高考物理培优讲堂弹簧类问题

1、高考物理培优讲堂 弹簧类问题常见弹簧类问题归类剖析一、“轻弹簧”类问题簧轻弹簧中各部分间的张力处处相等，均等于弹簧两端的受力. 【例1】如图1所示，一个弹簧秤放在光滑的水平面上，外壳质量不能忽略，弹簧及挂钩质量不计，施加水平方向的力、，且，则弹簧秤沿水平方向的加速度为 ，弹簧秤的读数为 .图1【 】二、质量不可忽略的弹簧图2【例2】如图2所示，一质量为、长为的均质弹簧平放在光滑的水平面,在弹簧右端施加一水平力使弹簧向右做加速运动.试分析弹簧上各部分的受力情况.【】三、弹簧长度的变化问题（胡克定律的理解与应用）图 3 弹簧受力的变化与弹簧长度的变化也同样遵循胡克定律，此时表示的物理意义是弹簧长度

2、的改变量，并不是形变量.【例3】如图3所示，劲度系数为的轻质弹簧两端分别与质量为、的物块1、2拴接，劲度系数为的轻质弹簧上端与物块2拴接，下端压在桌面上(不拴接)，整个系统处于平衡状态.现将物块1缓慢地竖直上提，直到下面那个弹簧的下端刚脱离桌面.在此过程中，物块2的重力势能增加了 ,物块1的重力势能增加了 .【 】四、与物体平衡相关的弹簧问题 【例4】（山东卷）如图所示，用完全相同的轻弹簧A、B、C将两个相同的小球连接并悬挂，小球处于静止状态，弹簧A与竖直方向的夹角为30o，弹簧C水平，则弹簧A、C的伸长量之比为A B. C. 1:2 D. 2:1五、与动力学相关的弹簧问题 【例5】如图所示，

3、一轻质弹簧竖直放在水平地面上，小球A由弹簧正上方某高度自由落下，与弹簧接触后，开始压缩弹簧，设此过程中弹簧始终服从胡克定律，那么在小球压缩弹簧的过程中，以下说法中正确的是( ) A.小球加速度方向始终向上B.小球加速度方向始终向下C.小球加速度方向先向下后向上D.小球加速度方向先向上后向下六、弹簧弹力瞬时问题（弹簧的弹力不能突变）【例6】如图6所示，木块与用轻弹簧相连，竖直放在木块上，三者静置于地面，的质量之比是1:2:3.设所有接触面都光滑，当沿水平方向迅速抽出木块的瞬时，木块和的加速度分别是= 与= 【0 ，】七、与弹簧相关的图像问题【例7】一根大弹簧内套一根小弹簧，大弹簧比小弹簧长0.2

4、m，它们的一端固定，另一端自由，弹力与形变量的关系如图所示，求这两根弹簧的劲度系数k1(大弹簧)和k2(小弹簧)分别为多少?【 k1=100N/m k2=200N/m) 】八、弹簧形变量可以代表物体的位移图 8【例8】如图8所示，在倾角为的光滑斜面上有两个用轻质弹簧相连接的物块，其质量分别为，弹簧的劲度系数为,为一固定挡板，系统处于静止状态,现开始用一恒力沿斜面方向拉使之向上运动，求刚要离开时的加速度和从开始到此时的位移(重力加速度为). 【 】九、最大转速和最小转速问题【例9】 有一水平放置的圆盘，上面放一个劲度系数为k的轻弹簧，其一端固定于轴O上，另一端系着质量为m的物体A，物体A与盘面间

5、最大静摩擦力为Ffm，弹簧原长为L，现将弹簧伸长后置于旋转的桌面上，如图所示，问：要使物体相对于桌面静止，圆盘转速n的最大值和最小值各是多少？【】 拓展：若盘面光滑，弹簧的原长为L0，当盘以W匀角速度转动时，弹簧的伸长量为多少？【】 十、弹力变化的运动过程分析（弹簧振子振动模型）【例10】如图10所示，质量为的物体用一轻弹簧与下方地面上质量也为的物体相连，开始时和均处于静止状态，此时弹簧压缩量为，一条不可伸长的轻绳绕过轻滑轮，一端连接物体、另一端握在手中，各段绳均刚好处于伸直状态，物体上方的一段绳子沿竖直方向且足够长.现在端施加水平恒力使物体从静止开始向上运动.(整个过程弹簧始终处在弹性限度以

