【題頭】用牛頓定律解決問題,其關鍵是明确研究對象的受力和運動情況(速度和加速度)。彈簧上有物體的情況比較複雜,也是同學們比較頭疼的問題。本題從物體受力産生的加速度角度分析了物體的分離問題,相信對同學們今後思考此類問題有一定啟示。
【例題】
一彈簧秤的秤盤M質量M=1.5kg,盤内放一質量為m=10.5kg的物體P,彈簧質量不計,其勁度系數為K=800N/m,系統處于靜止狀态,如圖所示。現給P施加一個豎直向上的力F,使P從靜止開始向上做勻加速直線運動,已知在最初0.2s内F是變化的,在0.2s後是恒定的,求F的最大值和最小值各是多少?(g=10m/s2)
解:原來靜止時,彈簧壓縮量設為x0,則
kx0=(m M)g ①
解得 x0=0.15m
未分離前二者具有共同加速度
考慮剛起動時F為F1,對物體、托盤整體受力分析如下:
牛頓第二定律得
F1 kx0-(m M)g=(m M)a ②
比較①②式,即有 F1=(m M)a ③
物體、托盤向上運動過程中彈簧對托盤向上的彈力逐漸減小,要維持二者共同的恒定加速度,F必須增大。所以剛啟動時的F1為F的最小值。
t=0.2s後F變為恒力,說明物體不再受到彈簧形變的影響了,即0.2s後物體、托盤分離。此時之後,物體隻在恒定的重力和F的作用下,保持勻加速。
那麼在t=0.2s分離瞬時:
物體、托盤之間壓力恰好為零,且二者具有相同的加速度。
設此時F為F2(F的最大值),對物體由牛頓第二定律得
F2-mg=ma ④
此時彈簧壓縮量設為x,對托盤M有
kx-Mg=Ma ⑤
對物體、托盤運動情況,由運動學知識得
x0-x=at2/2 ⑥
⑤⑥式聯立解得
a=6m/s2,x=0.03m
a值代入③式,解得最小值F1=72N
a值代入④式,解得最大值F2=168N
[品析]
在0.2s後F變為恒定是解決本題的關鍵。物體要保持勻加速運動,就要受到恒定的合外力。而在物體與托盤分離之前,受到與托盤相連的彈力的影響,F必須改變。而隻有物體和托盤脫離,F才能變為恒定。
[拓展]
搞清楚運動過程是解決物理問題的關鍵。從運動角度物體的加速度沒有辦法再相同,物體便會分離;從受力角度,物體之間沒有相互作用的彈力,物體便會分離。物理分離瞬間加速度、速度相等、物體之間的彈力為零,是解決這類問題的途徑。
更多精彩资讯请关注tft每日頭條,我们将持续为您更新最新资讯!