有关弹簧的问题

9．湖北省众望高中2010届高三周练如图所示，质量相同的木块A、B用轻弹簧连接置于光滑的水平面上，开始时两木块静止且弹簧处于原长状态。现用水平恒力F推木块A，则从开始到弹簧第一次被压缩到最短的过程中：(ABC)FABA．两木块速度相同时，加速度aA<FABB．两木块加速度相同时，速度vA>vBC．B的加速度一直在增大D．A的加速度先减小后增大A.FOxB.FOxC.FA.FOxB.FOxC.FOxD.FOxFABa图b图10.上海市建平中学2010届高三摸底测试在静止的电梯里放一桶水，把一个轻弹簧的一端连在桶底，另一端连接在浸没在水中的质量为m的软木塞，如图所示．当电梯由静止开始匀加速下降（g＞a）时，轻弹簧的长度将发生怎样的变化(B)A、伸长量增加B、伸长量减小C、伸长量保持不变D、由伸长变为压缩例9

质量为m的钢板与直立轻弹簧的上端连接，弹簧下端固定在地上。平衡时，弹簧的压缩量为x0，如图3-15所示。物块从钢板正对距离为3X0的A处自由落下，打在钢板上并立刻与钢板一起向下运动，但不粘连，它们到达最低点后又向上运动。已知物体质量也为m时，它们恰能回到O点，若物块质量为2m，仍从A处自由落下，则物块与钢板回到O点时，还具有向上的速度，求物块向上运动到最高点与O点的距离。【错解】物块m从A处自由落下，则机械能守恒设钢板初位置重力势能为0，则之后物块与钢板一起以v0向下运动，然后返回O点，此时速度为0，运动过程中因为只有重力和弹簧弹力做功，故机械能守恒。2m的物块仍从A处落下到钢板初位置应有相同的速度v0，与钢板一起向下运动又返回机械能也守恒。返回到O点速度不为零，设为V则：因为m物块与2m物块在与钢板接触时，弹性势能之比2m物块与钢板一起过O点时，弹簧弹力为0，两者有相同的加速度g。之后，钢板由于被弹簧牵制，则加速度大于g，两者分离，2m物块从此位置以v为初速竖直上抛上升距离【错解原因】这是一道综合性很强的题。错解中由于没有考虑物块与钢板碰撞之后速度改变这一过程，而导致错误。另外在分析物块与钢板接触位置处，弹簧的弹性势能时，也有相当多的人出错，两个错误都出时，会发现无解。这样有些人就返回用两次势能相等的结果，但并未清楚相等的含义。【分析解答】物块从3x0位置自由落下，与地球构成的系统机械能守恒。则有v0为物块与钢板碰撞时的的速度。因为碰撞板短，内力远大于外力，钢板与物块间动量守恒。设v1为两者碰撞后共同速mv0=2mv1

(2)两者以vl向下运动恰返回O点，说明此位置速度为零。运动过程中机械能守恒。设接触位置弹性势能为Ep，则同理2m物块与m物块有相同的物理过程碰撞中动量守恒2mv0=3mv2

(4)所不同2m与钢板碰撞返回O点速度不为零，设为v则因为两次碰撞时间极短，弹性形变未发生变化Ep=E’p

(6)由于2m物块与钢板过O点时弹力为零。两者加速度相同为g，之后钢板被弹簧牵制，则其加速度大于g，所以与物块分离，物块以v竖直上抛。参考练习：如图3-16所示劲度系数为k1的轻质弹簧分别与质量为m1，m2的物体1，2，栓接系数为k2的轻弹簧上端与物体2栓接，下端压在桌面上（不栓接）。整个系统处于平衡状态，现施力将物体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，物体2的重力势能增大了多少？物体1的重力势能增大了多少？提示：此题隐含的条件很多，挖掘隐含条件是解题的前提。但之后，必须有位置变化的情景图如图3-17。才能确定1，2上升的距离，请读者自行解答。例10

