弹簧质量块模型过程分析概要

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高中物理弹簧模型详解

高中物理弹簧模型详解

高中物理弹簧模型详解弹簧是我们在日常生活中经常接触到的一个物体,而在物理学中,弹簧也是一种非常重要的模型,能够帮助我们更好地理解力学性质。

本文将详细介绍高中物理中弹簧模型的相关知识,包括弹簧的基本概念、弹簧的力学性质以及弹簧在物理学中的应用。

一、弹簧的基本概念弹簧是一种具有自身形状恢复能力的物体,当外力作用在弹簧上时,会产生形变,当外力消失时,弹簧会恢复原来的形状。

弹簧通常是由金属或塑料等材料制成,形状多样,能够用于各种领域。

在物理学中,我们通常将弹簧视为一个理想模型,即认为弹簧具有以下特点:弹性系数恒定、无质量等。

弹簧的弹性系数(弹簧常数)用k表示,是衡量弹簧的硬度和形变能力的重要参数。

二、弹簧的力学性质1. 弹簧的伸长和弹性力当外力作用在弹簧上时,弹簧会发生形变,使长度发生变化,此时称为弹簧的伸长。

根据胡克定律,弹簧伸长的长度与作用力成正比,即F=kx,其中F为外力,k为弹簧的弹性系数,x为伸长的长度。

弹簧的弹性力也叫胡克力,是指弹簧对外力做出的响应,方向与伸长的方向相反。

当外力消失时,弹簧会产生一个恢复力,使形状恢复原状。

2. 弹簧振动在物理学中,弹簧振动是一种重要的现象,可以用简谐振动的原理进行描述。

当弹簧受到外力作用时,会产生振动,频率与质量和弹簧的弹性系数相关。

弹簧振动的频率用f表示,与弹簧的弹性系数k和振动体的质量m有关,可以用以下公式表示:f=1/(2π) * √(k/m)。

三、弹簧在物理学中的应用1. 弹簧振子弹簧振子是物理学中常见的实验器材,由一根弹簧和一个质点组成。

通过对弹簧振子的研究,可以了解振动的基本特性,包括振幅、频率、周期等。

2. 弹簧力学弹簧力学在实际生活中有着广泛的应用,例如弹簧秤、弹簧减震器等。

通过对弹簧力学的研究,可以更好地设计和制造各种弹簧产品,满足不同领域的需求。

3. 彩虹弹簧彩虹弹簧是一种特殊形状的弹簧玩具,通过不同颜色的环形弹簧组成。

彩虹弹簧不仅具有较强的伸缩性能,还有着独特的视觉效果,深受孩子们的喜爱。

高中物理二轮专题——弹簧模型(解析版)

高中物理二轮专题——弹簧模型(解析版)

高中物理第二轮专题——弹簧模型高考分析:轻弹簧就就是一种理想化得物理模型,以轻质弹簧为载体,设置复杂得物理情景,考查力得概念,物体得平衡,牛顿定律得应用及能得转化与守恒,就就是高考命题得重点,此类命题几乎每年高考卷面均有所见、由于弹簧弹力就就是变力,学生往往对弹力大小与方向得变化过程缺乏清晰得认识,不能建立与之相关得物理模型并进行分类,导致解题思路不清、效率低下、错误率较高、在具体实际问题中,由于弹簧特性使得与其相连物体所组成系统得运动状态具有很强得综合性与隐蔽性,加之弹簧在伸缩过程中涉及力与加速度、功与能等多个物理概念与规律,所以弹簧类问题也就成为高考中得重、难、热点、我们应引起足够重视、弹簧类命题突破要点:1、弹簧得弹力就就是一种由形变而决定大小与方向得力、当题目中出现弹簧时,要注意弹力得大小与方向时刻要与当时得形变相对应、在题目中一般应从弹簧得形变分析入手,先确定弹簧原长位置,现长位置,找出形变量x与物体空间位置变化得几何关系,分析形变所对应得弹力大小、方向,以此来分析计算物体运动状态得可能变化、2、因弹簧(尤其就就是软质弹簧)其形变发生改变过程需要一段时间,在瞬间内形变量可以认为不变、因此,在分析瞬时变化时,可以认为弹力大小不变,即弹簧得弹力不突变、3、在求弹簧得弹力做功时,因该变力为线性变化,可以先求平均力,再用功得定义进行计算,也可据动能定理与功能关系:能量转化与守恒定律求解、同时要注意弹力做功得特点:W=-(kx22-kx12),弹力得功等于弹性势能增量得负值或弹力得功等于弹性势能得减少、弹性势k能得公式Ep=kx2,高考不作定量要求,该公式通常不能直接用来求弹簧得弹性势能,只可作定性讨论、因此,在求弹力得功或弹性势能得改变时,一般以能量得转化与守恒得角度来求解、一、“轻弹簧”类问题在中学阶段,凡涉及得弹簧都不考虑其质量,称之为“轻弹簧”,就就是一种常见得理想化物理模型、由于“轻弹簧”质量不计,选取任意小段弹簧,其两端所受张力一定平衡,否则,这小段弹簧得加速度会无限大、故簧轻弹簧中各部分间得张力处处相等,均等于弹簧两端得受力、弹一端受力为,另一端受力一定也为。

弹簧质量块模型过程分析

弹簧质量块模型过程分析

过程分析之弹簧如图11所示,两个木块质量分别为m 1和m 2,两轻质弹簧的劲度系数分别为k 1和k 2,上面木块压在上面的弹簧上(但不拴接),整个系统处于平衡状态,现缓慢向上提上面的木块,直到它刚离开上面的弹簧,在这过程中下面木块移动的距离A .11k gm B. 22k g mC.21k gm D.22k g m如图所示,劲度系数为2k 的轻弹簧B 竖直固定在桌面上.上端连接一个质量为m 的物体,用细绳跨过定滑轮将物体m 与另一根劲度系数为1k 的轻弹簧C 连接。

