专题03弹簧模型中的力与能（原卷版）

专题03弹簧模型中的力与能目录TOC\o"13"\h\u【模型一】静力学中的弹簧模型 1【模型二】动力学中的弹簧模型 3【模型三】与动量、能量有关的弹簧模型 7【模型一】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。【模型演练1】（2024·全国·高三专题练习）如图所示，倾角为的斜面固定在水平地面上，两个质量均为m的物块a、b用劲度系数为k的轻质弹簧连接，两物块均恰好能静止在斜面上。已知物块a与斜面间的动摩擦因数是物块b与斜面间的动摩擦因数的两倍，可认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度大小为g，弹簧始终在弹性限度内。则弹簧的长度与原长相比（）A．可能伸长了 B．可能伸长了C．可能缩短了 D．可能缩短了【模型演练2】（2023上·黑龙江哈尔滨·高三校联考期末）如图所示，倾角为θ且表面光滑的斜面固定在水平地面上，轻绳跨过光滑定滑轮，一端连接物体c，另一端连接物体b，b与物体a用轻弹簧连接，c与地面接触且a、b、c均静止。已知a、b的质量均为m，重力加速度大小为g。则（）A．c的质量一定等于2msinθB．剪断竖直绳瞬间，b的加速度大小为gsinθC．剪断竖直绳之后，a、b将保持相对静止并沿斜面下滑D．剪断弹簧瞬间，绳上的张力大小为mgsinθ【模型演练3】如图所示，一质量为m的木块与劲度系数为k的轻质弹簧相连，弹簧的另一端固定在斜面顶端。木块放在斜面上能处于静止状态。已知斜面倾角θ＝37°，木块与斜面间的动摩擦因数μ＝0.5。弹簧在弹性限度内，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度为g，sin37°＝0.6，cos37°＝0.8。则()A．弹簧可能处于压缩状态B．弹簧的最大形变量为eq\f(3mg,5k)C．木块受到的摩擦力可能为零D．木块受到的摩擦力方向一定沿斜面向上【规律方法】(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。【模型二】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。【模型演练1】如图甲所示，一根质量可以忽略不计的轻弹簧，劲度系数为k，下面悬挂一个质量为m的砝码A。手拿一块质量为M的木板B，用木板B托住A向上压缩弹簧到一定程度，如图乙所示。此时如果突然撤去木板B，则A向下运动的加速度为a(a>g)。现用手控制使B以加速度eq\f(a,3)向下做匀加速直线运动。(1)求砝码A做匀加速直线运动的时间；(2)求出砝码A做匀加速直线运动过程的起始和终止时刻手对木板B的作用力大小的表达式。【解题指导】(1)木板B与砝码A脱离之前，砝码A做加速度为eq\f(a,3)的匀加速直线运动。(2)木板B与砝码A脱离瞬间，相互作用力为零。【题后总结】(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。【模型演练2】（2024·全国·高三专题练习）如图甲所示，水平地面上固定一带挡板的长木板，一轻弹簧左端固定在挡板上，右端接触滑块，弹簧被压缩0.4m后锁定，t=0时解除锁定，释放滑块。计算机通过滑块上的速度传感器描绘出滑块的v—t图像如图乙所示，其中Oab段为曲线，bc段为直线，倾斜直线Od是t=0时的速度图线的切线，已知滑块质量m=2.0kg，g取10m/s2，则下列说法正确的是（）A．滑块被释放后，先做匀加速直线运动，后做匀减速直线运动B．弹簧恢复原长时，滑块速度最大C．弹簧的劲度系数k=175N/mD．