机械能与弹簧综合练习题含答案

1、机械能与弹簧综合练习题1、如图所示，劲度系数为 ki的轻质弹簧两端分别与质量为 m、m的物块1、2拴接，劲度系数为k2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.现施力将物块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 .分析与解 由题意可知：弹簧k 2长度的增加量就是物块2的高度增加量，弹簧k 2长度的增加量与弹簧k I长度的增加量之和就是物块1的高度增加量，由物体的受力平衡可知：弹簧k 2的弹力将由原来的压力（mi+m2）g变为0;弹簧k 1的弹力将由原来的压力m 1 g变为拉力m

2、2 g,弹力改变量也为（m i + m 2）g。所以1、2弹簧的伸长量分别为 （m+m） g和（m+m） gk1k2故物块2的重力势能增加了 ma （m+m） g2, k2物块1的重力势能增加了（。工）m （m+m） g2k1 k22. （16分）如图所示，竖直放置的光滑半圆形轨道与光滑水平面AB相切于B点，半圆另一端有一质量为0.1 kg形轨道的最高点为C。轻弹簧一端固定在竖直挡板上， 的小球（小球与弹簧不相连）。用力将小球向左推，小 将弹簧压缩一定量时用细绳固定住。此时弹簧的弹势能为4.05 J,烧断细绳，弹簧将小球弹出。取g=10m/s2。求:（1）欲使小球能通过最高点C,则半圆形轨道的

3、半径最大为多少？(2)欲使小球通过最高点 C后落到水平面上的水平距离最大，则半圆形轨道的半径为多大？落至B点的最大距离为多少？3.如图是为了检验某种防护罩承受冲击能力的装置，M为半径为R 1.0m、固定于竖直平面内的1/4光滑圆弧轨道，轨道上端切线水平，N为待检验的固定曲面，该曲面在竖直面内的截面为半径r V069m的1/4圆弧，圆弧下端切线水平且圆心恰好位于M轨道的上端点，M的下端相切处置放竖直向上的弹簧枪，可发射速度不同的质量m 0.01kg的小钢珠，假设某次发射的钢珠沿轨道恰好能经过M的上端点，水平飞出后落到 N的某一点上，取g=10m/s：求：(1)发射该钢珠前，弹簧的弹性势能俄Ep多

4、大？(2)钢珠落到圆弧N上时的速度大小Vn是多少？(结果保留两位有效数字)211、(1)设钢珠在M轨道最高点的速度为v,在最高点，由题意 mg m R从发射前到最高点，由机械能守恒定律得：Ep mgR 1mv2(2)钢珠从最高点飞出后，做平抛运动x vt y 2gt2由几何关系x2 y2 r21c 1 c从飞出M到打在N得圆弧面上，由机械能守恒te律：mgy - mv - mvN解出所求Vn 5.0m/s4. (18分)如图所示，将质量均为 m厚度不计的两物块 A、B用轻质弹簧相连接，现用手托着B物块于H高处，A在弹簧弹力的作用下处于静止后，将弹簧锁定.现由静止释放A、B两物块，B物块着地时速

5、度立即变为零，与此同时角避弹簧锁定，在随后的过程中，当弹簧恢复到原长时A物块运动蓄速度为滔，且过程中B物块恰能离开地面但不能继续上升.同.求：B物块着地后，A在随后的运动过程中，A所受合外力为零时的速度 u 1；从B物块着地到B物块恰能离开地面但不继续上升的过程中，A物块运动的位移 x;第二次用手拿着 A、B两物块，使得弹簧竖直并处于原长状态，此时物块B离地面的距离也为H,然后由静止同时释放 A B两物块，B物块着地后速度同样立即变为零.求第二次释放 A B后，B刚要离地时A的速度U2.3. (1)设A B下落H高度时速度为u ,由机械能守恒定律得：2mgH - 2mv22B着地后，A先向下运