当弹簧C 处在水平位置且没发生形变时.其右端点位于a位置。

现将弹簧C 的右端点沿水平方向缓慢拉到b 位置时,弹簧B 对物体m 的弹力大小为mg 32,则ab 间的距离为________。

如图所示,两根轻弹簧AC 和BD ,它们的劲度系数分别为k1和k2,它们的D 端分别固定在质量为m 的物体上,A 、B 端分别固定在支架和正下方地面上,当物体m 静止时,上方的弹簧处于原长;若将物体的质量增加了原来的2倍,仍在弹簧的弹性限度内,当物体再次静止时,其相对第一次静止时位置下降了 ( )A .B .C .D .如图10所示,劲度系数为k 1的轻质弹簧两端分别与质量为m 1 、m 2 的物块1、2拴接,劲度系数为k 2的轻质弹m 1m 2K 2K 1图11m 1m 21 2 k 1 K 2图10簧上端与物块2拴接,下端压在桌面上(不拴接),整个系统处于平衡状态。

现施力将物块1缓慢地竖直上提,直到下面那个弹簧的下端刚脱离桌面,在此过程中物块2的重力势能增加了多少?物块1的重力势能增加了多少?如图所示,重80N 的物体A 放在倾角为30°的粗糙斜面上,有一根原长为10cm ,劲度系数为1000N/m 的弹簧,其一端固定在斜面底端,另一端放置物体A 后,弹簧长度缩短为8cm 。

现用一测力计沿斜面向上拉物体。

若物体与斜面间的最大静摩擦力为25N ,当弹簧的长度仍为8cm 时,测力计的示数可能为A .10NB .20NC .40ND .60N如图所示,在水平板的左端有一固定挡板,挡板上连接一轻质弹簧.紧贴弹簧放一质量为m 的滑块,此时弹簧处于自然长度.已知滑块与板之间的动摩擦因数为,且最大静摩擦力等于滑动摩擦力.现将板的右端缓慢抬起(板与水平面的夹角为θ),直到板竖直,此过程中弹簧弹力的大小F 随夹角θ的变化关系可能是( )A B C D用轻弹簧竖直悬挂质量为m 的物体,静止时弹簧伸长量为L 。

弹簧质量块模型过程分析

弹簧质量块模型过程分析

如图所示,两根轻弹簧 AC 和BD ,它们的劲度系数分别为 的物体上,A 、B 端分别固定在支架和正下方地面上,当物体 体的质量增加了原来的 了2倍,仍在弹簧的弹性限度, )ki 和k2,它们的D 端分别固定在质量为 m m 静止时,上方的弹簧处于原长;若将物 当物体再次静止时,其相对第一次静止时位置下降如图io 所示, 轻质弹簧上端与物块 2拴接,下端压在桌面上(不拴接), 竖直上提,直到下面那个弹簧的下端刚脱离桌面,在此过程中物块 力势能增加了多少?劲度系数为 k i 的轻质弹簧两端分别与质量为m i 、m 2的物块i 、2拴接,劲度系数为 k 2的 整个系统处于平衡状态。

现施力将物块 i 缓慢地2的重力势能增加了多少?物块 i 的重m 2 K 2如图所示,重80N 的物体A 放在倾角为30 °的粗糙斜面上,有一根原长为 i0cm ,劲度系数为i000N/m 的弹簧,其一端固定在斜面底端,另一端放置物体 A 后,弹簧长度缩短为 8cm 。

现用一测力计沿斜面向上拉物体。

若物体与斜面间的最大静摩擦力为 25N ,当弹簧的长度仍为8cm 时,测力计的示数可能为 A . i0N C . 40N77777777777图i0B . 20N D . 60N过程分析之弹簧如图11所示,两个木块质量分别为 m i 和m 2,两轻质弹簧的劲度系数分别为k i 和k 2,上面木块压在上面的弹簧上(但不拴接),整个系统处于平衡状态,现缓慢向上提上面的木块,直到它刚离开上面的弹簧,在这过程中下面木块移动的距如图所示,劲度系数为 k 2的轻弹簧B 竖直固定在桌面上.上端连接一个质量为m 的物体,用细绳跨过定滑轮将物体 m 与另一根劲度系数为 «的轻弹簧C 连接。

当弹簧 C 处在水平位置且没发生形变时.其 右端点位于a 位置。

现将弹簧C 的右端点沿水平方向缓慢拉到 b 位置时,弹簧B 对物体m 的弹力大小为2 — mg ,贝U ab 间的距离为 _______ 。

弹簧高质量块模型过程分析报告

弹簧高质量块模型过程分析报告

过程分析之弹簧如图11所示,两个木块质量分别为m 1和m 2,两轻质弹簧的劲度系数分别为k 1和k 2,上面木块压在上面的弹簧上(但不拴接),整个系统处于平衡状态,现缓慢向上提上面的木块,直到它刚离开上面的弹簧,在这过程中下面木块移动的距离A .11k g m B. 22k gm C.21k gm D.22k g m如图所示,劲度系数为2k 的轻弹簧B 竖直固定在桌面上.上端连接一个质量为m 的物体,用细绳跨过定滑轮将物体m 与另一根劲度系数为1k 的轻弹簧C 连接。

当弹簧C 处在水平位置且没发生形变时.其右端点位于a 位置。

现将弹簧C 的右端点沿水平方向缓慢拉到b 位置时,弹簧B 对物体m 的弹力大小为mg 32,则ab 间的距离为________。

如图所示,两根轻弹簧AC 和BD ,它们的劲度系数分别为k1和k2,它们的D 端分别固定在质量为m 的物体上,A 、B 端分别固定在支架和正下方地面上,当物体m 静止时,上方的弹簧处于原长;若将物体的质量增加了原来的2倍,仍在弹簧的弹性限度,当物体再次静止时,其相对第一次静止时位置下降了 ( )A .B .C .D .如图10所示,劲度系数为k 1的轻质弹簧两端分别与质量为m 1 、m 2 的物块1、2拴接,劲度系数为k 2的轻质弹簧上端与物块2拴接,下端压在桌面上(不拴接),整个系统处于平衡状态。

现施力将物块1缓慢地竖直上提,直到下面那个弹簧的下端刚脱离桌面,在此过程中物块2的重力势能增加了多少?物块1的重力势能增加了多少?m 1m 2K 2 K 1 图11m 1m 21 2 k 1 K 2图10如图所示,重80N 的物体A 放在倾角为30°的粗糙斜面上,有一根原长为10cm ,劲度系数为1000N/m 的弹簧,其一端固定在斜面底端,另一端放置物体A 后,弹簧长度缩短为8cm 。