该过程中滑块的最大加速度为35m/s2【模型演练3】（2023上·北京顺义·高三北京市顺义区第一中学校考阶段练习）在某星球表面将一轻弹簧竖直固定在水平面上，把质量为m的小球P（可视为质点）从弹簧上端由静止释放，小球沿竖直方向向下运动，小球的加速度a与弹簧压缩量x间的关系如图所示，其中和为已知量。下列说法中不正确的是（）A．小球向下运动至速度为零时所受弹簧弹力大小为B．弹簧劲度系数为C．小球向下运动过程中的最大动能为D．当弹簧压缩量为时，弹簧的弹性势能为【模型三】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。【模型演练1】（2023上·江苏南通·高三统考期末）如图所示，处于压缩状态的绝缘轻质弹簧一端固定，另一端与带正电荷的物块连接在一起，整个装置处于水平向左的匀强电场E中。物块由A点静止释放，沿绝缘水平面向右运动到最大位移的B点，并经过一段时间后静止。物块与水平面间的动摩擦因数恒定，弹簧未超过弹性限度，则整个过程中（）A．当物块处于B点时，弹簧弹力具有最大值B．当物块向左运动到AB中点时加速度为零C．物块可能静止在AB中点右侧的某个位置D．弹簧的弹性势能的减小量等于产生的摩擦热【模型演练2】（2023上·湖北·高三统考期末）如图所示在竖直壁上有一个可以上下移动的小球抛射装置，小球质量为，改变小球在管中的初始位置，使弹簧的弹性势能与装置高度满足：（为已知常量）。静止的小球在弹簧的作用下水平抛出，不计一切阻力，重力加速度为。下列说法正确的是（）A．常数的单位为B．小球离开抛射装置的速度C．A的高度不同，小球水平落点也不同D．当弹性势能为时，小球落到水平面的动能最大【模型演练3】（2023上·广西桂林·高三校考阶段练习）如图所示，质量为m的物块P与物块Q（质量未知）之间拴接一轻弹簧，静止在光滑的水平地面上，弹簧恰好处于原长。现给P物体一瞬时初速度，并把此时记为0时刻，规定向右为正方向，内P、Q物块运动的图像如图所示，已知时刻P、Q的加速度最大，其中t轴下方部分的面积大小为S，则（）A．物体Q的质量为B．时刻Q物体的速度大小为C．时刻弹簧的弹性势能为D．时间内弹簧对P物体做功不为零【模型演练3】(2024·湖北省重点中学4月联考)如图所示，带有挡板的小车质量为m，上表面光滑，静止于光滑水平面上。轻质弹簧左端固定在小车上，右端处于自由伸长状态。质量也为m的小球，以速度v从右侧滑上小车，在小球刚接触弹簧至与弹簧分离的过程中，以下判断正确的是()A.弹簧的最大弹性势能为eq\f(1,2)mv2B.弹簧的最大弹性势能为eq\f(1,4)mv2C.弹簧对小车做的功为eq\f(1,4)mv2D.弹簧对小球做功为eq\f(1,2)mv2【规律与方法】在处理与轻弹簧相关的动量守恒问题中，物体与弹簧相互作用时，弹簧弹力一般是变力，若将弹簧及其两端的物体作为系统，弹簧弹力是内力，系统动量守恒时不讨论弹簧弹力的变化，处理此类问题时要注意以下三点：(1)与弹簧两端相连的两个物体速度相等时，弹簧的长度最长或最短，此时弹簧中储存的弹性势能最大。(2)对于碰撞问题，由于碰撞时间极短，碰撞过程中物体的位移忽略不计，弹簧的长度来不及变化，弹性势能不变。(3)由于弹簧一般会发生弹性形变，涉及弹性势能的变化问题时，还要运用能量守恒定律解题。1．（2024·安徽安庆·统考一模）如图所示，与水平面夹角为的固定斜面上有一质量的物体。细绳的一端摩擦不计的定滑轮与固定的弹簧秤相连。物体静止在斜面上，弹簧秤的示数为，关于物体受力的判断（取），下列说法正确的是（）A．斜面对物体的摩擦力大小为零B．斜面对物体的摩擦力大小为，方向沿斜面向上C．斜面对物体的支持力大小为，方向沿斜面向上D．斜面对物体的支持力大小为，方向垂直斜面向上2．