题目
有一劲度系数为 k 的轻弹簧,原长为 l_0,将它吊在天花板上。当它下端挂一托盘平衡时,其长度变为 l_1。然后在托盘中放一重物,弹簧长度变为 l_2,则由 l_1 伸长至 l_2 的过程中,弹性力所作的功为:A. -int_(l_1)^l_2 kx , dxB. int_(l_1)^l_2 kx , dxC. -int_(l_1-l_0)^l_2-l_0 kx , dxD. int_(l_1-l_0)^l_2-l_0 kx , dx
有一劲度系数为 $k$ 的轻弹簧,原长为 $l_0$,将它吊在天花板上。当它下端挂一托盘平衡时,其长度变为 $l_1$。然后在托盘中放一重物,弹簧长度变为 $l_2$,则由 $l_1$ 伸长至 $l_2$ 的过程中,弹性力所作的功为:
A. $-\int_{l_1}^{l_2} kx \, dx$
B. $\int_{l_1}^{l_2} kx \, dx$
C. $-\int_{l_1-l_0}^{l_2-l_0} kx \, dx$
D. $\int_{l_1-l_0}^{l_2-l_0} kx \, dx$
题目解答
答案
C. $-\int_{l_1-l_0}^{l_2-l_0} kx \, dx$
解析
本题考查胡克定律以及变力做功的计算。解题的关键在于明确弹簧弹力的表达式,以及确定积分的上下限。
步骤一:明确弹簧弹力的表达式
根据胡克定律,弹簧的弹力$F$与弹簧的形变量$x$成正比,其表达式为$F = kx$,其中$k$为劲度系数,$x$为弹簧相对于原长的形变量。
步骤二:确定积分变量和积分区间
在本题中,我们需要计算弹簧从长度$l_1$伸长至$l_2$的过程中弹性力所作的功。由于弹性力是变力,我们需要使用积分来计算功。
功的计算公式为$W = \int_{x_1}^{x_2} F(x) \, dx$,其中$F(x)$是变力,$x_1$和$x_2$是积分的上下限。
在本题中,弹簧的形变量$x$是相对于原长$l_0$的,所以当弹簧长度为$l_1$时,形变量$x_1 = l_1 - l_0$;当弹簧长度为$l_2$时,形变量$x_2 = l_2 - l_0$。
因此,积分区间为$[l_1 - l_0, l_2 - l_0]$。
步骤三:确定弹性力的方向和功的正负
在弹簧伸长的过程中,弹性力的方向与弹簧的伸长方向相反,即弹性力做负功。
所以,弹性力所作的功为$W = -\int_{l_1 - l_0}^{l_2 - l_0} kx \, dx$。