现用一测力计沿斜面向上拉物体。

若物体与斜面间的最大静摩擦力为25N ,当弹簧的长度仍为8cm 时,测力计的示数可能为A .10NB .20NC .40ND .60N如图所示,在水平板的左端有一固定挡板,挡板上连接一轻质弹簧.紧贴弹簧放一质量为m 的滑块,此时弹簧处于自然长度.已知滑块与板之间的动摩擦因数为,且最大静摩擦力等于滑动摩擦力.现将板的右端缓慢抬起(板与水平面的夹角为θ),直到板竖直,此过程中弹簧弹力的大小F 随夹角θ的变化关系可能是( )A B C D用轻弹簧竖直悬挂质量为m 的物体,静止时弹簧伸长量为L 。

弹簧质量块模型

弹簧质量块模型

弹簧质量块模型
弹簧质量块模型概述
弹簧质量块模型是一种常见的机械振动系统模型,它由两个质量块和三组弹簧阻尼器组成,假设地面是光滑的,这样系统中没有摩擦作用。

在这个模型中,物体的运动状态可以通过牛顿第二定律和弹簧的胡克定律来描述。

模型构建
在Simulink中,弹簧质量块模型的构建主要包括以下几个步骤:
1.首先,在Simulink中创建一个新的模型。

2.然后,添加两个质量块和三组弹簧阻尼器的模块。

3.接下来,添加力驱动器和位移传感器模块。

4.最后,连接所有模块,形成完整的模型。

模型分析
在这个模型中,u_{1}(t)和u_{2}(t)分别是两个质量块所受的外力,x_{1}(t)和x_{2}(t)分别是两个质量块的位移。

m_{1,2}、k_{1,2,3}和b_{1,2,3}分别对应
图中的质量、弹簧刚度和阻尼系数。

模型应用
弹簧质量块模型广泛应用于各种领域,如汽车缓冲器、建筑抗震加固措施等。

例如,汽车缓冲器就是一种可以耗减运动能量的装置,是保证驾驶员行车安全的必备装置。

再者在建筑抗震加固措施中引入阻尼器,改变结构的自振特性,增加结构阻尼,吸收地震能量,降低地震作用对建筑物的影响。

模型组合讲解——弹簧模型(动力学问题)

模型组合讲解——弹簧模型(动力学问题)

模型组合讲解——弹簧模型(动力学问题)[模型概述]弹簧模型是高考中出现最多的模型之一,在填空、实验、计算包括压轴题中都经常出现,考查范围很广,变化较多,是考查学生推理、分析综合能力的热点模型。

[模型讲解]一. 正确理解弹簧的弹力例1. 如图1所示,四个完全相同的弹簧都处于水平位置,它们的右端受到大小皆为F 的拉力作用,而左端的情况各不相同:①中弹簧的左端固定在墙上。

②中弹簧的左端受大小也为F 的拉力作用。

③中弹簧的左端拴一小物块,物块在光滑的桌面上滑动。

④中弹簧的左端拴一小物块,物块在有摩擦的桌面上滑动。

若认为弹簧的质量都为零,以l 1、l 2、l 3、l 4依次表示四个弹簧的伸长量,则有( )①②③④图1A. l l 21>B. l l 43>C. l l 13>D. l l 24=解析:当弹簧处于静止(或匀速运动)时,弹簧两端受力大小相等,产生的弹力也相等,用其中任意一端产生的弹力代入胡克定律即可求形变。

当弹簧处于加速运动状态时,以弹簧为研究对象,由于其质量为零,无论加速度a 为多少,仍然可以得到弹簧两端受力大小相等。

由于弹簧弹力F 弹与施加在弹簧上的外力F 是作用力与反作用的关系,因此,弹簧的弹力也处处相等,与静止情况没有区别。

在题目所述四种情况中,由于弹簧的右端受到大小皆为F 的拉力作用,且弹簧质量都为零,根据作用力与反作用力关系,弹簧产生的弹力大小皆为F ,又由四个弹簧完全相同,根据胡克定律,它们的伸长量皆相等,所以正确选项为D 。

二. 双弹簧系统例2. (2004年苏州调研)用如图2所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度。

该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器。

用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0kg 的滑块,滑块可无摩擦的滑动,两弹簧的另一端分别压在传感器a 、b 上,其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出。

现将装置沿运动方向固定在汽车上,传感器b 在前,传感器a 在后,汽车静止时,传感器a 、b 的示数均为10N (取g m s =102/)图2(1)若传感器a 的示数为14N 、b 的示数为6.0N ,求此时汽车的加速度大小和方向。

弹簧类问题的几种模型及其处理方法

弹簧类问题的几种模型及其处理方法

弹簧类问题的几种模型及其处理方法学生对弹簧类问题感到头疼的主要原因有以下几个方面:首先,由于弹簧不断发生形变,导致物体的受力随之不断变化,加速度不断变化,从而使物体的运动状态和运动过程较复杂。

其次,这些复杂的运动过程中间所包含的隐含条件很难挖掘。

还有,学生们很难找到这些复杂的物理过程所对应的物理模型以及处理方法。

根据近几年高考的命题特点和知识的考查,笔者就弹簧类问题分为以下几种类型进行分析,供读者参考。

一、弹簧类命题突破要点1.弹簧的弹力是一种由形变而决定大小和方向的力。

当题目中出现弹簧时,首先要注意弹力的大小与方向时刻要与当时的形变相对应,在题目中一般应从弹簧的形变分析入手,先确定弹簧原长位置、现长位置、平衡位置等,找出形变量x与物体空间位置变化的几何关系,分析形变所对应的弹力大小、方向,结合物体受其他力的情况来分析物体运动状态。

2.因软质弹簧的形变发生改变过程需要一段时间,在瞬间内形变量可以认为不变,因此,在分析瞬时变化时,可以认为弹力大小不变,即弹簧的弹力不突变。

3.在求弹簧的弹力做功时,因该变力为线性变化,可以先求平均力,再用功的定义进行计算,也可据动能定理和功能关系:能量转化和守恒定律求解。

同时要注意弹力做功的特点:弹力做功等于弹性势能增量的负值。

弹性势能的公式,高考不作定量要求,可作定性讨论,因此在求弹力的功或弹性势能的改变时,一般以能量的转化与守恒的角度来求解。

二、弹簧类问题的几种模型1.平衡类问题例1.如图1所示,劲度系数为k1的轻质弹簧两端分别与质量为m1、m2的物块拴接,劲度系数为k2的轻质弹簧上端与物块m2拴接,下端压在桌面上(不拴接),整个系统处于平衡状态。