（2023·陕西·一模）如图所示，质量均为m的木块A和B用一轻弹簧相连，竖直放在光滑的水平面上，木块A上放有质量为2m的木块C，三者均处于静止状态。现将木块C迅速移开，若重力加速度为g，则在木块C移开的瞬间（）A．木块B对水平面的压力大小迅速变为2mgB．弹簧的弹力大小为mgC．木块A的加速度大小为2gD．弹簧的弹性势能立即减小3．（2023下·江苏徐州·高三统考阶段练习）如图甲所示，轻弹簧竖直固定在水平面上，质量为m的小球从A点自由下落，至B点时开始压缩弹簧，小球下落的最低位置为C点。以B点为坐标原点O，沿竖直向下建立x轴，小球从B到C过程中的加速度—位移图像如图乙所示，重力加速度为g。在小球从B运动到C的过程中，下列说法正确的是（）A．小球在B点时的动能最大B．小球在C点时加速度大于gC．图像中D．小球的动能与弹簧的弹性势能之和先减小后增大4.（2023·全国·高三专题练习）如图所示，光滑细杆AB倾斜固定，与水平方向夹角为45°，一轻质弹簧的一端固定在O点，另一端连接质量为m的小球，小球套在细杆上，O与细杆上A点等高，O与细杆AB在同一竖直平面内，OB竖直，OP垂直于AB，且OP＝L，当小球位于细杆上A、P两点时，弹簧弹力大小相等。现将小球从细杆上的A点由静止释放，在小球沿细杆由A点运动到B点的过程中（已知重力加速度为g，弹簧一直处于弹性限度内且不弯曲），下列说法中正确的是（）A．弹簧的弹性势能先减小后增大B．小球运动过程中弹簧弹力的瞬时功率为零的位置有两个C．小球运动到B点时的动能为2mgLD．弹簧弹力做正功过程中小球沿杆运动的距离等于小球克服弹簧弹力做功过程中小球沿杆运动的距离5．（2023上·西藏林芝·高三统考期末）如图所示，某建筑工地用一可以移动的升降机来吊装重物，轻绳穿过下方吊着重物的光滑圆环，、两点分别固定在建筑和升降机上。下列说法正确的是（）A．升降机缓慢上升时，绳中的张力不变 B．升降机缓慢下降时，绳中的张力变小C．升降机缓慢向右移动时，绳中的张力变小 D．升降机缓慢向左移动时，绳中的张力不变6．（2023上·河南许昌·高三校考阶段练习）一横截面为直角三角形的木块如图所示放置，质量均为m的A、B两物体用轻质弹簧相连放在倾角为30°的斜面上，物体C放在倾角为60°的斜面上，B与C之间用轻质细线连接，A、C质量的比值为，整个装置处于静止状态，已知物体A、B与斜面间的动摩擦因数相同且最大静摩擦力等于滑动摩擦力，弹簧弹力大小为，C与斜面间无摩擦，则（）A．物体A、B均受到摩擦力作用且等大反向B．物体A受摩擦力作用且大小为，物体B不受摩擦力作用C．弹簧处于拉伸状态，A、B两物体所受摩擦力大小均为，方向均沿斜面向下D．剪断弹簧瞬间，物体A仍处于静止状态7．（2024·全国·高三专题练习）如图所示，物块A、B、C的质量均为m，其中物块A、B上下叠放，A放在轻弹簧上，B、C通过一绕过光滑轻质定滑轮的轻绳相连，用手托住C使绳子处于恰好伸直无拉力的状态。某一时刻突然释放C，一段时间后A、B分离，此时C还未触地，重力加速度为g，下列说法正确的是（）A．释放C后瞬间，A、B间的弹力大小为mgB．A、B分离之前物块B做匀加速运动C．A、B分离时，物块A的速度恰好达到最大值D．A、B分离时，连接B、C的绳子拉力大小为mg8．（2023上·河北衡水·高三河北衡水中学校考阶段练习）如图甲所示，一轻质弹簧放置在光滑水平桌面上，一端固定在墙壁上，另一端拴接物体A，质量均为的物体A、B接触但不粘连。压缩弹簧至某一位置（弹性限度以内）后由静止释放A、B，同时给物体B施加水平向右的力使之做匀加速直线运动，与作用时间的关系如图乙所示，则下列说法正确的是（

