题目
如图所示,处于自然状态下的轻弹簧一端固定在水平地面上,质量为m的小球从弹簧的另一端所在位置由静止释放,设弹簧一直处于竖直方向,弹簧的劲度系数为k,不计空气阻力,重力加速度为g。在小球将弹簧压缩到最短的过程中,下列说法正确的是( )A. 小球的机械能守恒B. 小球的加速度先增大后减小C. 小球速度最大时弹簧的形变量为((2mg))/(k)D. 弹簧的最大形变量为((2mg))/(k)
如图所示,处于自然状态下的轻弹簧一端固定在水平地面上,质量为m的小球从弹簧的另一端所在位置由静止释放,设弹簧一直处于竖直方向,弹簧的劲度系数为k,不计空气阻力,重力加速度为g。在小球将弹簧压缩到最短的过程中,下列说法正确的是( )- A. 小球的机械能守恒
- B. 小球的加速度先增大后减小
- C. 小球速度最大时弹簧的形变量为$\frac{{2mg}}{k}$
- D. 弹簧的最大形变量为$\frac{{2mg}}{k}$
题目解答
答案
D. 弹簧的最大形变量为$\frac{{2mg}}{k}$
解析
步骤 1:分析小球的机械能
小球在下落过程中,弹簧的弹力对小球做负功,因此小球的机械能不守恒。小球的机械能包括重力势能和动能,而弹簧的弹性势能也参与了能量的转换,所以小球的机械能减少。
步骤 2:分析小球的加速度变化
小球在下落过程中,受到重力和弹簧弹力的作用。开始时,重力大于弹力,小球向下加速,加速度减小;当重力等于弹力时,小球速度达到最大,加速度为零;之后,弹力大于重力,小球向下减速,加速度增大。因此,小球的加速度先减小后增大。
步骤 3:分析小球速度最大时的弹簧形变量
当小球速度最大时,加速度为零,此时重力等于弹力,即mg=kx,解得x=$\frac{mg}{k}$。
步骤 4:分析弹簧的最大形变量
设弹簧的最大形变量为x_m,根据功能关系,小球的重力势能转化为弹簧的弹性势能,即mgx_m=$\frac{1}{2}k{x_m}^2$,解得x_m=$\frac{2mg}{k}$。
小球在下落过程中,弹簧的弹力对小球做负功,因此小球的机械能不守恒。小球的机械能包括重力势能和动能,而弹簧的弹性势能也参与了能量的转换,所以小球的机械能减少。
步骤 2:分析小球的加速度变化
小球在下落过程中,受到重力和弹簧弹力的作用。开始时,重力大于弹力,小球向下加速,加速度减小;当重力等于弹力时,小球速度达到最大,加速度为零;之后,弹力大于重力,小球向下减速,加速度增大。因此,小球的加速度先减小后增大。
步骤 3:分析小球速度最大时的弹簧形变量
当小球速度最大时,加速度为零,此时重力等于弹力,即mg=kx,解得x=$\frac{mg}{k}$。
步骤 4:分析弹簧的最大形变量
设弹簧的最大形变量为x_m,根据功能关系,小球的重力势能转化为弹簧的弹性势能,即mgx_m=$\frac{1}{2}k{x_m}^2$,解得x_m=$\frac{2mg}{k}$。