现施力将m1缓慢竖直上提,直到下面那个弹簧的下端刚脱离桌面。

在此过程中,m2的重力势能增加了______,m1的重力势能增加了________。

分析:上提m1之前,两物块处于静止的平衡状态,所以有:,,其中,、分别是弹簧k1、k2的压缩量。

高中物理二轮专题——弹簧模型(解析版)

高中物理二轮专题——弹簧模型(解析版)

高中物理第二轮专题——弹簧模型 高考分析: 轻弹簧是一种理想化的物理模型,以轻质弹簧为载体,设置复杂的物理情景,考查力的概念,物体的平衡,牛顿定律的应用及能的转化与守恒,是高考命题的重点,此类命题几乎每年高考卷面均有所见.由于弹簧弹力是变力,学生往往对弹力大小和方向的变化过程缺乏清晰的认识,不能建立与之相关的物理模型并进行分类,导致解题思路不清、效率低下、错误率较高.在具体实际问题中,由于弹簧特性使得与其相连物体所组成系统的运动状态具有很强的综合性和隐蔽性,加之弹簧在伸缩过程中涉及力和加速度、功和能等多个物理概念和规律,所以弹簧类问题也就成为高考中的重、难、热点.我们应引起足够重视. 弹簧类命题突破要点:1.弹簧的弹力是一种由形变而决定大小和方向的力.当题目中出现弹簧时,要注意弹力的大小与方向时刻要与当时的形变相对应.在题目中一般应从弹簧的形变分析入手,先确定弹簧原长位置,现长位置,找出形变量x 与物体空间位置变化的几何关系,分析形变所对应的弹力大小、方向,以此来分析计算物体运动状态的可能变化.2.因弹簧(尤其是软质弹簧)其形变发生改变过程需要一段时间,在瞬间内形变量可以认为不变.因此,在分析瞬时变化时,可以认为弹力大小不变,即弹簧的弹力不突变.3.在求弹簧的弹力做功时,因该变力为线性变化,可以先求平均力,再用功的定义进行计算,也可据动能定理和功能关系:能量转化和守恒定律求解.同时要注意弹力做功的特点:W k =-(21kx 22-21kx 12),弹力的功等于弹性势能增量的负值或弹力的功等于弹性势能的减少.弹性势能的公式E p =21kx 2,高考不作定量要求,该公式通常不能直接用来求弹簧的弹性势能,只可作定性讨论.因此,在求弹力的功或弹性势能的改变时,一般以能量的转化与守恒的角度来求解.一、“轻弹簧”类问题在中学阶段,凡涉及的弹簧都不考虑其质量,称之为“轻弹簧”,是一种常见的理想化物理模型.由于“轻弹簧”质量不计,选取任意小段弹簧,其两端所受张力一定平衡,否则,这小段弹簧的加速度会无限大.故簧轻弹簧中各部分间的张力处处相等,均等于弹簧两端的受力.弹一端受力为F ,另一端受力一定也为F 。

弹簧-质量-阻尼系统的建模及控制系统设计说明书

弹簧-质量-阻尼系统的建模及控制系统设计说明书

分数: ___________任课教师签字:___________华北电力大学研究生结课作业学年学期:第一学年第一学期课程名称:线性系统理论学生姓名:学号:提交时间:2014.11.27目录1 研究背景及意义 (3)2 弹簧-质量-阻尼模型 (3)2.1 系统的建立 (3)2.1.1 系统传递函数的计算 (5)2.2 系统的能控能观性分析 (7)2.2.1 系统能控性分析 (8)2.2.2 系统能观性分析 (9)2.3 系统的稳定性分析 (10)2.3.1 反馈控制理论中的稳定性分析方法 (10)2.3.2 利用Matlab分析系统稳定性 (10)2.3.3 Simulink仿真结果 (12)2.4 系统的极点配置 (15)2.4.1 状态反馈法 (15)2.4.2 输出反馈法 (16)2.4.2 系统极点配置 (16)2.5系统的状态观测器 (18)2.6 利用离散的方法研究系统的特性 (20)2.6.1 离散化定义和方法 (20)2.6.2 零阶保持器 (21)2.6.3 一阶保持器 (24)2.6.4 双线性变换法 (26)3.总结 (28)4.参考文献 (28)弹簧-质量-阻尼系统的建模与控制系统设计1 研究背景及意义弹簧、阻尼器、质量块是组成机械系统的理想元件。

由它们组成的弹簧-质量-阻尼系统是最常见的机械振动系统,在生活中具有相当广泛的用途,缓冲器就是其中的一种。

缓冲装置是吸收和耗散过程产生能量的主要部件,其吸收耗散能量的能力大小直接关系到系统的安全与稳定。

缓冲器在生活中处处可见,例如我们的汽车减震装置和用来消耗碰撞能量的缓冲器,其缓冲系统的性能直接影响着汽车的稳定与驾驶员安全;另外,天宫一号在太空实现交会对接时缓冲系统的稳定与否直接影响着交会对接的成功。

因此,对弹簧-质量-阻尼系统的研究有着非常深的现实意义。

2 弹簧-质量-阻尼模型数学模型是定量地描述系统的动态特性,揭示系统的结构、参数与动态特性之间关系的数学表达式。

高中物理弹簧模型详解

高中物理弹簧模型详解

高中物理弹簧模型详解弹簧模型是物理中常用的简化实验模型,可以应用于弹性力学、动力学、波浪等多种领域。

在高中物理课程中,弹簧模型常常用来分析物体在不同条件下的弹性变形及恢复力等问题。

下面详细介绍一下高中物理中弹簧模型的相关内容。

I. 弹簧模型的基本概念弹簧模型是用弹簧代替物体之间的接触面,以研究物体之间的弹性变形和弹性力的模型。

它可以用来模拟各种物体的弹性特性,具有简化实验和便于分析的优势。

在弹簧模型中,物体可以被看作是由若干个质点组成的系统。

质点与质点之间通过一根弹簧连接,弹簧的特性可以用弹性系数k来描述。

当弹簧被压缩或拉长时,会产生恢复力(弹力),大小与弹簧形变的大小成正比,与弹簧形变的方向成反比。

II. 弹簧模型的应用1. 弹性变形当外力作用于物体上后,物体发生形变,但形变量又不足以改变物体的结构,这种形变称为弹性变形。

在弹簧模型中,外力就是作用于质点上的力,当外力大小不超过弹簧的弹性限度时,质点会发生弹性变形,而当外力大小超过弹性限度时,弹簧会进入塑性变形区,质点将发生塑性变形。