6、内). (1)如果在端所施加的恒力大小为，则在物体刚要离开地面时物体的速度为多大?图 10(2)若将物体的质量增加到，为了保证运动中物体始终不离开地面，则最大不超过多少?(此问自主招生选做)【答案】 说明: 区别原长位置与平衡位置.和原长位置对应的形变量与弹力大小、方向、弹性势能相关,和平衡位置对应的位移量与回复大小、方向、速度、加速度相关.十一与弹簧相关的临界问题 两物体分离之前加速度与速度均相同，刚分离时二者之间弹力为零。【例11】如图11所示，两木块叠放在竖直轻弹簧上，已知木块的质量分别为和，弹簧的劲度系数，若在上作用一个竖直向上的力,使由静止开始以的加速度竖直向上做匀加速运动（）求：

7、(1) 使木块竖直做匀加速运动的过程中，力的最大值; 图 11(2)若木块由静止开始做匀加速运动，直到分离的过程中，弹簧的弹性势能减少了，求这一过程中对木块做的功. 【 】十二、弹力做功与弹性势能的变化问题弹簧势能公式高考中不作定量要求，弹簧在相等形变量时所具有的弹性势能相等一般是考试热点.弹簧弹力做功的四种求解方法:(1)因该变力为线性变化，可以先求平均力，再用功的定义进行计算;(2)利用图线所包围的面积大小求解;(3)用微元法计算每一小段位移做功，再累加求和;(4)根据动能定理、能量转化和守恒定律求解.【例12】如图12所示，挡板固定在足够高的水平桌面上，物块和大小可忽略，它们分别带有和的

8、电荷量，质量分别为和.两物块由绝缘的轻弹簧相连，一个不可伸长的轻绳跨过滑轮，一端与连接，另一端连接轻质小钩.整个装置处于场强为、方向水平向左的匀强电场中，、开始时静止，已知弹簧的劲度系数为,不计一切摩擦及、间的库仑力, 、所带电荷量保持不变，不会碰到滑轮. 图 12(1)若在小钩上挂质量为的物块并由静止释放，可使物块对挡板的压力恰为零，但不会离开,求物块下降的最大距离.(2)若的质量为,则当刚离开挡板时, 的速度多大?【 】十三、弹簧弹力的双向性【例13】如图13所示，质量为的质点与三根相同的轻弹簧相连，静止时相邻两弹簧间的夹角均为，已知弹簧对质点的作用力均为，则弹簧对质点作用力的大小可能为

9、( )图 13A B C D十四、弹簧串、并联组合弹簧串联或并联后劲度系数会发生变化，高中物理不要求用公式定量分析，但弹簧串并联的特点要掌握:弹簧串联时，每根弹簧的弹力相等;原长相同的弹簧并联时，每根弹簧的形变量相等.【例14】 如图14所示，两个劲度系数分别为的轻弹簧竖直悬挂，下端用光滑细绳连接，并有一光滑的轻滑轮放在细线上;滑轮下端挂一重为的物体后滑轮下降，求滑轮静止后重物下降的距离.图14【】图15十五、通电的弹簧（线圈）【例15】如图15所示装置中，将金属弹簧的上端固定，下端恰好浸入水银，水银与电源负极相连，弹簧上端通过开关与电源正极相连.当接通开关后，弹簧的运动情况如何?十六、物体沿

