弹力为系统置于水平地面上静止不动，对木块A受力分析,在X轴方向有木块A所受摩擦力方向水平向右,故CD不符合题意；系统置于水平地面上静止不动，又对木块B受力分析,在X轴方向有木块B所受摩擦力方向水平向左,故BCD不符合题意，A正确。故选A。类型2 形变情况未知的弹簧模型如图所示，原长分别为和、劲度系数分别为和的轻质弹簧竖直的悬挂在天花板下，两弹簧之间有一质量为的物体，最下端悬挂着质量为的另一物体，整个装置处于静止状态。现用一个平板把下面的物体竖直地缓缓向上托起，直到两个弹簧的总长度等于两弹簧的原长之和，这时平板受到下面的物体的压力大小是（ ）A． B．C． D．【答案】B【详解】根据题意可知，用平板托起稳定后，上面的弹簧处于拉伸状态，下面的弹簧处于压缩状态，并且两弹簧的形变量相同，则有，联立解得根据牛顿第三定律得，平板受到下面的物体的压力大小是。故选B。动力学中的弹簧模型动力学中的弹簧模型主要涉及关联物体在弹簧作用下的运动，该运动过程中弹簧的弹力往往是变力，物体的加速度、速度等物理量均与弹簧的形变量有关，试题难度中等。) 【例题】如图所示，一水平轻弹簧左端固定在竖直墙壁上，右端与放在水平地面上的物体A相连，物体B靠在A的右侧，弹簧处于原长状态。现用力F压物体B使弹簧缓慢压缩了后撤去力F。已知弹簧的劲度系数，A的质量为，B的质量为，地面与A、B两物体间的动摩擦因数。下列说法中正确的是（ ）A．F撤去瞬间，A的加速度为B．F撤去瞬间，A对B的作用力大小为5NC．F撤去后，B向右运动了10.5cm时与A分离D．F撤去后，B向右运动了3cm时的速度最大【答案】B【详解】A．撤去F的瞬间，弹簧弹力不会发生突变，根据牛顿第二定律得A的加速度为解得故A错误；B．F撤去瞬间对物体B由牛顿第二定律得解得A对B的作用力大小为故B正确；C．F撤去后，弹簧恢复原长时AB分离，即B向右运动了7.5cm，故C错误；D．F撤去后，当B的加速度为零时速度最大，即解得F撤去后，B向右运动的距离为故D错误。故选B。【总结归纳】(1)木板B与砝码A脱离瞬间弹簧不一定处于自然伸长状态。(2)物体间脱离的标志是相互作用力为零，此时两物体的加速度、速度均相同。 【分类训练】类型1 与弹簧相连的物体间作用力变化分析1．如图所示，在光滑水平面上有一物体，它的左端连一弹簧，弹簧的另一端固定在墙上，在力F的作用下物体处于静止状态，当撤去力F后，物体将向右运动。在物体向右运动的过程中，下列说法正确的是（ ）A．弹簧的弹性势能逐渐减小B．弹簧的弹性势能逐渐增大C．弹簧的弹性势能先增大后减小D．弹簧的弹性势能先减小后增大【答案】D【详解】由于在力F的作用下物体处于静止状态，此时弹簧处于压缩状态，撤去F后，物体在向右运动的过程中，弹簧的弹力对物体先做正功后做负功，所以弹簧的弹性势能先减小后增大。故选D。类型2与弹簧相连的物体速度与加速度变化分析2．如图所示，轻弹簧一端固定，另一端自由伸长时恰好到达O点，将质量为m（视为质点）的物体P与弹簧连接，并将弹簧压缩到A由静止释放物体后，物体将沿水平面运动。若物体与水平面的摩擦力不能忽略，则关于物体运动的下列说法中正确的是（ ）A．从A到O速度先增大后减小，从O到B速度不断减小B．从A到O速度不断增大，从O到B速度不断减小C．从A到O加速度不断减小，从O到B加速度先减小后增大D．