2. 弹性力弹性力是被压缩或拉长的弹簧恢复到原状时产生的力。

根据胡克定律,弹簧恢复力的大小与弹簧形变的大小成正比,与形变的方向成反比。

因此,在弹簧模型中,弹性力也可以用弹簧的弹性系数k来计算。

3. 振动弹簧模型还可以用来研究物体的振动。

例如,可以用一根手摇弹簧将质点与质点之间的耦合作用建立起来,通过摇动弹簧可以激发质点的振动。

这种振动可以用弹簧的弹性系数和质点的质量等参数来描述。

III. 弹簧模型的计算方法在使用弹簧模型时,需要根据具体情况建立起质点与质点之间的耦合关系。

通常,假设所有质点间连接的弹簧都相等,弹性系数为k,每个质点的质量均为m,这样就可以通过牛顿第二定律推导出弹簧模型的运动方程:F = mam(d^2)x/dt^2 = -kx其中,F表示合力,a表示加速度,x表示形变,t表示时间。

这个动力学方程描述了弹簧模型中物体的运动规律,可以用来计算物体的位移、速度和加速度等参数。

专题4.1 弹簧模型(解析版)

专题4.1 弹簧模型(解析版)

第四部分 重点模型与核心问题深究专题4.1 弹簧模型目录模型一 静力学中的弹簧模型 (1)模型二 动力学中的弹簧模型 (3)模型三 与动量、能量有关的弹簧模型 (5)专题跟踪检测 (9)模型一 静力学中的弹簧模型静力学中的弹簧模型一般指与弹簧相连的物体在弹簧弹力和其他力的共同作用下处于平衡状态的问题,涉及的知识主要有胡克定律、物体的平衡条件等,难度中等偏下。

【例1】如图所示,一质量为m 的木块与劲度系数为k 的轻质弹簧相连,弹簧的另一端固定在斜面顶端。

木块放在斜面上能处于静止状态。

已知斜面倾角θ=37°,木块与斜面间的动摩擦因数μ=0.5。

弹簧在弹性限度内,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,重力加速度为g ,sin37°=0.6,cos 37°=0.8。

则( )A .弹簧可能处于压缩状态B .弹簧的最大形变量为3mg 5kC .木块受到的摩擦力可能为零D .木块受到的摩擦力方向一定沿斜面向上【答案】C【解析】木块与斜面间的最大静摩擦力f max =μmg cos θ=0.4mg ,木块重力沿斜面方向的分力为G 1=mg sin θ=0.6mg ,由G 1>f max 可知,弹簧弹力的方向不可能向下,即弹簧不可能处于压缩状态,故A 错误;弹簧有最大形变量时满足G 1+f max =k Δx m ,解得Δx m =mg k,故B 错误;当G 1=F 弹时,木块受到的摩擦力为零,故C 正确;当G 1>F 弹时,木块受到的摩擦力沿斜面向上,当G 1<F 弹时,木块受到的摩擦力沿斜面向下,故D 错误。

【规律方法】(1)弹簧的最大形变量对应弹簧弹力的最大值。

(2)当木块刚好不上滑时所受静摩擦力达到最大值,此时弹簧弹力最大。

【分类训练】类型1 形变情况已知的弹簧模型1.木块A、B分别重50 N和70 N,它们与水平地面之间的动摩擦因数均为0.2,与A、B相连接的轻弹簧被压缩了5 cm,系统置于水平地面上静止不动,已知弹簧的劲度系数为100 N/m。

弹簧-质量-阻尼系统的建模与控制系统设计

弹簧-质量-阻尼系统的建模与控制系统设计

分数: ___________任课教师签字:___________ 华北电力大学研究生结课作业学年学期:第一学年第一学期课程名称:线性系统理论学生姓名:学号:提交时目录弹簧-质量-阻尼系统的建模与控制系统设计1 研究背景及意义弹簧、阻尼器、质量块是组成机械系统的理想元件。

由它们组成的弹簧-质量-阻尼系统是最常见的机械振动系统,在生活中具有相当广泛的用途,缓冲器就是其中的一种。

缓冲装置是吸收和耗散过程产生能量的主要部件,其吸收耗散能量的能力大小直接关系到系统的安全与稳定。

缓冲器在生活中处处可见,例如我们的汽车减震装置和用来消耗碰撞能量的缓冲器,其缓冲系统的性能直接影响着汽车的稳定与驾驶员安全;另外,天宫一号在太空实现交会对接时缓冲系统的稳定与否直接影响着交会对接的成功。

因此,对弹簧-质量-阻尼系统的研究有着非常深的现实意义。

2 弹簧-质量-阻尼模型数学模型是定量地描述系统的动态特性,揭示系统的结构、参数与动态特性之间关系的数学表达式。

其中,微分方程是基本的数学模型,不论是机械的、液压的、电气的或热力学的系统等都可以用微分方程来描述。

微分方程的解就是系统在输入作用下的输出响应。

所以,建立数学模型是研究系统、预测其动态响应的前提。

通常情况下,列写机械振动系统的微分方程都是应用力学中的牛顿定律、质量守恒定律等。

弹簧-质量-阻尼系统是最常见的机械振动系统。

机械系统如图所示,图2-1弹簧-质量-阻尼系统机械结构简图其中、表示小车的质量,表示缓冲器的粘滞摩擦系数,表示弹簧的弹性系数,表示小车所受的外力,是系统的输入即,表示小车的位移,是系统的输出,即,i=1,2。

设缓冲器的摩擦力与活塞的速度成正比,其中,,,,,。

系统的建立由图,根据牛顿第二定律,分别分析两个小车的受力情况,建立系统的动力学模型如下:对有:对有:联立得到:对:对:令,,,,,;,得出状态空间表达式:所以,状态空间表达式为:+由此可以得出已知:,,,,,代入数据得:系统传递函数的计算在Matlab中,函数ss2tf给出了状态空间模型所描述系统的传递函数,其一般形式是[num,den]=ss2tf(A,B,C,D,iu),其中iu是输入值。

