弹簧问题中的平衡问题例1(1992年)如所示,一个上、下都与大气相通的直圆筒,内部截面积S=0.01m2,中间用两个活塞A和B封住弹簧问题中的平衡问题例1(1992年)如所示,一个上、下都与大气相通的直圆筒,内部截面积S=0.01m2,中间用两个活塞A和B封住一定质量的理想气体,A、B都可沿圆筒无摩擦地上、下移动,但不漏气。A的质量不计,B的质量为M,并与一劲度系数为k=5×103N/m的较长的轻弹簧相连。
已知大气压强P0=1×105Pa,平衡时,两活塞间的距离为L0=0.6m.现用力F压A,使之缓慢地向下移动一定距离后,保持平衡,此时,用于压A的力F=5×102N.求活塞向下移动的距离(假设气体温度保持不变)。
分析和解这题是典型的气缸与弹簧的问题,是力、热学综合问题。因此这题中有两个研究对象是明确的,热学以活塞A和B封闭的理想气体为研究对象,比较明显;力学一般以活塞、气缸或整体为研究对象,本题应以活塞B为研究对象。本题中涉及压强,并通过弹簧1相连接,起桥梁作用,但分析这类问题时,一是要注意弹簧的双重效应,改变弹力的大小及方向,同时改变气体的体积大小。二是要特别注意求压强的方法。热学问题中,明确研究对象后,列出气体状态方程,找出长度变化关系是本题的关键。由于题意强调活塞缓慢向下移动,应用玻马定律,找出初末状态参量。
力学问题中,明确研究对象后,建立与气体压强和弹簧弹力有关的力学平衡方程成为纽带,结合牛顿运动定律和胡克定律求解。设活塞A向下移动的距离为L,活塞B向下移动的距离为x.以理想气体为研究对象。
初态:压强P0,体积L0S,末态:压强P0+F/S体积(L0-L+x)S,由于系统保持平衡,温度不变,由玻马定律得:P0L0S=(P0+F/S)(L0-L+X)S(1)以活塞B为研究对象。由∑F=0和胡克定律得:未加F时:F1-Mg=0加上F时:F2-F-Mg=0即F=F2-F1=kx(2)由(1)(2)两式消去x,并整理得:L=F/k+FL0/(P0S+F)=0.3mx=F/k=0.1m这类问题在掌握弹力大小F=kx的基础上,作整体思考,寻求合外力∑F=0的关系。
弹簧问题中的非平衡问题例2(1995年)如所示,质量为m物体A放置在质量为M的物体B上,B与弹簧相连,它们一起在光滑水平面上做简谐运动,运动过程中A、B之间无相对运动。设弹簧的劲度系数为k,当物体离开平衡位置的位移为x时,AB间摩擦力的大小等于。
分析和解这题是牛顿第二定律和简谐运动的特征相结合的问题。主要是由弹簧的相对位置发生变化时,所引起的力、加速度、速度、功和能等物理量发生变化的情况。本题的关键所在是A、B做简谐运动的回复力的来源,A、B系统的回复力的来源弹簧的弹力,而A的回复力只能由静摩擦力提供,同时对于A物体的加速度和回复力应满足牛顿第二定律的瞬时关系,弹簧弹力起了连接加速度和静摩擦力的桥梁。
设物体A、B组成系统的位移为x时。由牛顿第二定律和胡克定律得:F=kx(1)F=(m+M)a(2)以A为研究对象,由牛顿第二定律可得:f=ma(3)由(1)(2)(3)得:f=mkx/(m+M)答案选D.这类问题是典型的动力学问题解题思路。静摩擦力为A、B之间的相互作用力需将A隔离出来,用整体法找出加速度,弹簧的弹力起连接纽带作用。