10、弹簧螺旋运动图16【例16】如图16所示，长度为的光滑钢丝绕成高度为的弹簧，将弹簧竖直放置.一中间有孔的小球穿过钢丝并从弹簧的最高点由静止释放，求经多长时间小球沿弹簧滑到最低点.【】十七、生产和生活中的弹簧【例17】如图17所示表示某同学在科技活动中自制的电子秤原理，利用电压表示数来指示物体质量，托盘与电阻可忽略的弹簧相连，托盘与弹簧的质量均不计，滑动变阻器的滑动头与弹簧上端连接;当托盘中没放物体且闭合时，电压表示数为零.设变阻器的总电阻为、总长度为，电源电动势为、内阻为，限流电阻阻值为，弹簧劲度系数为，不计一切摩擦和其他阻力.(1)推导出电压表示数与所称物体质量的关系式.图 17(2)由(1

11、)结果可知，电压表示数与待测物体质量不成正比、不便于进行刻度.为使电压表示数与待测物体质量成正比，请利用原有器材进行改进并完成电路原理图，推导出电压表示数与待测物体质量的关系式.【 改进后的电路如图18所示】图 18牛刀小试1. 如图所示，四个完全相同的弹簧都处于水平位置，它们的右端受到大小皆为F的拉力作用，而左端的情况各不相同：弹簧的左端固定在墙上； 弹簧的左端受大小也为F的拉力作用；弹簧的左端拴一小物块，物块在光滑的桌面上滑动；弹簧的左端拴一小物块，物块在有摩擦的桌面上滑动若认为弹簧质量都为零，以L1、L2、L3、L4依次表示四个弹簧的伸长量，则有( )AL2>L1 BL4>L

12、3 CL1>L3 DL2L42.（山东卷）如图2所示，质量分别为两个物体通过轻弹簧连接，在力的作用下一起沿水平方向做匀速直线运动（在地面，在空中），力与水平方向成角则所受支持力和摩擦力正确的是（ ）ABCD3.如图所示，在水平板左端有一固定挡板，挡板上连接一轻质弹簧。紧贴弹簧放一质量为m的滑块，此时弹簧处于自然长度。已知滑块与挡板的动摩擦因数及最大静摩擦因数均为。现将板的右端缓慢抬起使板与水平面间的夹角为，最后直到板竖直，此过程中弹簧弹力的大小F随夹角的变化关系可能是图中的（ C ） 4.如图所示，一轻质弹簧一端系在墙上的O点，自由伸长到B点今用一小物体m把弹簧压缩到A点，然后释放，小物

13、体能运动到C点静止，物体与水平地面间的动摩擦因数恒定，试判断下列说法正确的是 ( )A.物体从A到B速度越来越大，从B到C速度越来越小B.物体从A到B速度越来越小，从B到C加速度不变C.物体从A到B先加速后减速，从B一直减速运动D.物体在B点受到的合外力为零 5.如图所示，一轻质弹簧一端与墙相连，另一端与一物体接触，当弹簧在O点位置时弹簧没有形变，现用力将物体压缩至A点，然后放手。物体向右运动至C点而静止，AC距离为L。第二次将物体与弹簧相连，仍将它压缩至A点，则第二次物体在停止运动前经过的总路程s可能为：A.s=L B.s>L C.s<L D.条件不足，无法判断6.如图，一倾角为

14、的斜面固定在水平地面上，一质量为有小球与弹簧测力计相连在一木板的端点处，且将整个装置置于斜面上，设木板与斜面的动摩擦因数为，现将木板以一定的初速度释放，小球与木板之间的摩擦不计，则（ ）A如果，则测力计示数也为零B如果，则测力计示数大于C如果，则测力计示数等于D无论取何值，测力计示数都不能确定 7.（四川）如图所示，劲度数为的轻弹簧的一端固定在墙上，另一端与置于水平面上质量为的物体接触（未连接），弹簧水平且无形变。用水平力F缓慢推动物体，在弹性限度内弹簧长度被压缩了，此时物体静止。撤去F后，物体开始向左运动，运动的最大距离为4。物体与水平面间的动摩擦因数为，重力加速度为。则（ ）A撤去F后，物