弹簧类问题的几种模型及其处理方法

弹簧类问题的几种模型及其处理方法

弹簧类问题的几种模子及其处理办法学生对弹簧类问题觉得头疼的重要原因有以下几个方面:起首,因为弹簧不竭产生形变,导致物体的受力随之不竭变更,加快度不竭变更,从而使物体的活动状况和活动进程较庞杂.其次,这些庞杂的活动进程中央所包含的隐含前提很难发掘.还有,学生们很难找到这些庞杂的物理进程所对应的物理模子以及处理办法.依据近几年高考的命题特色和常识的考核,笔者就弹簧类问题分为以下几种类型进行剖析,供读者参考.一.弹簧类命题冲破要点1.弹簧的弹力是一种由形变而决议大小和偏向的力.当标题中消失弹簧时,起首要留意弹力的大小与偏向时刻要与当时的形变相对应,在标题中一般应从弹簧的形变剖析入手,先肯定弹簧原长地位.现长地位.均衡地位等,找出形变量x与物体空间地位变更的几何干系,剖析形变所对应的弹力大小.偏向,联合物体受其他力的情形来剖析物体活动状况.2.因软质弹簧的形变产生转变进程须要一段时光,在刹时内形变量可以以为不变,是以,在剖析瞬时变更时,可以以为弹力大小不变,即弹簧的弹力不突变.3.在求弹簧的弹力做功时,因该变力为线性变更,可以先求平均力,再用功的界说进行盘算,也可据动能定理和功效关系:能量转化和守恒定律求解.同时要留意弹力做功的特色:弹力做功等于弹性势能增量的负值.弹性势能的公式,高考不作定量请求,可作定性评论辩论,是以在求弹力的功或弹性势能的转变时,一般以能量的转化与守恒的角度来求解.二.弹簧类问题的几种模子1.均衡类问题例1.如图1所示,劲度系数为k1的轻质弹簧两头分别与质量为m1.m2的物块拴接,劲度系数为k2的轻质弹簧上端与物块m2拴接,下端压在桌面上(不拴接),全部体系处于均衡状况.现施力将m1迟缓竖直上提,直到下面谁人弹簧的下端刚离开桌面.在此进程中,m2的重力势能增长了______,m1的重力势能增长了________.剖析:上提m1之前,两物块处于静止的均衡状况,所以有:,,个中,.分别是弹簧k1.k2的紧缩量.当用力迟缓上提m1,使k2下端刚离开桌面时,,弹簧k2最终恢回复复兴长,个中,为此时弹簧k1的伸长量.答案:m2上升的高度为,增长的重力势能为,m1上升的高度为,增长的重力势能为.点评:此题是共点力的均衡前提与胡克定律的分解题,题中空间距离的变更,要经由过程弹簧形变量的盘算求出.留意迟缓上提,解释全部体系处于动态均衡进程.例2.如上图2所示,A物体重2N,B物体重4N,中央用弹簧衔接,弹力大小为2N,此时吊A物体的绳的拉力为T,B对地的压力为F,则T.F的数值可能是A.7N,0 B.4N,2N C.1N,6N D.0,6N剖析:对于轻质弹簧来说,既可处于拉伸状况,也可处于紧缩状况.所以,此问题要分两种情形进行剖析.(1)若弹簧处于紧缩状况,则经由过程对A.B受力剖析可得:,(2)若弹簧处于拉伸状况,则经由过程对A.B受力剖析可得:,答案:B.D.点评:此题重要针对弹簧既可以紧缩又可以拉伸的这一特色,考核学生对问题进行周全剖析的才能.有时,概况上两种情形都有可能,但必须经由断定,若某一种情形物体受力情形和物体所处状况不符,必须消除.所以,对这类问题必须经由受力剖析联合物体活动状况之后作出断定.均衡类问题总结:这类问题一般把受力剖析.胡克定律.弹簧形变的特色分解起来,考核学生对弹簧模子根本常识的控制情形.只要学生静力学基本常识扎实,进修习惯较好,这类问题一般都邑水到渠成,此类问题相对较简略.2.突变类问题例3.(2001年上海)如图3所示,一质量为m的小球系于长度分别为l1.l2的两根细线上,l1的一端吊挂在天花板上,与竖直偏向夹角为θ,l2程度拉直,小球处于均衡状况.现将l2线剪断,求剪断瞬时小球的加快度.若将图3中的细线l1改为长度雷同.质量不计的轻弹簧,如图4所示,其他前提不变,求剪断细线l2瞬时小球的加快度.剖析:(1)当剪断细线l2刹时,不但l2对小球拉力刹时消掉,l1的拉力也同时消掉,此时,小球只受重力感化,所以此时小球的加快度为重力加快度g.(2)当把细线l1改为长度雷同.质量不计的轻弹簧时,在当剪断细线l2刹时,只有l2对小球拉力刹时消掉,弹簧对小球的弹力和剪断l2之前没变更,因为弹簧恢复形变须要一个进程.如图5所示,剪断l2刹时,小球受重力G和弹簧弹力,所以有:,偏向程度向右.点评:此题属于细线和弹簧弹力变更特色的静力学问题,学生不但要对细线和弹簧弹力变更特色熟习,还要对受力剖析.力的均衡等相干常识闇练运用,此类问题才干得以解决.突变类问题总结:不成伸长的细线的弹力变更时光可以疏忽不计,是以可以称为“突变弹力”,轻质弹簧的弹力变更须要一准时光,弹力逐渐减小,称为“渐变弹力”.所以,对于细线.弹簧类问题,当外界情形产生变更时(如撤力.变力.剪断),要从新对物体的受力和活动情形进行剖析,细线上的弹力可以突变,轻弹簧弹力不克不及突变,这是处理此类问题的症结.3.碰撞型弹簧问题此类弹簧问题属于弹簧类问题中相比较较简略的一类,而其重要特色是与碰撞问题相似,但是,它与碰撞类问题的一个显著不同就是它的感化进程相对较长,而碰撞类问题的感化时光极短.例4.如图6所示,物体B静止在滑腻的程度面上,B的左边固定有轻质的弹簧,与B质量相等的物体A以速度v向B活动并与弹簧产生碰撞,A.B始终沿同一向线,则A,B构成的体系动能损掉最大的时刻是A.A开端活动时 B.A的速度等于v时C.B的速度等于零时 D.A和B的速度相等时剖析:解决如许的问题,最好的办法就是可以或许将两个物体感化的进程细化,明白两个物体在互相感化的进程中,其具体的活动特色.