6、动，再向上运动到，当A回到B着地时的高度时合外力为0,对此过程有： 0 mv12 mv2 22解得：v1 2gH(2) B物块恰能离开地面时，弹簧处于伸长状态，弹力大小等于mg B物块刚着地解除弹簧锁定时，弹簧处于压缩状态，弹力大小等于 mg因此，两次弹簧形变量相同，则这两次弹簧弹性势能相同，设为 日.又B物块恰能离开地面但不继续上升，此时A物块速度为0.从B物块着地到B物块恰能离开地面但不继续上升的过程中，A物块和弹簧组成的系 统机械能守恒，即：1 2EP -mv1 mg x EP解得： x=H(3)因为B物块刚着地解除弹簧锁定时与 B物块恰能离开地面时弹簧形变量相同，所以弹簧形变量x -

7、x2第一次从B物块着地到弹簧恢复原长过程中，弹簧和A物块组成的系统机械能守恒:EP -mv2 mgx -mv2第二次释放A B后，A B均做自由落体运动，由机械能守恒得刚着地时A B系统的速度为v2gH从B物块着地到 B刚要离地过程中，弹簧和A物块组成的系统机械能守恒:1mv2 mgx 1mv2 Ep联立以上各式得:V2.2gH2V05、如图所示，A B两木块叠放在竖直轻弹簧上,已知木块量分别为0.42 kg和0.40 kg,弹簧的劲度系数k=100 N/m ,A B质若在木块A上作用一个竖直向上的力 F,使A由静止开始以0.5 m/s2的加速度竖直向上做匀加速运动(g=10 m/s2).(1

8、)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 0.248 J ,求这一过程F对木块做的功。分析与解N=0时，恰好此题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 分离.量为x,有当F=0 (即不加竖直向上 F力时)，设A B叠放在弹簧上处于平衡时弹簧的压缩(mA+mB)g kx=(mA+mB)g 即 x= A - k对A施加F力，分析A B受力如右图所示对 AF+N-mAg=mAa对 B kx'-N-m Bg=m Ba

9、'可知，当N才0时，AB有共同加速度a=a',由式知欲使 A匀加速运动，随N 减小F增大.当N=0时，F取得了最大值Fm,即 Fm =m A(g+a)=4.41 N又当N=0时，A B开始分离，由式知，此时，弹簧压缩量kx'=mB(a+g)x'=mB(a+g)kAB共同速度v2=2a(x-x')由题知，此过程弹性势能减少了W=Ep=0.248 J设F力功W,对这一过程应用功能原理1 2Wf = -( mA +mB )v +(mA +mB )g(x-x')-E p可知，W=9.64X10-2 J联立，且注意到 b=0.248 J6. (22分)如图

10、所示，AB是两块竖直放置的平行金属 板，相距为2L,分别带有等量的正、负电荷，在两板 间形成电场强度大小为E的匀强电场。A板上有一小孔(它的存在对两板间匀强电场分布的影响可忽略不计)，孔中有一条与板垂直的水平光滑绝缘轨道，一个质量为ml电荷量为q(q>0)的小球(可视为质点)，在外力作用下静止在轨道的中点P处。一自然长度为L的轻弹簧左端固定在距A板左侧L处挡板上，右端固定一块轻小的绝缘材料制成的薄板Q撤去外力释放带电小球，它将在电场力作用下由静止开始向左运动，穿过小孔后(不与金属板A接触)与薄板 Q一起压缩弹簧，由于薄板 Q及弹簧的质量都可以忽略不 计，可认为小球与 Q接触过程中不损失机

11、械能。小球从接触Q开始，经过一段时间第一次把弹簧压缩至最短，然后又被弹簧弹回。由于薄板 Q的绝缘性能有所欠缺， 使得小球每次离开 Q瞬间，小球的电荷量都损失一部分，而变成刚与Q接触时小球电荷量的1/k (k>l )0求：(l)弹簧第一次压缩到最左边时的弹性势能；(2)小球在与B板相碰之前，最多能与薄板 Q碰撞多少次；（3）设A板的电势为零，当k=2、且小孔右侧的轨道粗糙与带电小球间的滑动摩擦力Fj=qE时，求带电小球初、末状态的电势能变化量。421. （22 分）（1）当P由静止开始释放到弹簧第一次压缩到最左边的过程中根据能的转化和守恒 定律可得弹性势能：Ep=qEL （6分）（2）分析