15、体先做匀加速运动，再做匀减速运动B撤去F后，物体刚运动时的加速度大小为 C物体做匀减速运动的时间为D物体开始抽左运动到速度最大的过程中克服摩擦力做的功为 思维发散：若F为恒力，从弹簧原长处压缩弹簧，分析以后的运动情况。并和例5相对比。8.如图8所示，质量为的小球用水平弹簧连接，并用倾角为的光滑木板托住，使小球恰好处于静止状态.当突然向下撤离的瞬间，小球的加速度为 ( )图 8A. B.大小为，方向竖直向下C.大小为，方向垂直于木板向下图9D. 大小为, 方向水平向右9.一个实验小组在“探究弹力和弹簧伸长量的关系”的实验中，使用两条不同的轻质弹簧a和b，得到弹力与弹簧长度的关系图象如图9所示下列

16、表述正确的是 ( )Aa的原长比b的长Ba的劲度系数比b的大Ca的劲度系数比b的小D测得的弹力与弹簧的长度成正比10.某同学在做“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验时，他先把弹簧平放在桌面上，使其自然伸长，用直尺测出弹簧的原长L0，再把弹簧竖直悬挂起来，挂上钩码后测出弹簧伸长后的长度L，把LL0作为弹簧的伸长量x，这样操作，由于弹簧自身重力的影响，最后得出的图线，可能是图中的(C)11.如图11所示，一个弹簧一端固定在传感器上，传感器与电脑相连当对弹簧施加变化的作用力(拉力或压力)时，在电脑上得到了弹簧形变量与弹簧产生的弹力大小的关系图象(如图乙)则下列判断正确的是( )A弹簧产生的弹力和弹簧的

17、长度成正比B弹簧长度的增加量与对应的弹力增加量成正比C该弹簧的劲度系数是200 N/mD该弹簧受到反向压力时，劲度系数不变12.如图所示，一轻质弹簧竖直立在水平地面上，弹簧一端固定在地面上。一小球从高处自由下落到弹簧上端，将弹簧压缩至最低点。在小球开始下落至最低点的过程中，弹簧始终处于弹性限度内。在此过程中，能正确表示小球的加速度a随下降位移x的大小变化关系是下面图像中的（ B ）13.如图所示，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

18、 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14.如图所示，轻弹簧上端固定，下端连接一质量为的重物，先由托盘托住，使弹簧比自然长度缩短L，然后由静止开始以加速度匀加速向下运动。已知，弹簧劲度系数为，求经过多少时间托盘M将与分开？【】若将此题条件改为，情况又如何呢？F15.一弹簧秤的秤盘质量m1=1.5kg，盘内放一质量为m2=10.5kg的物体P，弹簧质量不计，其劲度系数为k=800N/m，系统处于静止状态，如图2所示。现给P施加一个竖直向上的力F，使P从静止开始向上做匀加速直线运动，已知在最初0.2s内F是变化的，在0.2s后是恒定的，求F的最大值和最小值各是多少？（g=1

19、0m/s2）【168N,72N】16.（福建卷）如图3(甲)所示，质量不计的弹簧竖直固定在水平面上，=0时刻，将一金属小球从弹簧正上方某一高度处由静止释放，小球落到弹簧上压缩弹簧到最低点，然后又被弹起离开弹簧，上升到一定高度后再下落，如此反复通过安装在弹簧下端的压力传感器，测出这一过程弹簧弹力随时间变化的图像如图3(乙)如示，则（ ）图3A时刻小球动能最大B时刻小球动能最大C这段时间内，小球的动能先增加后减少D这段时间内，小球增加的动能等于弹簧减少的弹性势能 17.图示为某探究活动小组设计的节能运动系统。斜面轨道倾角为30°，质量为M的木箱与轨道的动摩擦因数为。木箱在轨道顶端时，自动

20、装货装置将质量为m的货物装入木箱，然后木箱载着货物沿轨道无初速滑下，当轻弹簧被压缩至最短时，自动卸货装置立刻将货物卸下，然后木箱恰好被弹回到轨道顶端，再重复上述过程。下列选项正确的是（ ）A.mMB.m2MC.木箱不与弹簧接触时，上滑的加速度大于下滑的加速度 D.在木箱与货物从顶端滑到最低点的过程中，减少的重力势能全部转化为弹簧的弹性势能图 1818.如图18所示，质量为的物体经一轻质弹簧与下方地面上的质量为的物体相连，弹簧的劲度系数为,物体都处于静止状态.一不可伸长的轻绳一端绕过轻滑轮连接物体，另一端连接一轻挂钩.开始时各段绳都处于伸直状态，物体上方的一段绳沿竖直方向.现给挂钩挂一质量为的物