从A到O加速度不断减小，从O到B加速度不断增大【答案】A【详解】AB．从A到O物块受合力先减小后反向增加，所以速度先加速后减速，从O到B受到的合外力始终朝左，所以速度不断减小。故选项A正确，选项B错误；CD．从A到O加速度先减小后增加，从O到B加速度一直增加，故选项CD错误，故选A。与动量、能量有关的弹簧模型与动量、能量有关的弹簧模型常涉及碰撞问题和弹簧弹力做功问题，因弹力为变力，一般不直接用功的定义式确定其功的大小，因此，常应用动能定理、机械能守恒定律或能量守恒定律来间接求解弹力做功或弹性势能。【例题】如图所示，光滑水平桌面上的小滑块P和Q都可视为质点，设Q的质量为m，P的质量是Q质量的3倍。Q与水平轻弹簧相连，开始Q静止，P以一初速度向Q运动并与弹簧发生碰撞。当弹簧的弹性势能最大时（ ）A．Q的动能为P动能的B．P的速度为C．P、Q的动能之和为D．弹簧具有的弹性势能等于【答案】C【详解】B．P、Q系统在水平方向上不受外力，动量守恒，当两者速度相等时，弹性势最大。由动量守恒定律得解得故B错误；A．弹性势能最大时，Q的动能为P的动能为则Q的动能为P动能的故A错误；C．P、Q的动能之和为故C正确；D．弹簧具有的弹性势能故D错误。故选C。【总结归纳】(1)两物体发生完全非弹性碰撞时，系统动能损失最大。(2)因碰撞时间极短，碰撞瞬间物体并没有发生明显位移，即与物体相连的弹簧形变量没有发生变化，故系统碰撞损失的动能并没有转化为弹性势能。 【分类训练】类型1 功能关系中的弹簧模型1．如图所示，半径m的光滑圆环沿竖直方向固定放置，为圆心，A为圆环最高点。轻弹簧劲度系数，一端固定在A点，另一端与穿在圆环上的小球连接。弹簧原长时，小球位于点，弹簧与竖直直径成53°角。静止释放小球，当小球运动至点时，其速度达到最大，速度值为，此时弹簧与竖直直径成37°角。重力加速度，，，计算结果均取一位小数，下列说法正确的是（ ）A．小球的质量为1.5kg B．小球由至，其重力势能减少了4.9JC．小球由至，其机械能减少了6.8J D．小球由至，其机械能减少了1.5J【答案】B【详解】A．由题意可知小球运动至C点时所受合外力为零，如图所示，根据胡克定律可知此时弹簧弹力大小为根据力的矢量三角形与几何三角形相似可知解得小球的质量为故A错误；B．小球由至，其重力势能的减少量为故B正确；CD．小球由B至C，设除重力之外的力对小球做功的代数和为W，根据动能定理有解得根据功能关系可知小球机械能减少了3.4J，故CD错误。故选B。类型2动量关系中的弹簧模型2．如图所示，质量均为m的A、B两物体通过劲度系数为k的轻质弹簧拴接在一起竖直放置在水平地面上，物体A处于静止状态。在A的正上方h高处有一质量也为m的小球C。现将小球C由静止释放，C与A发生碰撞后立刻粘在一起，弹簧始终在弹性限度内，忽略空气阻力，重力加速度为g。下列说法正确的是（   ）A．C与A碰撞后A最大速度的大小为B．C与A碰撞过程中，A、C组成的系统损失的机械能为C．C与A碰撞后弹簧的最大弹性势能为D．要使碰后物体B被拉离地面，h至少为【答案】D【详解】A．C与A碰撞前瞬间，根据自由落体的规律有C与A碰撞，动量守恒，有解得之后，由于AC的总重力大于弹簧的弹力，AC将向下加速，所以A的最大速度将大于，A错误；B．损失的机械能为B错误；C．