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高中物理轻质弹簧问题全解析--第1页

高中物理轻质弹簧问题全解析

一、弹簧的弹力

1、弹簧弹力的大小

弹簧弹力的大小由胡克定律给出,胡克定律的内容是:在弹性限度内,弹力的大小与弹

簧的形变量成正比。数学表达形式是:F=kx其中k是一个比例系数,叫弹簧的劲度系数。

说明:

①弹力是一个变力,其大小随着弹性形变的大小而变化,还与弹簧的劲度系数有关;

②弹簧具有测量功能,利用在弹性限度内,弹簧的伸长(或压缩)跟外力成正比这一性

质可制成弹簧秤。

2、弹簧劲度系数

弹簧的力学性质用劲度系数描写,劲度系数的定义因弹簧形式的不同而不同,以下主要

讨论螺旋式弹簧的劲度系数。

(1)定义:在弹性限度内,弹簧产生的弹力F(也可认为大小等于弹簧受到的外力)

和弹簧的形变量(伸长量或者压缩量)x的比值,也就是胡克定律中的比例系数k。

(2)劲度系数的决定因素:劲度系数的大小由弹簧的尺寸和绕制弹簧的材料决定。

弹簧的直径越大、弹簧越长越密、绕制弹簧的金属丝越软越细时,劲度系数就越小,反

之则越大。如两根完全相同的弹簧串联起来,其劲度系数只是一根弹簧劲度系数的一半,这

是因为弹簧的长度变大的缘故;若两根完全相同的弹簧并联起来,其劲度系数是一根弹簧劲

度系数的两倍,这是相当于弹簧丝变粗所导致;

二、轻质弹簧的一些特性

轻质弹簧:所谓轻质弹簧就是不考虑弹簧本身的质量和重力的弹簧,是一个理想化的模

型。由于它不需要考虑自身的质量和重力对于运动的影响,因此运用这个模型能为分析解决

问题提供很大的方便。

性质1、轻弹簧在力的作用下无论是平衡状态还是加速运动状态,各个部分受到的力大小是

相同的。其伸长量等于弹簧任意位置受到的力和劲度系数的比值。

如图1和2中相同的轻弹簧,其端点受到相同大小的力时,无论弹簧是处于静止、匀速

还是加速运动状态,各个弹簧的伸长量都是相同的。

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高中物理轻质弹簧问题全解析--第1页

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性质2、两端与物体相连的轻质弹簧上的弹力不能在瞬间变化——弹簧缓变特性;有一端不

与物体相连的轻弹簧上的弹力能够在瞬间变化为零。

如在图1、2、3、4、中撤出任何一个力的瞬间,弹簧的长度不会变化,弹力的大

小也不会变化;但是在图5中撤出力F的瞬时,弹簧恢复原长,弹力变为零。

说明:

①上述结论可以通过弹簧和物体组成系统的振动周期公式加以理解,弹簧

恢复原长需要四分之一个周期,并且物体的质量越大劲度系数越小,恢复时间就越长。物体

的质量非常小时,可以认为无限短的时间就可以恢复原长。

②重的弹簧可以等价于轻弹簧连接着一个物体,弹簧自由端的恢复也仍然需要一点时

间。

性质3、弹簧的形变有拉伸和压缩两种情形,拉伸和压缩形变对应弹力的方向相反。分析弹

力时,在未明确形变的具体情况时,要考虑到弹力的两个可能的方向。

性质4、弹力的大小与形变量成正比,方向与形变的方向相反,即F=-kx,是一个线性回

复力,物体在弹簧弹力的作用下,通常会做简谐运动。

以简谐运动为模型分析动力学问题会减少错误带来方便。例如一个质量为M的物体从

高处自由下落在一个弹簧上,试分析物体的运动情况。由简谐运动的知识知道,物体一旦接

触弹簧其运动就进入了简谐振动过程,必定存在一

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