）A．A、B分离时，弹簧刚好为原长状态 B．A、B分离时，B的加速度大小为C．A、B分离时，A的速度大小为 D．开始有作用时，弹簧的压缩量为9．（2023·广东·模拟预测）某个缓冲装置的主要部分是弹簧，工作过程可简化为以下情境：轻质弹簧原长，劲度系数，左端固定在竖直墙上。以弹簧左端为坐标原点，水平向右为正方向建立x轴。水平地面上一滑块从P点以某一速度水平向左冲向弹簧，如图1所示。滑块经弹簧缓冲后运动到最左端处的Q点，又被弹簧弹开，最后恰好停在P点。滑块从Q点到P点过程中，加速度a随位置坐标x的变化规律如图2所示。已知弹簧始终在弹性限度内，重力加速度。下列说法正确的是（）A．滑块与水平地面间的动摩擦因数 B．滑块的质量C．P点的坐标 D．滑块从P点向左运动时的动能10.（2023下·湖南娄底·高三校联考阶段练习）如图所示，轻质弹簧下端固定在水平面上，上端叠放着A、B两个物块，系统处于静止状态.现用竖直向上的拉力F作用在物块A上，使A开始向上做匀加速运动，以系统静止时的位置为坐标原点，竖直向上为x正方向，得到F随x的变化图像如图乙所示.已知物块A的质量，重力加速度g取。则（

）A．弹簧的劲度系数为B．物块A的加速度大小为C．物块B的质量为D．F作用瞬间，A、B之间的弹力大小为11.（2023·广西柳州·统考模拟预测）如图，水平轻质弹簧左端固定在竖直挡板上，右端与质量为m=0.5kg的小物块相连，弹簧处于自然长度时，物块位于O点。将小物块向右拉到P点后由静止释放。已知弹性势能，式中x为弹簧的形变量，若弹簧的劲度系数k=80N/m，OP=0.05m，小物块与水平面间的动摩擦因数为μ，取10m/s2，最大静摩擦力等于滑动摩擦力。若（）A．μ=0.9时，小物块将静止不动 B．μ=0.6时，小物块将停在O点C．μ=0.4时，小物块将停在O点 D．μ=0.2时，小物块将停在O点12.（2023上·福建漳州·高三福建省东山第一中学校考期中）一倾角37°的固定斜面的AB段粗糙，BC段光滑。斜面上一轻质弹簧的一端固定在底端C处，弹簧的原长与BC长度相同。一小滑块在沿斜面向下的拉力T=8N作用下，由A处从静止开始下滑，当滑块第一次到达B点时撤去T。已知AB段长度为2m，滑块质量为2kg，滑块与斜面AB段的动摩擦因数为0.5，弹簧始终在弹性限度内，重力加速度大小取10m/s2，sin37°=0.6，cos37°=0.8。求：（1）当拉力为8N时，滑块的加速度大小；（2）滑块第一次到达B点时的动能Ek；（3）滑块在斜面上反复运动最终在AB之间的总路程多大？13．（2023上·湖北荆州·高三校考阶段练习）如图（a）所示，竖直轻弹簧下端固定在水平地面上，上端与木块A连接，物块B叠放在A上，系统处于静止状态。现对B施加竖直向上的拉力F，使A，B以的加速度竖直向上做匀加速直线运动直至分离，力F的大小随B的位移x变化的关系如图（b）所示。g取10m/s2，求：（1）B的质量M；（2）弹簧的劲度系数k和物块A的质量m；14.（2024·全国·高三专题练习）如图所示，水平轨道BC的左端与固定的光滑竖直圆轨道相切于B点，右端与一倾角为30°的光滑斜面轨道在C点平滑连接（即物体经过C点时速度的大小不变），斜面顶端固定一轻质弹簧，一质量为2kg的滑块从圆弧轨道的顶端A点由静止释放，经水平轨道后滑上斜面并压缩弹簧，第一次可将弹簧压缩至D点，已知光滑圆轨道的半径R=0.45m，水平轨道BC长为0.4m，其动摩擦因数μ=0.2，光滑斜面轨道上CD长为0.6m，g取10m/s2，求：（1）滑块第一次经过B点时的速度大小vB；（2）整个过程中弹簧具有最大的弹性势能Ep；（3）滑块在水平轨道BC上运动的总时间及滑块几次经过B点。15．（2023·全国·高三专题作业）某根弹簧的弹力大小与它的总长度关系如图所示，其中弹簧原长为。某实验小组用这根弹簧制作了一个弹射器，将小球向左压缩弹簧（未超过限度）后释放即可弹射出小球。