與彈簧有關(guān)的機(jī)械能守恒問題的剖析

宋國平

在中學(xué)階段，“與彈簧有關(guān)的機(jī)械能守恒問題”對學(xué)生的綜合分析能力有較高的要求.系統(tǒng)機(jī)械能守恒的條件是只有重力和系統(tǒng)內(nèi)彈簧彈力做功.所以與彈簧相關(guān)的系統(tǒng)機(jī)械能守恒問題有必要深入剖析.

一、彈簧彈力的特點(diǎn)

1.具有連續(xù)性

彈簧彈力的表達(dá)式是F= kx，在彈性限度內(nèi)，當(dāng)x從零連續(xù)變化到最大值時，彈力也可以從零連續(xù)變化到彈性限度的最大值，且F隨x均勻變化.因此彈簧彈力做功就可以用平均力求解，即W= Fxcos θ（此處指F指彈簧平均力的大?。?/p>

例1 如圖1所示，彈簧的一端固定，另一端連接一個物塊，彈簧質(zhì)量不計(jì).物塊（可視為質(zhì)點(diǎn)）的質(zhì)量為m，在水平桌面上沿x軸運(yùn)動，與桌面間的動摩擦因數(shù)為μ.以彈簧原長時物塊的位置為坐標(biāo)原點(diǎn)O，當(dāng)彈簧的伸長量為x時，物塊所受彈簧彈力大小為F= kx，k為常量.

（1）請畫出F隨x變化的示意圖；并根據(jù)F-x圖象求物塊沿x軸從O點(diǎn)運(yùn)動到位置x的過程中彈力所做的功：

（2）物塊由x1向右運(yùn)動到X3，然后由X3返回到x2，在這個過程中，求彈力所做的功，并據(jù)此求彈性勢能的變化量.

解析 （1） F-x圖象如圖2所示.

物塊沿x軸從O點(diǎn)運(yùn)動到位置x的過程中，彈力做負(fù)功：F-x圖線下的面積等于彈力做功大小.（此處也可以理解為是用平均彈力求功）

2.彈力做功不改變機(jī)械能

只有重力或彈力做功，系統(tǒng)機(jī)械能守恒.可以從以下四個方面進(jìn)行理解：

（1）物體只受重力或彈力作用.

（2）存在其他力作用，但其他力不做功，只有重力或彈力做功.

（3）其他力做功，但做功的代數(shù)和為零.

（4）存在相互作用的物體組成的系統(tǒng)只有動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化，無其他形式能量的轉(zhuǎn)化.

功是能量轉(zhuǎn)化的量度，能量的轉(zhuǎn)化必有力做功，若只有重力、彈簧彈力做功，涉及轉(zhuǎn)化的能量只有重力勢能、彈性勢能和動能，而重力勢能、彈性勢能和動能都屬于機(jī)械能，所以在重力、彈力做功的時候，是把機(jī)械能內(nèi)部的能量進(jìn)行了轉(zhuǎn)化.故系統(tǒng)機(jī)械能的總值是不變的，只是機(jī)械能的內(nèi)部構(gòu)成有所變化.

例2 如圖3所示，一質(zhì)量為m的小球固定于輕質(zhì)彈簧的一端，彈簧的另一端固定于O點(diǎn)處，將小球拉至A處，彈簧恰好無形變，由靜止釋放小球，它運(yùn)動到O點(diǎn)正下方B點(diǎn)，A、B兩點(diǎn)間豎直高度差為h，物體到B點(diǎn)時速度為v，則 （）

A.由A到B重力做的功等于mgh

B.由A到B重力勢能減少1/2mv²

C.由A到B小球克服彈力做功為mgh

D.小球到達(dá)位置B時彈簧的彈性勢能為mgh -1/2mv²

機(jī)械能包括動能、重力勢能和彈性勢能，動能屬于運(yùn)動物體的，重力勢能屬于地球和物體這個系統(tǒng)所共有的，彈性勢能是由彈簧自身決定的，即由彈簧的形變量和彈簧的勁度系數(shù)決定，與外界其他因素?zé)o關(guān)，在例2中，物體在運(yùn)動過程中機(jī)械能守恒嗎？顯然是不守恒的，因?yàn)樵谠撓到y(tǒng)中，存在重力勢能、彈性勢能和動能相互轉(zhuǎn)化的.這三者之和是定值.而彈簧的彈性勢能是增加的，所以物體的機(jī)械能不守恒，系統(tǒng)的機(jī)械能才守恒，即物體和彈簧組成的系統(tǒng)的機(jī)械能才守恒.