12、知：小球每次离开 Q时的速度大小相同，等于小球第一次与Q接触时速度大小V,根据动能定理可得：qEL=lmv2 v jqELL （2分） 2- m设小球与薄板Q碰撞n次后恰好向右运动到 B板，则：qn _q_（2分） kn小球与薄板Q碰撞n次后向右运动从与 Q分离到恰好到达B板的过程中，根据动能定理可得：-ZE2L 0 -mv2 （2分）k2由以上几式可得：n 史 （或取史的整数）（2分） lg klg k（3）设小球第一次弹回两板间后向右运动最远距A板的距离为Li,则：（qE f）L （qE f）Li 0Li L （2 分）k设小球第2次弹回两板间后向右运动最远距 A板的距离为L2,则：（qE

13、 f）L 2f Li （?E f）L? 0 L2 1 （2 分）k2而此时电场力：F -qE -qE f ,即带电小球可保持静止。（2分）k24所以带电小球初、末状态的电势能变化量：Ep Ep2 Ep1 qE L qEL 7qEL （2p4 28分）7. （20分）如图所示，水平地面 M点左侧粗糙，右侧光滑。整个空间有一场强大小 Ei=1 103N/C、方向竖直向下的匀强电场。质量RA= 0.04kg的不带电小物块 A用长为R= 5m不可伸长的绝缘轻质细绳拴于。点，静止时与地面刚好接触。带正电的小物块B与左端固定在墙上的绝缘轻弹簧接触但不粘连，B的质量mB=0.02kg ,带电量为q=+2 1

14、0-4 C,与M左侧地面间动摩擦因数1 =0.5。现用水平向左的推力将 B由M点（弹簧原长处）缓慢推至P点（弹簧仍在弹性限度内），推力做功W,fawywwB= 2.65 J , M贬间的距离为L=50cm撤去寸t力，B向右运动，随后与 A发生正碰并 瞬间成为一个整体 C （A、B、C均可视为质点）。已知碰撞前后电荷量保持不变，碰后C的速度为碰前B速度的L碰后立即把匀强电场方向变为竖直向上，场强大小变3为 E = 6X103N/C。（取 g=10m/s2）求：（1） B与A碰撞过程中损失的机械能。（2）碰后C是否立即做圆周运动？如果是， 求C运动到最高点时绳的拉力大小; 如果不是，则C运动到什么

15、位置时绳子再次绷紧？24 （20 分）解：（1）小球B在PM间运动时受到的摩擦力为 f（mBg E1q）（2分）由功能关系得，弹簧具有的最大弹性势能Ep W（mBg Eq）l 2.45J设小球B运动到M点时速度为Vb,由功能关系得12Ep（mBg Eq）L m）B b（4 分）b 15m/s2两球碰后结合为C,则C的速度为C 1 B 5m/s（2分）3B与A碰撞过程中损失的机械能E 1mB B2 1（mA mB） C2 1.5J（2分）2 电场变化后，因E?q mCg 0.6Nm。上 0.3N 所以C不能做圆周运动，而R是做类平抛运动，（2分）设经过时间t绳子在Q （x,y）处绷紧，由运动学规

16、律得x Ct （2 分）1y -at（2 分）（1 分） 0 （1分）2a E2q mCg 10m/s2（1 分）mCx2 y R 2 R2（1 分）可得t 1sx y R 5m即：绳子绷紧时恰好位于水平位置 8.如图，质量为 m的物体A经一轻质弹簧与下方地面上的质量为 m的物体B相连, 弹簧的劲度系数为k, A、B都处于静止状态.一条不可伸长的轻绳绕过轻滑轮，一端 连物体A,另一端连轻挂钩.开始时各段绳都处于伸直状态， A上方的一段绳沿竖直方向.现在挂钩上挂一质量为 m的物体C并从静止状态释放，已知它恰好能使B离开 地面但不继续上升.若将C换成另一质量为（m+m）的物体D,仍从上述初始位置由