已知装置OA段和BC段光滑，BC段是半径为R=10cm的四分之一圆弧，AB段长度为3R、摩擦系数，钢球质量m=0.1kg。取重力加速度，求：（1）弹簧的劲度系数k；（2）第一次弹出后小球恰好能到达C点，弹射过程弹力做了多少功；（3）再换质量为的钢球，将弹簧压缩到5cm处释放弹射，钢球往返运动后停在何处？最后一次压缩弹簧到多长？16．（2023·河南开封·河南省杞县高中校考模拟预测）在光滑水平面上，并排放着质量分别为1.5m和m的滑块A和B（均可视为质点），A、B之间有少量粘合剂，能提供的最大粘合力为。一轻弹簧的两端分别与墙壁和滑块A相连接。O为水平面上一点，以O为坐标原点，水平向右为位移x的正方向，建立如图所示的坐标系。轻弹簧上的弹力F与坐标x的关系如图所示，其中、为已知量（图像中，“面积”代表功）。现用外力向左推至O处（弹簧处于弹性限度内），然后由静止释放。求：（1）B与A分离时的坐标位置；（2）B与A分离之前，弹簧弹性势能的减少量；（3）不计A、B分离过程中的能量损失，假设滑块B与挡板C碰撞前后速率不变，且滑块B刚好在A、B分离处与A相向碰撞并粘在一起（此后不再分离），求两物块再次将弹簧压缩到最短时弹簧具有的弹性势能。17．（2024·全国·高三专题练习）如图所示，在竖直方向上A、B两物体通过劲度系数为k的轻质弹簧相连，A放在水平地面上：B、C两物体通过细线绕过轻质定滑轮相连，C放在固定的光滑斜面上。用手拿住C，使细线刚刚拉直但无拉力作用，并保证ab段的细线竖直、cd段的细线与斜面平行。已知A、B的质量均为m，斜面倾角为，重力加速度为g，滑轮的质量和摩擦不计，开始时整个系统处于静止状态。C释放后沿斜面下滑，当A刚要离开地面时，B的速度最大，，，求：（1）从开始到物体A刚要离开地面的过程中，物体C沿斜面下滑的距离；（2）A刚要离开地面时C的动能；18.（2023·吉林·统考二模）图甲是一种智能减震装置的示意图，轻弹簧下端固定，上端与质量为m的减震环a连接，并套在固定的竖直杆上，a与杆之间的智能涂层材料可对a施加大小可调节的阻力，当a的速度为零时涂层对其不施加作用力。在某次性能测试中，质量为0.5m的光滑环b从杆顶端被静止释放，之后与a发生正碰；碰撞后，b的速度大小变为碰前的λ倍、方向向上，a向下运动2d时速度减为零，此过程中a受到涂层的阻力大小f与下移距离s之间的关系如图乙。已知a静止在弹簧上时，与杆顶端距离为4.5d，弹簧压缩量为2d，重力加速度为g。求：（1）与a碰前瞬间，b的速度大小；（2）λ的值；（3）ab碰撞后，在a第一次向下运动过程中，再过多长时间b的动能为。19．（2023上·广东江门·高三江门市新会第一中学校考阶段练习）如图所示，在光滑水平桌面上静止着三个小滑块，滑块1和滑块2之间压缩一轻弹簧（滑块与轻弹簧之间不拴接），水平桌面的左端A处固定一个与桌面相切的，半径为r的光滑竖直圆管道（内径略大于滑块大小），水平桌面的右端B处与一光滑管道（内径略大于滑块大小）相切，管道末端与粗糙地面CD在C点平滑连接，D点处有竖直挡板。现释放被压缩的弹簧，滑块1和滑块2被弹出，滑块2弹出时的速度，滑块1和滑块3相碰后粘在一起，进入圆弧轨道，并恰好通过最高点E，滑块2从B点进入光滑管道后，在水平轨道上与滑块4碰撞后粘在一起运动。已知滑块1和滑块3的质量m均为0.1kg，滑块2和滑块4的质量M均为0.2kg，且四个滑块均可看成质点，滑块与粗糙地面CD之间的动摩擦因数为0.5，CD的长度。桌面和地面间高度差。不考虑滑块与挡板碰撞时机械能损失。管道内径远小于圆形轨道半径，物块大小略小于管的内径，物块视为质点，空气阻力忽略不计，。求：（1）被滑块1和滑块2压缩的弹簧的弹性势能：（2）光滑竖直圆轨道半径r和滑块1和滑块