二、與彈簧的彈性勢能有關(guān)的題型賞析

例3 如圖4所示，將質(zhì)量均為m厚度不計(jì)的兩物塊A、B用輕質(zhì)彈簧相連接，現(xiàn)用手托著B物塊于H高處，A在彈簧彈力的作用下處于靜止后，將彈簧鎖定.現(xiàn)由靜止釋放A、B兩物塊，B物塊著地時速度立即變?yōu)榱?，與此同時解除彈簧鎖定，在隨后的過程中，當(dāng)彈簧恢復(fù)到原長時A物塊運(yùn)動的速度為v0，且過程中B物塊恰能離開地面但不能繼續(xù)上升.已知彈簧具有相同形變量時彈性勢能也相同.求：

（1）B物塊著地后，A在隨后的運(yùn)動過程中，A所受合外力為零時的速度v1；

（2）從B物塊著地到B物塊恰能離開地面但不繼續(xù)上升的過程中，A物塊運(yùn)動的位移△x：

（3）第二次用手拿著A、B兩物塊，使得彈簧豎直并處于原長狀態(tài)，此時物塊B離地面的距離也為H，然后由靜止同時釋放A、B兩物塊，B物塊著地后速度同樣立即變?yōu)榱?求第二次釋放A、B后，B剛要離地時A的速度v2.

解析 在該題中涉及多個狀態(tài)，再加上AB兩個物體和彈簧放在一起，易讓學(xué)生眼花繚亂，但只要我們能分析到B開始落地瞬間和B剛好要離開而不能離開地面的兩個狀態(tài)的彈簧的彈性勢能是一樣的，則可迎刃而解.

（l）設(shè)A、B下落日高度時速度為v，由機(jī)械能守恒定律得：

2mgH=1/2×2mv²

B著地后，A先向下運(yùn)動，再向上運(yùn)動到，當(dāng)A回到B著地時的高度時合外力為0，對此過程有：

三、高考題中出現(xiàn)的與彈簧有關(guān)的機(jī)械能守恒的題目賞析

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例4 如圖5所示，兩根相同的輕質(zhì)彈簧，沿足夠長的光滑斜面放置，下端固定在斜面底部擋板上，斜面固定不動.質(zhì)量不同、形狀相同的兩物塊分別置于兩彈簧上端.現(xiàn)用外力作用在物塊上，使兩彈簧具有相同的壓縮量，若撤去外力后，兩物塊由靜止沿斜面向上彈出并離開彈簧，則從撤去外力到物塊速度第一次減為零的過程，兩物塊（）

A.最大速度相同

B.最大加速度相同

C.上升的最大高度不同

D.重力勢能的變化量不同

解析 質(zhì)量不同的兩物塊在彈簧彈力作用下做變速運(yùn)動，根據(jù)牛頓第二定律及系統(tǒng)機(jī)械能守恒解決問題.

當(dāng)彈簧的彈力和滑塊重力沿斜面向下的分力大小相等時，滑塊的加速度為零，速度達(dá)到最大.根據(jù)物體和彈簧組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒知：物塊未離開彈簧且彈簧長度相等時，質(zhì)量大的速度小，設(shè)質(zhì)量大的速度達(dá)到最大時對應(yīng)的彈簧長度為/，質(zhì)量小的系統(tǒng)對應(yīng)的該長度的速度肯定比質(zhì)量大的大.而且彈簧繼續(xù)伸長時，質(zhì)量小的速度還能繼續(xù)增大，質(zhì)量大的則減小.因此，質(zhì)量大的滑塊的最大速度較小，選項(xiàng)A錯誤；剛撤去外力時，兩滑塊的加速度最大，根據(jù)牛頓第二定律得kx-mgsin θ=ma（θ為斜面傾角）a=kx/m-gsin θ，由于兩滑塊的質(zhì)量不同，故兩滑塊的最大加速度不同，選項(xiàng)B錯誤；整個過程中，彈簧的彈性勢能全部轉(zhuǎn)化為滑塊的重力勢能（物體最終離開彈簧），由于兩滑塊質(zhì)量不同，故上升的最大高度不同，選項(xiàng)C正確；兩滑塊重力勢能的變化量等于彈簧彈性勢能的減少量，故重力勢能的變化量相同，選項(xiàng)D錯誤.