17、静 止状态释放，则这次 B刚离地时D的速度的大小是多少？已知重力加速度为g.解：开始时，A B静止，设弹簧压缩量为kxi=mg(2分)Xi,有挂C并释放后，C向下运动, 时弹簧伸长量为X2,有A向上运动，设B刚UBS2kx2=mg(2分)B不再上升，表示此时 A和C的速度为零，C已降到最低点E m3g(% X2) m1g(x1 X2)(3分)由机械能守恒，与初始状态相比，弹簧弹性势能的增加量为C换成D后，当B刚离地时弹簧势能的增量与第一次相同，由能量关系得1212 (m3m1)v m1v(m3m1)g(x1x2)m1g(x1x2)E (4分)由式得(2分)(2分)122(2m1 m3)vmg(

18、x1 x2)由式得、2v Jm1(m1 m2)g(2m1 m3)k9、如图所示，挡板P固定在足够高的水平桌面上，小物块 A和B大小可忽略，它们 分别带为+Q和+Q的电荷量，质量分别为m a和n)B。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 B连接，另一端连接轻质小钩。整个装置处于 场强为E、方向水平向左的匀强电场中， A、B开始时静止，已知弹簧的劲度系数为 k, 不计一切摩擦及A、B间的库仑力，A、B所带电荷量保持不变，B不会碰到滑轮。(1)若在小钩上挂质量为 M的物块C并由静止释放，可使物块A对挡板P的压力 恰的最大为零，但不会离开 P,求物块C下降距离h(2)若C的质量

19、为2M则当A刚离开挡板P时，B的速度多大？分析与解通过物理过程的分析可知：当 A刚离开挡板P时，弹力恰好与A所受电场力平 衡，弹簧伸长量一定，前后两次改变物块C质量，在第2问对应的物理过程中，弹 簧长度的变化及弹性势能的改变相同，可以替代求解。设开始时弹簧压缩量为 xi由平衡条件：kxi EQb可得Xi EQB-k设当A刚离开档板时弹簧的伸长量为 x2 :由：kx2 EQa可得x2 EQAk故C下降的最大距离为：h x1 x2由一式可解得h (QB Qa)k(2)由能量转化守恒定律可知：C下落h过程中，C重力势能的减少量等于 B电势能的增量和弹簧弹性势能的增量以及系统动能的增量之和当C的质量为

20、M时： mgh QBE h E弹 当C的质量为2M时，设A刚离开挡板时B的速度为V1 2卬2Mgh QB Eh E弹 (2M mB)V22由一式可解得 A刚离开P时B的速度为：V 2MgE(QA Qb)k(2M mB)说明 研究对象的选择、物理过程的分析、临界条件的应用、能量转化守恒的结 合往往在一些题目中需要综合使用。另外，有关弹簧的串、并联和弹性势能的公式，高考中不作定量要求，这里不再说明。10、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X。，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

21、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呼长。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I ；程弹簧始终处在弹性限度以内)柒款(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？分析与解 由题意可知：弹簧开始的压缩量 X。咽，在B物块刚要离开地面时 k弹簧的伸长量也是X。mg k(1)若F=3mg在弹簧伸长到X。时，B开始离开地面，此时弹簧弹性势能与施 力前相等，F所做的功等于A增加的动能及重力势能的和。即F 2xo mg 2xo 2mv2可解得：v 2

22、j2gx。(2)所施力为恒力F。时，物体B不离开地面，类比竖直弹簧振子，物体 A在竖直方向上除了受变化的弹力外，再受到恒定的重力和拉力。故物体A做简谐运动。在最低点：F0 mg+kx=ma式中k为弹簧劲度系数，ai为在最低点A的加速度。在最高点，B恰好不离开地面，此时弹簧被拉伸，伸长量为2x。，则：K(2x。)+mg- R=ma考虑到:kxo=mg简谐运动在上、下振幅处a i=a2解得：F0=3mg2也可以利用简谐运动的平衡位置求恒定拉力F0o物体A做简谐运动的最低点压缩量为X0,最高点伸长量为2x0,则上下运动中点为平衡位置，即伸长量为 所在处2由： mg k F。解得：F尸料22说明 区别原长位置与平衡位置。与原长位置对应的形变量与弹力大小、方向、弹性 势能相关；与平衡位置对应的位移量与回复大小、方向、速度、加速度相关