如图3-18所示，轻质弹簧竖直放置在水平地面上，它的正上方有一金属块从高处自由下落，从金属块自由下落到第一次速度为零的过程中A．重力先做正功，后做负功B．弹力没有做正功C．金属块的动能最大时，弹力与重力相平衡D．金属块的动能为零时，弹簧的弹性势能最大。【错解】金属块自由下落，接触弹簧后开始减速，当重力等于弹力时，金属块速度为零。所以从金属块自由下落到第一次速度为零的过程中重力一直做正功，故A错。而弹力一直做负功所以B正确。因为金属块速度为零时，重力与弹力相平衡，所以C选项错。金属块的动能为零时，弹力最大，所以形变最大，弹性势能最大。故D正确。【分析解答】要确定金属块的动能最大位置和动能为零时的情况，就要分析它的运动全过程。为了弄清运动性质，做好受力分析。可以从图3-19看出运动过程中的情景。从图上可以看到在弹力N＜mg时，a的方向向下，v的方向向下，金属块做加速运动。当弹力N等于重力mg时，a=0加速停止，此时速度最大。所以C选项正确。弹力方向与位移方向始终反向，所以弹力没有做正功，B选项正确。重力方向始终与位移同方向，重力做正功，没有做负功，A选项错。速度为零时，恰是弹簧形变最大时，所以此时弹簧弹性势能最大，故D正确。所以B，C，D为正确选项。高考题中的弹簧模型高考考试说明中涉及弹簧的内容和要求有(1)形变和弹力,胡克定律Ⅱ。(2)弹性势能Ⅰ(弹性势能只要求定性了解)。(3)弹簧振子，简谐振动Ⅱ。高考试题以轻弹簧为模型，围绕上述三项内容进行考查。一、考查形变和弹力：弹簧形变和弹力的关系遵从胡克定律,分析不同状态下弹力与其他外力的关系结合胡克定律求解。例1（2001年津晋卷江浙卷）如图1所示，在一粗糙水平面上有两个质量分别为m1和m2的木块1和2，中间用一原长为l、劲度系数为K的轻弹簧连接起来，木块与地面间的动摩擦因数为μ。现用一水平力向右拉木块2，当两木块一起匀速运动时两木块之间的距离是A.B.C.D.[解析]:以木快1为研究对象,由物体平衡条件和胡克定律可得,两木快间的距离为即A正确.例2（2005全国Ⅲ）如图2所示，在倾角为θ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]:分析弹簧在两个状态(F作用前、B刚要离开C时)的形变和弹力，结合牛顿运动定律求解。未加F时：令x1表示弹簧的压缩量，由胡克定律和牛顿定律可知mAgsinθ=kx1①B刚要离开C时:令x2表示弹簧的伸长量，a表示此时A的加速度，由胡克定律和牛顿定律可知kx2=mBgsinθ②F－mAgsinθ－kx2=mAa③由②③式可得④由题意d=x1+x2⑤由①②⑤式可得⑥例3（1996年全国卷)如图3所示，劲度系数为k1的轻质弹簧两端分别与质量为m1、m2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____。[解析]分析在两个状态时弹簧的形变：（1）外力F作用前K1、K2的压缩量X1、X2分别为。（2）K2下端刚要脱离桌面时K1、K2的伸长量为：所以物快2上升的高度为，重力势能的增加量为。物快1上升的高度为重力势能的增加量为。二、考查弹性势能：弹性势能随弹簧形变的变化而变化，当弹簧的形变相同时，弹性势能相等。一般与动量守恒、能量守恒结合考查。例4（2003年江苏）⑴如图4，在光滑水平长直轨道上，放着一个静止的弹簧振子，它由一轻弹簧两端各联结一个小球构成，两小球质量相等。现突然给左端小球一个向右的速度u0，求弹簧第一次恢复到自然长度时，每个小球的速度。⑵如图5，将N个这样的振子放在该轨道上。最左边的振子1被压缩至弹簧为某一长度后锁定，静止在适当位置上，这时它的弹性势能为E0。其余各振子间都有一定的距离。现解除对振子1的锁定，任其自由运动，当它第一次恢复到自然长度时，刚好与振子2碰撞，此后，继续发生一系列碰撞，每个振子被碰后刚好都是在弹簧第一次恢复到自然长度时与下一个振子相碰。