关于弹簧现象的一个典型模型

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  【摘要】本文从多个角度对弹簧现象的一个典型问题进行了深入的研究。研究结果表明,建立物理模型和灵活地运用物理方法是很重要的。这对新课标形式下的物理教学有一定的意义。
  【关键词】弹簧  加速度  位移
  【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2015)11-0153-01
  一、引言:一个典型模型
  说明:弹簧现象的一个模型,竖直弹簧系两物。注意弹簧有三个重要位置:原长、平衡位置、形变最大处。凡是弹簧问题,先画出原长,之后就会发现问题了。
  如果在弹簧上放一个物体,我们发现,弹簧会被压缩一段,那么压缩量怎么求呢?
  对A,静止,可以求压缩量:mg=kx1,x1=
  另外,很多题目都是向上提起A,提到什么时候为止呢?
  好多题目都有这样的规律:提到B刚要离开地面为止。在这一过程中,我们能得到什么方程呢?提到B刚要离开地面为止,此时B受到的拉力刚好等于自身重力。
  对B,恰好无压力,就可以求出伸长量:Mg=kx2,x2=
  我们发现,这种题,往往是对A求压缩量,对B求伸长量。那么问,A上升的高度为多少?显然,应该是二者相加:h=x1+x2,同时,我们还注意到发生形变的弹簧对系在它两端的物体有等大的力,且都指向形变恢复的方向。这就是我们对弹簧做的一个冷静的思考。在这个基本模型的基础之上,我们就可以编出很多题来。例如下面这道天津卷的考题。
  二、模型的应用
  例题1:(2007年天津卷) 如图所示,在倾角为?兹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。系统处于静止状态,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:在初状态以A为研究对象,可以判断出弹簧是压缩的,压缩量记为x1,对A进行受力分析(如同)A受重力mAg,方向竖直向下,受支持力NA,沿斜面向上有一个弹力FK 。
  对A静止:kx1=mAg sin ?兹,x1=mAg sin ?兹/k(求压缩量)
  对B静止:
  kx2=mBg sin ?兹,x2=mBg sin ?兹/k(求伸长量)
  d=x1+x2=
  对A的动力方程,F-mAg sin ?兹-mBg sin ?兹=mAa,
  a=
  评价:这种题画图时非常重要的,画图可以代替设未知数,以图带动审题,所以请同学记住八个字“以图代设,以图带审”。这是我们应该掌握的,为什么呢?老师画图是为学生明白的,学生画图是为谁明白的?我认为是为两个人明白,一个是为自己明白,另一个是阅卷先生明白,他明白就给分,所以画图很重要。
  例2:如图,以质量为M的木块与水平面接触,木块上方固定有根直立的轻弹簧,弹簧上端系一个质量为m的带电小球(弹簧不带电),在竖直方向上下振动。当加上竖直方向的匀强电场后,在弹簧刚好恢复原长时,小球具有最大速度,当木块对水平地面压力为零时,小球的加速度大小是(C)
  A、      B、    C、     D、
  评价:这道题再一次说明了“翻译”为选择题确定选项提供依据,因此“翻译”是解决物理问题的基本思想方法。
  解:这里有一个极限条件,当v=vmax时,a=0。这里翻译成方程为mg=Eq。
  再把木块对水平面压力为零翻译为方程,为Mg=N,此时对m有:N=Mg=ma,解得a= 。
  例3:如图所示,一质量M的塑料球形容器放在桌面上,它的内部有一劲度系数为k的轻弹簧,弹簧直立地固定于容器内壁的底部,弹簧上端经绝缘物系住一只带正电q、质量为的m小球,从加一个向上的匀强电场E起,到容器对桌面压力减為零时为止,求:
  (1)小球的电势能改变量
  (2)容器对桌面压力减为零时小球的加速度大小。
  解:对m,静止,求压缩量:kx1=mg,x1=
  对M,静止,求伸长量:kx2=Mg,x2=
  两者相加得上升高度:h=x1+x2=
  又电势能的变化等于电场力的功:-△Ep=W电=Eqh,
  ∴-△Ep=
  对m,由牛顿第二定律:Mg+mg-Eq=ma
  ∴a= +g
  三、总结
  对于一些较复杂的题,我们怎样切入呢?就是找我们最熟悉的那一个小模型,我们最熟悉的那个一个小模型,就是我们的切入点。所以难题还是看你的基本模型、基本规律是否能过关。所以从应试的角度来说,我们应该在复习的时候把我们做过的题目进行归纳总结,找到举一反三的“一”,而归纳总结以习题模型为主,这里的一簧系两物就是如此,常见有三招,对A求压缩量,对B求伸长量,两个相加得上升高度h。
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