高中 | 牛顿第二定律的两类基本问题 题目答案及解析

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必修1

第四章 牛顿运动定律

4.6 用牛顿运动定律解决问题(一)

牛顿第二定律的两类基本问题

如图所示为一款近期火爆的玩具“弹簧小人”,由头部、轻质弹簧及底部组成,头部质量为$m$,底部质量为$\dfrac{m}{2}$,弹簧劲度系数为$k$。将“弹簧小人”置于水平桌面上,轻压头部后由静止释放,头部会不停地上下振动,不计摩擦和空气阻力,重力加速度为$g$,弹簧始终处于弹性限度内。下列判断正确的是$(\qquad)$

["

若头部刚释放时的加速度大小为$g$,则振动过程中底部能离开桌面

","

若头部刚释放时的加速度大小为$g$,则振动过程中“弹簧小人”对桌面的最大压力为$3mg$

","

若振动过程中底部恰好能离开桌面,头部在最高点时的加速度为$\\dfrac{3}{2}g$

","

若振动过程中底部恰好能离开桌面,则释放头部时弹簧压缩量为$\\dfrac{2mg}{k}$

"]
[["C"]]

$\rm A$.设头部在初始位置时弹簧的压缩量为$x_{0}$,对头部列平衡方程$mg=kx_{0}$

施加力$F$后弹簧再压缩$x$,头部的平衡方程为$F+mg=k(x_{0}+x)$

若刚释放时头部的加速度大小为$g$,根据牛顿第二定律得$k(x_{0}+x)-mg=mg$

$F=mg$

解得$kx=mg$

撤去力$F$的瞬间,头部所受的回复力$F_{回}=k(x_{0}+x)-mg=kx$

当头部向上运动到初始位置上方距离也是$x$时,由对称性知$F_{回}=kx$,而$kx=mg$,可见头部所受弹簧弹力恰好是零,以底部为研究对象,受力分析知地面对底部的支持力为$N=\dfrac{m}{2}g$

因此小人在振动过程中底部不能离开桌面,故$\rm A$错误;

$\rm B$.初始状态时,对桌面的压力最大,此时对“弹簧小人”受力分析$F+\left(m+\dfrac{m}{2}\right)g=N$

解得$N=2.5mg$

根据牛顿第三定律,桌面对“弹簧小人”的支持力等于“弹簧小人”对桌面的压力,故$\rm B$错误;

$\rm C$.若小人在振动过程中底部恰好能离开桌面,即当头部在最高点时,底部受到桌面的弹力为$0$,受力分析得弹簧此时的弹力等于底部的重力$kx_{2}=\dfrac{1}{2}mg$

此时对头部受力分析,根据牛顿第二定律有$mg+\dfrac{1}{2}kx_{2}=ma$

故头部在最高点的加速度为$\dfrac{3}{2}g$,故$\rm C$正确;

$\rm D$.若小人在振动过程中底部恰好不能离开桌面,开始施加力$F'$后弹簧再压缩$x'$,头部的平衡方程为$F'+mg=k(x_{0}+x')$

分析得$kx'=mg+\dfrac{1}{2}mg=\dfrac{3}{2}mg$

则轻压头部释放时弹簧的压缩量为$\Delta x=x_{0}+x'=\dfrac{5mg}{2k}$

$\rm D$错误。

故选:$\rm C$

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