求所有可能的碰撞都发生后，每个振子弹性势能的最大值。已知本题中两球发生碰撞时，速度交换，即一球碰后的速度等于另一球碰前的速度。11234N……左左右右图4图5⑴设每个小球质量为m，以u1、u2分别表示弹簧恢复到自然长度时左右两端小球的速度，由动量守恒和能量守恒定律有，解得u！=u0，u2=0，或者u1=0，u2=u0。由于振子从初始状态到弹簧恢复到自然长度过程中，右端小球一直加速，因此实际解为u1=0，u2=u0。⑵以v1、v1/分别表示振子1解除锁定后弹簧恢复到自然长度时，左右两小球的速度，规定向右为速度的正方向，由动量守恒和能量守恒定律，解得或。由于该过程中左右小球分别向左右加速，故应取第2组解。振子1与振子2碰撞后，由于交换速度，振子1右端小球速度变为0，左端小球速度仍为v1。此后振子2两小球都向左运动，当它们速度相同时，弹簧弹性势能最大，设此速度为v10，则，用E1表示最大弹性势能，则，解得。同理可推出，每个振子弹性势能最大的最大值都是。例5（1997全国卷）质量为m的钢板与直立轻弹簧的上端连接，弹簧下端固定在地上。平衡时，弹簧的压缩量为x0,如图6所示。一物块从钢板正上方距离为3x0的A处自由落下，打在钢板上并立刻与钢板一起向下运动,但不粘连。它们到达最低点后又向上运动。已知物块质量也为m时，它们恰能回到O点。若物块质量为2m,仍从A处自由落下，则物块与钢板回到O点时，还具有向上的速度。求物块向上运动到达的最高点与O点的距离。[解析]：两物快与钢板碰撞时至弹簧恢复原长时弹簧的形变相同，所以两次弹性势能的变化相等。设物块自A处自由下落与钢板碰撞前瞬间的速度为v0.由机械能守恒可得①

设v1为物块与钢板碰撞后一起开始向下运动的速度.因碰撞时间极短,故动量守恒.有②设刚碰完时弹簧的弹性势能为EP.当它们一起回到O点时,弹簧无形变,弹性势能为零.根据题给条件,这时物块与钢板的速度为零.由机械能守恒,有③设v2为质量为2m的物块与钢板碰撞后开始一起向下运动的速度.则有：2mv0=3mv2④

设碰完时弹簧的弹性势能为EP',它们回到O点时,弹性势能为零,但它们继续向上运动.设此时速度为v.则有⑤.

在以上两种情况中,弹簧的初始压缩量都是x0,故有

⑥在O点物块与钢板分离.分离后,物块以速度v竖直上升,则⑦由以上各式解得物块向上运动所到最高点与O点的距离为例6（05全国Ⅰ）如图7所示，质量为的物体A经一轻质弹簧与下方地面上的质量为的物体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，另一端连一轻挂钩。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换成另一个质量为的物体D，仍从上述初始位置由静止状态释放，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。[解析]此题与例5类似,分别挂C、D时弹簧的初、末状态相同。初状态:A、B静止，设弹簧压缩量为x1，有kx1=m1g①末状态:B刚要离地时,弹簧伸长量为x2，有kx2=m2g②挂C时,B不再上升，表示此时A和C的速度为零，C已降到其最低点。由机械能守恒，与初始状态相比，弹簧弹性势能的增加量为ΔE＝m3g(x1+x2)－m1g(x1+x2)C换成D后，当B刚离地时弹簧势能的增量与前一次相同，由能量关系得eq\f(1,2)(m3+m1)v2+eq\f(1,2)m1v2=(m3+m1)g(x1+x2)－m1g(x1+x2)－ΔE④由③④式得eq\f(1,2)(m3+2m1)v2=m1g(x1+x2)⑤由①②⑤式得⑥开始时，A、B静止，设弹簧压缩量为x1，有kx1=m1g挂C并释放后，C向下运动，A向上运动，设B刚要离地时弹簧伸长量为x2，有kx2=m2gB不再上升，表示此时A和C的速度为零，C已降到其最低点。