题目
有一劲度系数为k的轻弹簧,原长为l0,将它吊在天花板上.当它下端挂一托盘平衡时,其长度变为l1.然后在托盘中放一重物,弹簧长度变为l2,则由l1伸长至l2的过程中,弹性力所作的功为:( )A.−∫l2l1kxdxB.∫l2l1kxdxC.−∫l2−l0l1−l0kxdxD.∫l2−l0l1−l0kxdx
有一劲度系数为k的轻弹簧,原长为l0,将它吊在天花板上.当它下端挂一托盘平衡时,其长度变为l1.然后在托盘中放一重物,弹簧长度变为l2,则由l1伸长至l2的过程中,弹性力所作的功为:( )
- A.−∫l2l1kxdx
- B.∫l2l1kxdx
- C.−∫l2−l0l1−l0kxdx
- D.∫l2−l0l1−l0kxdx
题目解答
答案
C
解析
本题考查弹簧弹性力做功的计算,核心在于正确应用胡克定律并确定积分变量与上下限。关键点如下:
- 胡克定律:弹性力 $F = -kx$,其中 $x$ 是形变量(相对于原长 $l_0$ 的伸长量)。
- 做功公式:弹性力做功为 $W = -\int_{x_1}^{x_2} kx \, dx$,注意积分变量是形变量 $x$,而非弹簧实际长度 $l$。
- 形变量转换:题目中长度从 $l_1$ 变为 $l_2$,对应形变量 $x_1 = l_1 - l_0$ 和 $x_2 = l_2 - l_0$,需将长度转换为形变量代入积分。
步骤1:确定形变量
- 初始平衡时长度 $l_1$,形变量 $x_1 = l_1 - l_0$。
- 放重物后长度 $l_2$,形变量 $x_2 = l_2 - l_0$。
步骤2:弹性力做功公式
弹性力 $F = -kx$,做功为:
$W = \int_{x_1}^{x_2} F \, dx = \int_{x_1}^{x_2} (-kx) \, dx = -\int_{x_1}^{x_2} kx \, dx$
步骤3:变量替换
将形变量 $x$ 用长度 $l$ 表示:$x = l - l_0$,积分上下限变为 $l_1$ 到 $l_2$,积分变量替换为 $l$:
$W = -\int_{l_1}^{l_2} k(l - l_0) \, dl$
步骤4:匹配选项
选项中 C 的表达式为:
$-\int_{l_1}^{l_2} k(l - l_0) \, dl$
与推导结果一致,故正确答案为 C。