C与A碰撞后，AC速度减小到零时，弹簧的弹性势能最大，根据能量守恒得E0为初始的弹性势能，C错误；D．AC碰后至反弹到最高点，要使碰后物体B被拉离地面，弹簧拉力至少为B的重力，即弹簧形变与碰前的一样，但是弹簧处于拉伸状态，AC的动能转化为重力势能，有碰前，对A有解得D正确。故选D。一、单选题1．如图所示，轻质弹簧一端固定在水平天花板上，另一端与一小球相连，再对小球施加一个拉力F使小球处于平衡状态。现保持拉力F大小不变，方向沿顺时针缓慢转至水平，此过程中弹簧的长度将（弹簧始终处在弹性限度内）（ ）A．先减小后增大 B．先增大后减小 C．减小 D．增大【答案】D【详解】根据题意，对小球受力分析，如图所示保持拉力F大小不变，方向缓慢转至水平过程中，由矢量三角形可得，弹簧弹力逐渐增大，弹簧长度逐渐增大。故选D。2．如图所示，长木板A置于水平地面上，其左端有固定的立柱，物块B叠放在A上。立柱与B之间有轻弹簧连接，水平向左的力F作用在物块B上。若力F逐渐增大，但各物体仍处于静止状态，则在此过程中（ ）A．木板A上、下表面所受摩擦力的合力不变B．物块B所受的摩擦力逐渐增大C．物块B所受的摩擦力始终向右D．弹簧的弹力逐渐增大【答案】A【详解】BC．初始时，弹簧处于拉伸还是压缩状态未知，逐渐增大力F，物块B所受的摩擦力可能增大也可能减小，方向可能向右也可能向左，故BC错误；D．各物体仍处于静止状态，弹簧长度不变，弹簧的弹力不变，故D错误；A．木板A上、下表面所受摩擦力的合力大小等于弹簧弹力，不变，故A正确。故选A。3．如图，粗糙水平地面上一小车在外力作用下向右做匀速直线运动。一轻弹簧的一端与车厢的挡板相连，另一端与滑块相连，弹簧处于压缩状态，滑块与车厢的水平底板间有摩擦。小车与滑块始终相对静止，一起在水平地面上做匀速直线运动。在地面参考系（可视为惯性系）中，小车、弹簧和滑块组成的系统（ ）A．动量守恒，机械能总量保持不变B．动量守恒，机械能总量发生改变C．动量不守恒，机械能总量保持不变D．动量不守恒，机械能总量发生改变【答案】A【详解】根据题意可知，小车、弹簧和滑块组成的系统所受合外力为零，则系统的动量守恒，整个系统在水平地面上做匀速直线运动，系统的动能和重力势能都不变，物块与小车保持相对静止，弹簧的形变量不变，弹簧的弹性势能不变，则系统的机械能总量保持不变。故选A。4．如图所示，连在一起的两段轻弹簧竖直放置，弹簧的劲度系数分别为和，重力加速度为。当弹簧处于原长状态时，把质量为的重物轻轻放在弹簧上面，当重物所受的合力为零时，重物下降的距离为（ ）A． B． C． D．【答案】D【详解】重物静止时，对于上、下两段弹簧，分别满足则重物下降的距离为综合以上分析D正确，ABC错误。故选D。5．如图所示，两个弹簧的质量不计，劲度系数分别为k1、k2，它们一端固定在质量为m的物体上，另一端分别固定在平面Q、P上，当物体平衡时上面的弹簧处于原长，若把固定的物体换为质量为2m的物体（弹簧均在弹性限度内），当物体再次平衡时，物体比第一次平衡时的位置下降了x，则x为（重力加速度为g）（ ）A． B．C． D．【答案】A【详解】当物体的质量为m时，下方弹簧被压缩的长度为当物体的质量变为2m时，设物体下降的高度为x，则上方弹簧伸长的长度为x，下方弹簧被压缩的长度为，两弹簧弹力之和等于2mg，由胡克定律和平衡条件得联立解得故选A。6．如