由机械能守恒，与初始状态相比，弹簧性势能的增加量为△E=m3g(x1+x2)－m1g(x1+x2)C换成D后，当B刚离地时弹簧势能的增量与前一次相同，由能量关系得④由③④式得⑤由①②⑤式得⑥三、考查弹簧振子及简谐运动的规律:以弹簧振子为模型实际考查简谐运动规律。例7（1995年全国）一弹簧振子作简谐振动,周期为T。A.若t时刻和(t+△t)时刻振子运动位移的大小相等、方向相同,则△t一定等于T的整数倍;B.若t时刻和(t+△t)时刻振子运动速度的大小相等、方向相反；C.若△t=T，则在t时刻和(t+△t)时刻振子运动加速度一定相等；D.若△t=T/2，则在t时刻和(t+△t)时刻弹簧的长度一定相等。[解析]以弹簧振子为载体实际考查简谐振动的周期性和对称性。选项C正确。例8（1991年全国）一物体从某一高度自由落下,落在直立于地面的轻弹簧上,如图8所示.在A点,物体开始与弹簧接触,到B点时,物体速度为零,然后被弹回.下列说法中正确的是(A)物体从A下降到B的过程中,动能不断变小(B)物体从B上升到A的过程中,动能不断变大(C)物体从A下降到B,以及从B上升到A的过程中,速率都是先增大,后减小(D)物体在B点时,所受合力为零[解析]此题考查竖直方向的弹簧振子,关键是确定平衡位置――回复力为零的位置。此题平衡位置在A、B之间选项C正确。

可见,近年高考试题中以弹簧模型为载体围绕弹簧形变与弹力,弹性势能,弹簧振子做简谐运动的规律三个知识点,设置弹簧发生形变及与弹簧连接的物体运动等物理情景,考察学生分析弹簧在不同状态下的力的特征,势能的特征,及与弹簧连接的物体的运动规律的能力,综合应用物理规律解决实际问题的能力.参考例题1.如图（8）所示，在水平地面上有A、B两个小物体，质量分别为mA=3.00kg、mB=2.00kg，它们与地面间的动摩擦因数均为μ=0.1.A、B之间有一原长为L=15.0cm、劲度系数为k=500N/m的轻质弹簧连接。分别用两个方向相反的水平恒力F1、F2同时作用在A、B两物体上.当运动达到稳定时，A、B两物体以共同加速度大小为a=1.00m.s2作匀加速运动.已知F1=20.0N，g取10m/s2.求：运动稳定时A、B之间的距离.解：（1）当系统具有水平向右的加速度时分析A受力如图：（6′）（3′）（3′）（2）当系统具有水平向左的加速度时，（3′）FACDBL2.如图所示，质量M=4Kg的滑板B静止放在光滑水平面上，滑板右端固定一根轻质弹簧，弹簧的自由端C到滑板左端的距离L=0.5m，这段滑板与木块A之间的动摩擦因数μ=0.2，而弹簧自由端C到弹簧固定端D所对应的滑板上表面光滑。可视为质点的小木块A质量m=1Kg，原来静止于滑板的左端，当滑板B受水平向左恒力F=14N，作用时间t后撤去F，这时木块A恰好到达弹簧自由端C处，假设A、B间的最大静摩擦力和滑动摩擦力相等，gFACDBL(1)水平恒力F的作用时间t；(2)木块A压缩弹簧过程中弹簧的最大弹性势能。 解：(1)木块A和滑板B均向左做匀加速直线运动，它们的加速度分别为aA=μg=2m/s2 (2分)aB=(F-μmg)/M=3m/s2 (2分)依题意有：（aBt2-aAt2）/2=L (2分)代入已知数据解得：t=1s (1分)(2)木块A和滑板B的速度相同时，弹簧压缩量最大，具有最大弹性势能，设共同速度为v。