高中物理模型:轻绳、轻杆、轻弹簧

在力学中有很多的研究对象是通过“轻绳”“轻杆”“轻弹簧”连接的,在实际解题过程中,发现不少同学对这三种模型的特点、区别还不够清楚,容易混淆,造成解题错误。特别提醒:轻杆的弹力方向“三百六十度”无死角

轻绳特点
轻绳模型的建立
轻绳或称为细线,它的质量可忽略不计,轻绳是软的,不能产生侧向力,只能产生沿着绳子方向的力。它的劲度系数非常大,以至于认为在受力时形变极微小,看作不可伸长。
轻绳模型的特点
①轻绳各处受力相等,且拉力方向沿着绳子;
②轻绳不能伸长;
③用轻绳连接的系统通过轻绳的碰撞、撞击时,系统的机械能有损失;
④轻绳的弹力会发生突变。
轻杆特点

轻杆模型的建立

轻杆的质量可忽略不计,轻杆是硬的,能产生侧向力,它的劲度系数非常大,以至于认为在受力时形变极微小,看作不可伸长或压缩。

轻杆模型的特点

①轻杆各处受力相等,其力的方向不一定沿着杆的方向;

②轻杆不能伸长或压缩;

③轻杆受到的弹力的方式有拉力或压力。

轻弹簧特点
轻弹簧模型的建立
轻弹簧可以被压缩或拉伸,其弹力的大小与弹簧的伸长量或缩短量有关。
轻弹簧的特点
①轻弹簧各处受力相等,其方向与弹簧形变的方向相反;
②弹力的大小为F=kx,其中k为弹簧的劲度系数,x为弹簧的伸长量或缩短量;
③弹簧的弹力不会发生突变。
特别提醒:
橡皮筋与轻弹簧极为相似,只是橡皮筋不能被压缩
静止或匀速运动
例1、如图所示,有一质量为m的小球用轻绳悬挂于小车顶部,小车静止或匀速直线运动时,求绳子对小球作用力的大小和方向。
解析:小车静止或匀速直线运动时,小球也处于静止或匀速直线运动状态。由平衡条件可知,绳子对小球的弹力为F=mg,方向是沿着绳子向上。
若将轻绳换成轻弹簧,其结果是一样的。
例2、如图所示,小车上有一弯折轻杆,杆下端固定一质量为m的小球。当小车处于静止或匀速直线运动状态时,求杆对球的作用力的大小和方向。
解析:以小球为研究对象,可知小球受到杆对它一个的弹力和重力作用,由平衡条件可知小球受力如图所示。则可知杆对小球的弹力为F=mg,方向与重力的方向相反即竖直向上。
注意:在这里杆对小球的作用力方向不是沿着杆的方向。
匀变速直线运动

例3、如图所示,一质量为m的小球用轻绳悬挂在小车顶部,小车向左以加速度a做匀加速直线运动时,求轻绳对小球的作用力的大小和方向。

解析:以小球为研究对象进行受力分析,如图所示。根据小球做匀加速直线运动可得在竖直方向Fcosθ=mg

在水平方向Fsinθ=ma

解之得:

轻绳对小球的作用力大小随着加速度的增大而增大,它的方向沿着绳子,与竖直方向的夹角为θ。

例4、若将上题中的轻绳换成固定的轻杆,当小车向左以加速度a做匀加速直线运动时,求杆对球的作用力的大小及方向。

解析:如图,小球受到重力和杆对它的弹力F作用而随小车一起向左做匀加速直线运动。

在竖直方向Fcosθ=mg

在水平方向Fsinθ=ma

解之得:

由解答可知,轻杆对小球的作用力大小随着加速度的增大而增大,它的方向不一定沿着杆的方向,而是随着加速度大小的变化而变化。只有时a=gtanθ,F才沿着杆的方向。

弹力的突变
轻绳的弹力会发生突变,而弹簧的弹力不会发生突变。
例5、如图所示,小球在细线OB和水平细线AB的作用下而处于静止状态,则在剪断水平细线的瞬间,小球的加速度多大?方向如何?
解析:在没有剪断之前对小球进行受力如图所示,由平衡条件可得
F=mg/cosθ
T=mgtanθ
当剪断水平细线AB时,此时小球由于细线OB的限制,在沿OB方向上,小球不可能运动,故小球只能沿着与OB垂直的方向运动,也就是说小球所受到的重力,此时的作用效果是拉绳和沿垂直绳的方向做加速运动,其受力如图8所示。由图可知mgsinθ=ma,则可得a=gsinθ,方向垂直于OB向下。绳OB的拉力F。=mgcosθ,则可知当剪断水平细线AB时,细线OB的拉力发生了突变。
例6、如图所示,一轻质弹簧和一根细线共同提住一个质量为m的小球,平衡时细线是水平的,弹簧与竖直方向的夹角是,若突然剪断细线,则在剪断的瞬间,弹簧拉力的大小是__________,小球加速度与竖直方向夹角等于_________。
解析:在细线未剪断前,由平衡条件可得
水平细线的拉力:T=mgtanθ
弹簧的拉力:F=mg/cosθ
当剪断细线的瞬时,T=0,而弹簧形变不能马上改变,故弹簧弹力F保持原值。在图所示中,F=mg/cosθ。所以在剪断细线的瞬时F和mg的合力仍等于原T的大小,方向水平向右。则可知小球的加速度方向沿水平向右,即与竖直成90度角,其大小为a=gtanθ。
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