21、体并从静止释放，已知它恰好能使物体离开地面但不继续上升.若将物体换成另一质量为的物体，仍从上述初始位置由静止释放，则这次物体刚离地时物体的速度大小是多少?已知重力加速度为【】19.惯性制导系统已广泛应用于弹道式导弹工程中，这个系统的重要元件之一是加速度计，加速度计的构造原理示意图如下图所示。沿导弹长度方向安装的固定光滑杆上套一质量为m的滑块，滑块两侧分别与劲度系数为K的弹簧相连，弹簧处于自然长度，滑块位于中间，指针指示0刻度，试说明该装置是怎样测出物体的加速度的?20.如图所示，光滑斜面倾角为，c为斜面上固定挡板，物块a和b通过轻质弹簧连接，a、b处于静止状态，弹簧压缩量为x现对a施加沿斜面向

22、下的外力使弹簧再压缩3x，之后突然撤去外力，经时间t，物块a沿斜面向上运动的速度为，此时物块b刚要离开挡板已知两物块的质量均为m，重力加速度为g下列说法正确的是（ ）A. 弹簧的劲度系数为B物块b刚要离开挡板时，a的加速度为C物块a沿斜面向上运动速度最大时，物块b对挡板c的压力为0D撤去外力后，经过时间t，弹簧弹力对物块a做的功为问题拓展1：求在时间t内物块A运动的最大速度。问题拓展2：求物块A运动到弹簧原长时的速度。21.“加速度计”作为测定运动物体加速度的仪器，已被广泛地应用于飞机，潜艇、航天器等装置的制导系统中，如图所示是“应变式加速度计”的原理图，支架A、B固定在待测系统上，滑块穿在A

23、、B间的水平光滑杆上，并用轻弹簧固定于支架A上，随着系统沿水平方向做变速运动，滑块相对于支架发生位移，滑块下增的滑动臂可在滑动变阻器上相应地自由滑动，并通过电路转换为电信号从1，2两接线柱输出巳知：滑块质量为m，弹簧劲度系数为k，电源电动势为E，内阻为r、滑动变阻器 的电阻随长度均匀变化，其总电阻R=4r，有效总长度L，当待测系统静止时，1、2两接线柱输出的电压U0=0.4E，取A到B的方向为正方向，(1)确定“加速度计”的测量范围(2)设在1、2两接线柱间接入内阻很大的电压表，其读数为u，导出加速度的计算式。(3)试在1、2两接线柱间接入内阻不计的电流表，其读数为I，导出加速度的计算式。【-

24、k·L/2m，·L/2m，a=kL/2m - 5kLU/（4·E·m），a=k·L(E-3I·r)/(4I·m·r)】高考考情分析： 轻弹簧是一种理想化的物理模型，以轻质弹簧为载体，设置复杂的物理情景，考查力的概念，物体的平衡，牛顿定律的应用及能的转化与守恒，是高考命题的重点，此类命题几乎每年高考卷面均有所见.由于弹簧弹力是变力，考生往往对弹力大小和方向的变化过程缺乏清晰的认识，不能建立与之相关的物理模型并进行分类，导致解题思路不清、效率低下、错误率较高.在具体实际问题中，由于弹簧特性使得与其相连物体所组成系统的运动状态具有很强的综合性和隐蔽性，加之弹簧在伸缩过程中涉及力和加速度、功和能等多个物理概念和规律，所以弹簧类问题也就成为高考中的重、难、热点.我们应引起足够重视. 弹簧类命题突破要点： 1.弹簧的弹力是一种由形变而决定大小和方向的力.当题目中出现弹簧时，要注意弹力的大小与方向时刻要与当时的形变相对应.在题目中一般应从弹簧的形变分析入手，先确定弹簧原长位