撤除F时，A的速度vA=aAt=2m/s，B的速度vB=aBt=3m/s (2分)撤除F后，A、B系统的动量守恒，有mvA+MvB=(m+M)v (4分)代入数据解得：v=2.8m/s (2分)撤除F后，系统的机械能守恒定律有：mvA2/2+MvB2/2=(M+m)v2/2+Em (2分)代入数据求得：Em=0.4J ［模型概述］弹力做功对应的弹簧势能，分子力做功所对应的分子势能、电场力做功对应的电势能、重力做功对应的重力势能有区别，但也有相似。例：（2005年江苏高考）如图1所示，固定的水平光滑金属导轨，间距为L，左端接有阻值为R的电阻，处在方向竖直，磁感应强度为B的匀强磁场中，质量为m的导体棒与固定弹簧相连，放在导轨上，导轨与导体棒的电阻均可忽略。初始时刻，弹簧恰处于自然长度，导体棒具有水平向右的初速度。在沿导轨往复运动的过程中，导体棒始终与导轨垂直并保持良好接触。（1）求初始时刻导体棒受到的安培力。（2）若导体棒从初始时刻到速度第一次为零时，弹簧的弹力势能为，则这一过程中安培力所做的功W1和电阻R上产生的焦耳热Q1分别为多少？（3）导体棒往复运动，最终将静止于何处？从导体棒开始运动直到最终静止的过程中，电阻R上产生的焦耳热Q为多少？图1解析：（1）初始时刻棒中感应电动势，棒中感应电流，作用于棒上的安培力，联立解得，安培力方向：水平向左；（2）由功和能的关系，得安培力做功，电阻R上产生的焦耳热；（3）由能量转化平衡条件等，可判断：棒最终静止于初始位置。［模型要点］在求弹簧的弹力做功时，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，也可据动能定理和功能关系或能量转化和守恒定律求解，图象中的“面积”功也是我们要熟悉掌握的内容。弹力做功的特点：弹力的功等于弹性势能增量的负值。弹性势能的公式，高考不作定理要求，可作定性讨论。因此，在求弹力的功或弹性势能的改变时，一般从能量的转化与守恒的角度来求解。分子力、电场力、重力做正功，对应的势能都减少，反之增加。都具有相对性系统性。弹簧一端连联物、另一端固定：当弹簧伸长到最长或压缩到最短时，物体速度有极值，弹簧的弹性势能最大，此时也是物体速度方向发生改变的时刻。若关联物与接触面间光滑，当弹簧恢复原长时，物体速度最大，弹性势能为零。若关联物与接触面粗糙，物体速度最大时弹力与摩擦力平衡，此时弹簧并没有恢复原长，弹性势能也不为零。用来计算，此时有两个方案：一是严格带符号运算，q和均考虑正和负，所得W的正、负直接表明电场力做功的正、负；二是只取绝对值进行计算，所得W只是功的数值，至于做正功还是负功？可用力学知识判定。做功与移动的路径无关，仅与始末位置的电势差有关。［误区点拨］电场力、重力做功与路径无关，取决与始末位置；而弹力、分子力与距离（形变量、分子间距）有关，所以它们的做功与对应的势能问题就可以进行归纳类比。由功的定义式来计算，要求式中F为恒力才行，所以，这个方法有局限性，如在匀强电场中使用。［模型演练］（2005年江苏联考）利用传感器和计算机可以测量快速变化力的瞬时值。如图2是用这种方法获得的弹性绳中拉力F随时间t变化的图线。实验时，把小球举高到绳子的悬点O处，然后放手让小球自由下落。由此图线所提供的信息，以下判断正确的是（）图2A.t2时刻小球速度最大；B.t1～t2期间小球速度先增大后减小；C.t3时刻小球动能最小；D.t1与t4时刻小球动量一定相同答案：B模型组合讲解——弹簧模型（动力学问题）李涛［模型概述］弹簧模型是高考中出现最多的模型之一，在填空、实验、计算包括压轴题中都经常出现，考查范围很广，变化较多，是考查学生推理、分析综合能力的热点模型。［模型讲解］一.正确理解弹簧的弹力例1.如图1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：①中弹簧的左端固定在墙上。