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如图1所示,一根轻质弹簧上端固定在天花板上,下端挂一小球(可视为质点),弹簧处于原长时小球位于O点.将小球从O点由静止释放,小球沿竖直方向在OP之间做往复运动,如图2所示.小
题目详情
如图1所示,一根轻质弹簧上端固定在天花板上,下端挂一小球(可视为质点),弹簧处于原长时小球位于O点.将小球从O点由静止释放,小球沿竖直方向在OP之间做往复运动,如图2所示.小球运动过程中弹簧始终处于弹性限度内.不计空气阻力,重力加速度为g.
(1)在小球运动的过程中,经过某一位置A时动能为Ek1,重力势能为EP1,弹簧弹性势能为E弹1,经过另一位置B时动能为Ek2,重力势能为EP2,弹簧弹性势能为E弹2.请根据功是能量转化的量度,证明:小球由A运动到B 的过程中,小球、弹簧和地球组成的物体系统机械能守恒;
(2)已知弹簧劲度系数为k.以O点为坐标原点,竖直向下为x轴正方向,建立一维坐标系O-x,如图2所示.
a.请在图3中画出小球从O运动到P的过程中,弹簧弹力的大小F随相对于O点的位移x变化的图象.根据F-x图象求:小球从O运动到任意位置x的过程中弹力所做的功W,以及小球在此位置时弹簧的弹性势能E弹;
b.已知小球质量为m.求小球经过OP中点时瞬时速度的大小v.
(1)在小球运动的过程中,经过某一位置A时动能为Ek1,重力势能为EP1,弹簧弹性势能为E弹1,经过另一位置B时动能为Ek2,重力势能为EP2,弹簧弹性势能为E弹2.请根据功是能量转化的量度,证明:小球由A运动到B 的过程中,小球、弹簧和地球组成的物体系统机械能守恒;
(2)已知弹簧劲度系数为k.以O点为坐标原点,竖直向下为x轴正方向,建立一维坐标系O-x,如图2所示.
a.请在图3中画出小球从O运动到P的过程中,弹簧弹力的大小F随相对于O点的位移x变化的图象.根据F-x图象求:小球从O运动到任意位置x的过程中弹力所做的功W,以及小球在此位置时弹簧的弹性势能E弹;
b.已知小球质量为m.求小球经过OP中点时瞬时速度的大小v.
▼优质解答
答案和解析
(1)设重力做的功为WG,弹力做的功为W弹
根据动能定理得 WG+W弹=Ek2-Ek1
由重力做功与重力势能的关系 WG=Ep1-Ep2
由弹力做功与弹性势能的关系 W弹=E弹1-E弹2
联立以上三式可得 Ek1+Ep1+E弹1=Ek2+Ep2+E弹2;
(2)a.F-x图象如右图所示
图中的图线和x轴围成的面积表示功的大小
所以弹力做功为 W=-
kx2
由弹力做功与弹性势能的关系 W弹=0-E弹
解得 E弹=
kx2
b.小球由O点到OP中点,根据动能定理得:
mgx-
kx2=
mv2-0
小球由O点到P点,根据机械能守恒定律得:
mg•2x=
k(2x)2
解得 v=g
答:
(1)证明见上.
(2)a、小球从O运动到任意位置x的过程中弹力所做的功W是-
kx2,以及小球在此位置时弹簧的弹性势能E弹是
kx2.
b.已知小球质量为m.小球经过OP中点时瞬时速度的大小v是g
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根据动能定理得 WG+W弹=Ek2-Ek1
由重力做功与重力势能的关系 WG=Ep1-Ep2
由弹力做功与弹性势能的关系 W弹=E弹1-E弹2
联立以上三式可得 Ek1+Ep1+E弹1=Ek2+Ep2+E弹2;
(2)a.F-x图象如右图所示
图中的图线和x轴围成的面积表示功的大小
所以弹力做功为 W=-
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由弹力做功与弹性势能的关系 W弹=0-E弹
解得 E弹=
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b.小球由O点到OP中点,根据动能定理得:
mgx-
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小球由O点到P点,根据机械能守恒定律得:
mg•2x=
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解得 v=g
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答:
(1)证明见上.
(2)a、小球从O运动到任意位置x的过程中弹力所做的功W是-
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b.已知小球质量为m.小球经过OP中点时瞬时速度的大小v是g
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