VoL34No.7(2O13)物理教师PHYSICSTEACHER第34卷第7期2013笠类弹簧振子问题之疑难分析徐正恒(湖南省衡阳县第一中学,湖南衡阳421200)在中学阶段,凡涉及的弹簧都不考虑其质量,称之为“轻弹簧”,是一种理想化模型,弹簧类问题常以弹簧振子及类弹簧振子的形式命题,涉及到的物理问题多是一些综合性较强、物理过程又比较复杂的情景.从受力的角度看,弹簧上的弹力是变力;从能量的角度看,弹簧是个储能元件.以轻质弹簧为载体,设置复杂的物理情景,考查受力分析、运动过程分析、物体的平衡、牛顿定律的应用及能的转化与守恒,是高考命题的重点.此类命题涉及的知识面广,能力要求较高,也是高考的难点之一.下面通过分析振动过程特征及振动中的临界问题,归纳总结这些难点问题的分析技巧和方法.1振动过程分析1.1振动过程特征分析轻弹簧一端固定,另一端系一个小球,便组成一个弹簧振子.无论此装置水平放置、倾斜放置还是竖直放置,在忽略摩擦阻力和空气阻力的情况下,弹簧振子的振动都是简谐运动.弹簧振子在有摩擦情况和在电场中的振动,或者整个振动过程中振子一段时间与弹簧接触、一段时间离开弹簧运动等各种类弹簧振子问题,涉及比较复杂的物理过程和比较综合的知识系统,下面通过一些例子分析类弹簧振子的疑难问题,得出这类问题的分析方法与技巧.(1)振动中的平衡位置.例1.如图1所示,一轻弹簧直立于水平地面上,质量为m的小球从距离弹簧上端B点h高处的A点自由下落,在c点处小球速度达到最大.z。表示B、C两点之间的距离;Ek表示小球在c处的动能.若改变高度h,则下列图2表示z。、E随h变化的图像中正确的是D0图10C(C)(D)图2解析:答案(B)、(c).根据小球在c点处速度达到最大可得c点为平衡位置且满足kx。一mg,所以平衡位置不随h变化,故图像(B)正确;根据机械能守恒可得E一mg(+z。)一mg+mgz。,故图像(c)正确.(2)振动中的速度、加速度.例2.一光滑圆筒竖直固定于地面上,在圆筒底部中心竖直固定一根轻弹簧,一直径略小于圆筒内径的小球放置于弹簧上端,平衡时静止于。点,如图3所示.已知弹簧的(m+mz)·7202+2mgL(sin0一sin(0-arcsin(亡·sin0))))z描出点(z,z),并构造轨迹,即可得B球的速度72z随水平位移z的变化图线,如上图3所示.通过改变表达式中预设的物理量72o、棚1、m、0的大小,即可得到不同情况下B球的速度图像.从这些图像可看出,在0角较小、较小时,B球的速度是单调增加的;而在0角较大、V0较大时,在A球着地之88图5前,B球的速度却极有可能是单调减小的,如图5所示.各种各样的变化情形就不在这里一一赘述了,有兴趣的读者可以亲手用几何画板试试.详细的分析表明,在某些情况下,小球B着地后,可能杆一直对B球做负功,对小球A做正功,而当小球A快着地时,在两轨道的衔接部分,轻杆会对小球B做正功而对小球A做负功,全过程一定是对B做正功,对A做负功.由此可见,借助于几何画板能使我们弄清极为复杂的物理过程,分析具体的变化规律.(收稿日期:2012—1l一07)第34卷第7期2013笠物理教师PHYSICSTEACHERVo1.34No.7(2O13)劲度系数为k,小球的质量为m,重力加速度为g.试分析以下情况下小球在弹簧上运动过程中的速度和加速度.①将小球从弹簧原长上端由静止释放以后,如图4所示;②将小球从距弹簧原长上端h高度处由静止释放以后,如图5所示;③将小球从距弹簧原长上端更高的h处由静止释放以后,如图6所示.图3图4图5图6解析:①小球在弹簧上平衡时满足kx。一mg,将小球从弹簧原长上端由静止释放时,小球将以平衡位置。为中心做简谐运动,根据简谐运动的对称性可得:位置1和A相对平衡位置。对称,经平衡位置0点时速度最大,振幅位置1和A点的加速度都为n一“一g,方向指向平衡位置.如图7所示.②将小球从距弹簧原长上端h高处静止释放时,小球将运动到比A更低的B点处.小球在弹簧上将以。点为平衡位置做简谐运动,离开弹簧后将做上抛运动,整个过程即为类弹簧振子振动.分析可发现小球一定在弹簧原长处与弹簧分离.而小球在弹簧上做简谐运动时,也具有以平衡位置O为对称点的上、下对称.即平衡位置仍满足zo=mg始终不变,速度仍最大且>,加速度为0;最低点B...