②中弹簧的左端受大小也为F的拉力作用。③中弹簧的左端拴一小物块，物块在光滑的桌面上滑动。④中弹簧的左端拴一小物块，物块在有摩擦的桌面上滑动。若认为弹簧的质量都为零，以l1、l2、l3、l4依次表示四个弹簧的伸长量，则有（）① ②③ ④图1A. B. C. D.解析：当弹簧处于静止（或匀速运动）时，弹簧两端受力大小相等，产生的弹力也相等，用其中任意一端产生的弹力代入胡克定律即可求形变。当弹簧处于加速运动状态时，以弹簧为研究对象，由于其质量为零，无论加速度a为多少，仍然可以得到弹簧两端受力大小相等。由于弹簧弹力与施加在弹簧上的外力F是作用力与反作用的关系，因此，弹簧的弹力也处处相等，与静止情况没有区别。在题目所述四种情况中，由于弹簧的右端受到大小皆为F的拉力作用，且弹簧质量都为零，根据作用力与反作用力关系，弹簧产生的弹力大小皆为F，又由四个弹簧完全相同，根据胡克定律，它们的伸长量皆相等，所以正确选项为D。二.双弹簧系统例2.（2004年苏州调研）用如图2所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度。该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器。用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0kg的滑块，滑块可无摩擦的滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器a、b上，其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出。现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器b在前，传感器a在后，汽车静止时，传感器a、b的示数均为10N（取）图2（1）若传感器a的示数为14N、b的示数为6.0N，求此时汽车的加速度大小和方向。（2）当汽车以怎样的加速度运动时，传感器a的示数为零。解析：（1），a1的方向向右或向前。（2）根据题意可知，当左侧弹簧弹力时，右侧弹簧的弹力代入数据得，方向向左或向后［模型要点］弹簧中的力学问题主要是围绕胡克定律进行的，弹力的大小为变力，因此它引起的物体的加速度、速度、动量、动能等变化不是简单的单调关系，往往有临界值，我们在处理变速问题时要注意分析物体的动态过程，为了快捷分析，我们可以采用极限方法，但要注意“弹簧可拉可压”的特点而忽略中间突变过程，我们也可以利用弹簧模型的对称性。［模型演练］（2005年成都考题）如图3所示，一根轻弹簧上端固定在O点，下端系一个钢球P，球处于静止状态。现对球施加一个方向向右的外力F，吏球缓慢偏移。若外力F方向始终水平，移动中弹簧与竖直方向的夹角且弹簧的伸长量不超过弹性限度，则下面给出弹簧伸长量x与的函数关系图象中，最接近的是（）图3答案：D模型组合讲解——水平方向上的碰撞+弹簧模型车晓红［模型概述］在应用动量守恒、机械能守恒、功能关系和能量转化等规律考查学生的综合应用能力时，常有一类模型，就是有弹簧参与，因弹力做功的过程中弹力是个变力，并与动量、能量联系，所以分析解决这类问题时，要细致分析弹簧的动态过程，利用动能定理和功能关系等知识解题。［模型讲解］一、光滑水平面上的碰撞问题例1.在光滑水平地面上有两个相同的弹性小球A、B，质量都为m，现B球静止，A球向B球运动，发生正碰。已知碰撞过程中总机械能守恒，两球压缩最紧时的弹性势能为EP，则碰前A球的速度等于（）A. B. C. D.解析：设碰前A球的速度为v0，两球压缩最紧时的速度为v，根据动量守恒定律得出，由能量守恒定律得，联立解得，所以正确选项为C。