具体剖析如下:(1)弹簧的紧缩进程:A物体向B活动,使得弹簧处于紧缩状况,紧缩的弹簧分别对A.B物体产生如右中图的感化力,使A向右减速活动,使B向右加快活动.因为在开端的时刻,A的速度比B的大,故两者之间的距离在减小,弹簧不竭紧缩,弹簧产生的弹力越来越大,直到某个刹时两个物体的速度相等,弹簧紧缩到最短.(2)弹簧紧缩形变恢复进程:过了两物体速度相等这个刹时,因为弹簧仍然处于紧缩状况,A持续减速,B持续加快,这就会使得B的速度变的比A的速度大,于是A.B物体之间的距分开端变大,弹簧逐渐恢复形变直至原长.(3)弹簧的拉伸进程:因为B的速度比A的速度大,弹簧由原长变成拉伸状况.此时,弹簧对两物体的弹力偏向向内,使A向右加快活动,B向右减速活动,直到A.B速度相等时弹簧拉伸到最长状况.(4)弹簧拉伸形变恢复进程:过了两物体速度相等这个刹时,因为弹簧仍然处于拉伸状况,A持续加快,B持续减速,这就会使得A的速度变的比B的速度大,于是A.B物体之间的距分开端变小,弹簧逐渐恢复形变直至原长.就如许,弹簧不竭地紧缩.拉伸.恢复形变.当外界用力压弹簧时,弹簧会被紧缩,从而获得弹性势能,当弹簧开端恢复形变之后,它又会将所蓄积的弹性势能释放出去,这个蓄积和释放的进程,弹簧自身其实不会消耗能量.能量在两个物体和弹簧之间进行传递.点评:在由两个物体和弹簧构成的体系的活动中,具有下面的特色:(1)两个物体速度相等时,弹簧处于形变量(紧缩或拉伸)最大的状况,弹簧的弹性势能达到最大.(2)两个物体不断地进行着加快和减速活动,但加快度时刻在变更,所以有关两个物体活动的问题不克不及采取活动学公式来解决.但此模子属于弹性碰撞模子,所以知足包含弹簧在内的体系动量守恒和体系机械能守恒.4:机械能守恒型弹簧问题对于弹性势能,高中阶段其实不须要定量盘算,但是须要定性的懂得,即知道弹性势能的大小与弹簧的形变之间消失直接的关系,对于雷同的弹簧,形变量一样的时刻,弹性势能就是一样的,不管是紧缩状况照样拉伸状况.例5.一劲度系数k=800N/m的轻质弹簧两头分别衔接着质量均为m=12kg的物体A.B,它们竖直静止在程度面上,如图7所示.现将一竖直向上的变力F感化在A上,使A开端向上做匀加快活动,经0.40s物体B刚要分开地面.求:⑴此进程中所加外力F的最大值和最小值.⑵此进程中力F所做的功.(设全部进程弹簧都在弹性限度内,取g=10m/s2)剖析:此题考核学生对A物体上升进程中具体活动进程的懂得.在力F方才感化在A上时,A物体受到重力mg,弹簧向上的弹力T,竖直向上的拉力F.跟着弹簧紧缩量逐渐减小,弹簧对A的向上的弹力逐渐减小,则F必须变大,以知足F+T-mg=ma.当弹簧恢回复复兴长时,弹簧弹力消掉,只有F-mg=ma;跟着A物体持续向上活动,弹簧开端处于拉伸状况,则物体A的受到重力mg,弹簧向下的弹力T,竖直向上的拉力F,知足F-T-mg=ma.跟着弹簧弹力的增大,拉力F也逐渐增大,以保持加快度不变.等到弹簧拉伸到足够长,使得B物体正好分开地面时,弹簧弹力大小等于B物体的重力.答案:(1)开端时,对于A物体:,得弹簧紧缩量是ΔB刚要分开地面时,对于B物体仍有:,得弹簧伸长量Δ是以A向上活动的位移是0.3m,由公式:2.所以:开端时刻F=ma=45N为拉力最小值;B刚要分开地面时F'-mg-kΔx=ma,得F'=285N为拉力最大值.(2)拉力做的功等于体系增长的机械能,始末状况弹性势能雷同.所以由和,可得此进程中拉力做的功等于49.5J.点评:此类题的症结是要剖析出最大值和最小值时刻的特色,必须经由过程受力剖析得出物体活动的具体进程特点,只要把物体做每一种活动情势的力学原因搞清晰了,这类问题就会水到渠成.所以,学生在日常平凡的练习中,必须养成优越的思维习惯,对于较庞杂的物理进程,必须先分段研讨,化一个庞杂问题为若干个简略模子,针对若干个简略的物理情景,一一剖析消失这一物理情景的力学原因,当把每一个物理情景都剖析清晰了,全部问题的答案就会水到渠成.例6.如图8所示,物体B和物体C用劲度系数为k的弹簧衔接并竖直地静置在程度面上.将一个物体A从物体B的正上方距离B的高度为H0处由静止释放,下落伍与物体B碰撞,碰撞后A和B 粘合在一路并连忙向下活动,在今后的活动中A.B不再分别.已知物体A.B.C的质量均为M,重力加快度为g,疏忽物体自身的高度及空气阻力.求:(1)A与B碰撞后刹时的速度大小.(2)A和B一路活动达到最大速度时,物体C对程度地面压力为多大?(3)开端时,物体A从距B多大的高度自由落下时,在今后的活动中才干使物体C正好分开地面?剖析:进程剖析法:第一阶段:A自由落体;第二阶段:A.B产生碰撞,感化时光极短,时光疏忽;第三阶段:AB成为一体的刹时,弹簧形变来不及产生转变,弹簧的弹力仍为mg,小于AB整体重力2mg,所以物体AB所受合力仍然为向下,物体仍然向下加快,做加快度减小的加快活动.当弹簧的弹力增大到正好为2mg时,物体AB合力为0,物体持续向下活动.第四阶段:弹簧持续被紧缩,紧缩量持续增长,产生的弹力持续增长,大于2mg,使得物体AB所受合力变成向上,物体开端向下减速,直至弹簧紧缩到最短,AB物体停滞活动.所以,当物体AB所受合力为0时就是该物体速度最大的时刻.答案:(1)A自由下落由机械能守恒得:,求得A与B碰撞,因为碰撞时光极短,由A.B构成的体系动量守恒得:.所以求得A与B碰撞后刹时的速度大小(2)由前面剖析知,A和B一路活动达到最大速度的时刻,即为物体AB受合力为0的时刻:对C受力剖析知地面临C的支撑力.