二、光滑水平面上有阻挡板参与的碰撞问题例2.在原子核物理中，研究核子与核子关联的最有效途径是“双电荷交换反应”。这类反应的前半部分过程和下述力学模型类似，两个小球A和B用轻质弹簧相连，在光滑的水平直轨道上处于静止状态，在它们左边有一垂直于轨道的固定挡板P，右边有一小球C沿轨道以速度v0射向B球，如图1所示，C与B发生碰撞并立即结成一个整体D，在它们继续向左运动的过程中，当弹簧长度变到最短时，长度突然被锁定，不再改变，然后，A球与挡板P发生碰撞，碰后A、D都静止不动，A与P接触而不粘连，过一段时间，突然解除锁定（锁定及解除锁定均无机械能损失），已知A、B、C三球的质量均为m。图1（1）求弹簧长度刚被锁定后A球的速度。（2）求在A球离开挡板P之后的运动过程中，弹簧的最大弹性势能。解析：（1）设C球与B球粘结成D时，D的速度为v1，由动量守恒得当弹簧压至最短时，D与A的速度相等，设此速度为v2，由动量守恒得，由以上两式求得A的速度。（2）设弹簧长度被锁定后，贮存在弹簧中的势能为EP，由能量守恒，有撞击P后，A与D的动能都为零，解除锁定后，当弹簧刚恢复到自然长度时，势能全部转弯成D的动能，设D的速度为v3，则有以后弹簧伸长，A球离开挡板P，并获得速度，当A、D的速度相等时，弹簧伸至最长，设此时的速度为v4，由动量守恒得当弹簧伸到最长时，其势能最大，设此势能为EP'，由能量守恒，有解以上各式得。说明：对弹簧模型来说“系统具有共同速度之时，恰为系统弹性势能最多”。三、粗糙水平面上有阻挡板参与的碰撞问题例3.图2中，轻弹簧的一端固定，另一端与滑块B相连，B静止在水平直导轨上，弹簧处在原长状态。另一质量与B相同滑块A，从导轨上的P点以某一初速度向B滑行，当A滑过距离l1时，与B相碰，碰撞时间极短，碰后A、B紧贴在一起运动，但互不粘连。已知最后A恰好返回出发点P并停止，滑块A和B与导轨的滑动摩擦因数都为，运动过程中弹簧最大形变量为l2，重力加速度为g，求A从P出发时的初速度v0。图2解析：令A、B质量皆为m，A刚接触B时速度为v1（碰前）由功能关系，有A、B碰撞过程中动量守恒，令碰后A、B共同运动的速度为v2有碰后A、B先一起向左运动，接着A、B一起被弹回，在弹簧恢复到原长时，设A、B的共同速度为v3，在这一过程中，弹簧势能始末状态都为零，利用功能关系，有此后A、B开始分离，A单独向右滑到P点停下，由功能关系有由以上各式，解得四、结论开放性问题例4.用轻弹簧相连的质量均为2kg的A、B两物块都以的速度在光滑的水平地面上运动，弹簧处于原长，质量为4kg的物体C静止在前方，如图3所示，B与C碰撞后二者粘在一起运动。求：在以后的运动中，图3（1）当弹簧的弹性势能最大时物体A的速度多大？（2）弹性势能的最大值是多大？（3）A的速度有可能向左吗？为什么？解析：（1）当A、B、C三者的速度相等时弹簧的弹性势能最大，由于A、B、C三者组成的系统动量守恒，有解得：（2）B、C碰撞时B、C组成的系统动量守恒，设碰后瞬间B、C两者速度为，则设物块A速度为vA时弹簧的弹性势能最大为EP，根据能量守恒（3）由系统动量守恒得设A的速度方向向左，，则则作用后A、B、C动能之和实际上系统的机械能根据能量守恒定律，是不可能的。故A不可能向左运动。［模型要点］系统动量守恒，如果弹簧被作为系统内的一个物体时，弹簧的弹力对系统内物体做不做功都不影响系统的机械能。能量守恒，动能与势能相互转化。弹簧两端均有物体：弹簧伸长到最长或压缩到最短时，相关联物体的速度一定相等，弹簧具有最大的弹性势能。当弹簧恢复原长时，相互关联物体的速度相差最大，弹簧对关联物体的作用力为零。若物体再受阻力时，弹力与阻力相等时，物体速度最大。［模型演练］（20