所以物体C对程度地面压力也为3mg.(3)设物体A从距离B为H的高度自由落下时,在今后的活动中才干使物体C正好分开地面.要使C正好分开地面,意味着当A 上升到最高点时弹簧的弹力为mg,弹簧的伸长量为,A.B相碰停滞时刻弹簧的紧缩量也为.所以,由A.B物体以及弹簧构成的体系,从A.B相碰停滞开端到A.B上升到最高点的进程中,体系机械能守恒,初状况A.B的动能全体转化为末状况A.B的重力势能,弹性势能没有变更.所以有:,求得:点评:高中阶段的机械能守恒等式分为:“守恒式”.“转移式”和“转化式”三种,对于任何研讨对象,无论是单个物体照样体系,都可以采取“守恒式”列等式,选好零势能面,肯定初.末状况的机械能,此办法思绪简略,但等式庞杂,运算量较大.“转移式”只能针对一个体系,如两个物体A.B构成的体系,,若A物体机械能减小,B物体的机械能必定增长,且变更量相等,A减小的机械能转移到B上导致B物体机械能增长.“转化式”表现了机械能守恒中机械能从一种情势转化成别的一种情势,在转化进程中总的机械能不变.即:,若物体或体系动能增长了,势能必定减小,且增长的动能等于减小的势能.此类模子是涉及弹簧在内的体系机械能守恒,在这类模子中,一般涉及动能.重力势能和弹性势能,列等式一般采取“转移式”或“转化式”.5.简谐活动型弹簧问题弹簧振子是简谐活动的经典模子,有一些弹簧问题,假如从简谐活动的角度思虑,运用简谐活动的周期性和对称性来处理,问题的难度将大大降低.例7.如图9所示,一根轻弹簧竖直竖立在程度面上,下端固定.在弹簧正上方有一个物块从高处自由下落到弹簧上端O,将弹簧紧缩.当弹簧被紧缩了x0时,物块的速度减小到零.从物块和弹簧接触开端到物块速度减小到零进程中,物块的加快度大小a随降低位移大小x变更的图像,可能是下图中的剖析:我们知道物体所受的力为弹力和重力的合力,而弹力与形变量成正比,所以加快度与位移之间也应当是线性关系,加快度与位移关系的图像为直线.物体在最低点的加快度与重力加快度之间的大小关系应当是本题的难点,借助简谐活动的加快度对称性来处理最便利.若物块正好是原长处下落的,依据简谐活动对称性,可知最低点时所受的合力也是mg,偏向向上,所以弹力为2mg,加快度为g.如今,初始地位比原长处要高,如许最低点的地位比上述情形要低,弹簧紧缩量也要大,产生的弹力肯定大于2mg,加快度肯定大于g.例8.如图10所示,一质量为m的小球从弹簧的正上方H高处自由下落,接触弹簧后将弹簧紧缩,在紧缩的全进程中(疏忽空气阻力且在弹性限度内),以下说法准确的是A.小球所受弹力的最大值必定大于2mgB.小球的加快度的最大值必定大于2gC.小球刚接触弹簧上端时动能最大D.小球的加快度为零时重力势能与弹性势能之和最大解析:本题是一个典范的简谐活动模子问题.可参考例8剖析即可.6.分解类弹簧问题例9.质量均为m的两个矩形木块A和B用轻弹簧相衔接,弹簧的劲度系数为k,将它们竖直叠放在程度地面上,如图13所示,另一质量也是m的物体C,从距离A为H的高度自由下落,C与A相碰,相碰时光极短,碰后A.C不粘连,当A.C一路回到最高点时,地面临B的支撑力正好等于B的重力.若C从距离A为2H高处自由落下,在A.C一路上升到某一地位,C与A分别,C持续上升,求:(1)C没有与A相碰之前,弹簧的弹性势能是若干?(2)C上升到最高点与A.C分别时的地位之间距离是若干?解:进程剖析法(1)C由静止下落H高度.即与A相撞前的速度为,则:,得出:(2)C与A相撞,由动量守恒定律可得:得出:(3)A.C一路紧缩弹簧至A.C上升到最高点,由机械能守恒定律得:得出(4)C由静止下落2H高度时的速度为,则:得出(5)C与A相撞:得出:(6)A.C一路紧缩弹簧至A.C分别,由机械能守恒定律得:得出:(7)C单独上升X高度,由机械能守恒定律得:得出:例10.如图12所示,质量为m1的物体A经一轻质弹簧与下方地面上的质量为m2的物体B相连,弹簧的劲度系数为k,A.B都处于静止状况.一条不成伸长的轻绳绕过轻滑轮,一端连物体A,另一端连一轻挂钩.开端时各段绳都处于伸直状况,A上方的一段绳沿竖直偏向.如今挂钩上升一质量为m3的物体C并从静止状况释放,已知它正好能使B分开地面但不持续上升.若将C换成另一个质量为的物体D,仍从上述初始地位由静止状况释放,则此次B刚离地时D的速度的大小是若干?已知重力加快度为g.解:进程剖析法(1)开端时,A.B都静止,设弹簧紧缩量为,则:得出:(2)挂上C由静止释放,由B刚好分开地面得:得出:(3)挂上C直至B刚好分开地面,由体系机械能守恒得:个中为弹簧弹性势能的增长量(4)若将C换成D后,当B刚好分开地面时弹簧弹性势能的增长量与前一次雷同,得出:以上两式联立得出:分解类弹簧问题总结:分解类弹簧问题一般物理情景庞杂,涉及的物理量较多,思维进程较长,标题难度较大.处理这类问题最好的办法是前面所述的“肢解法”,即把一个庞杂的问题“肢解”成若干个熟习的简略的物理情景,一一攻破.这就要肄业生具有扎实的基本常识,日常平凡擅长积聚罕有的物理模子及其处理办法,并具有把一个物理问题还原成物理模子的才能.。

弹簧质量块模型过程分析

弹簧质量块模型过程分析

过程分析之弹簧如图11所示,两个木块质量分别为m 1和m 2,两轻质弹簧的劲度系数分别为k 1和k 2,上面木块压在上面的弹簧上(但不拴接),整个系统处于平衡状态,现缓慢向上提上面的木块,直到它刚离开上面的弹簧,在这过程中下面木块移动的距离A .11k g m B. 22k gm C.21k gm D.22k g m如图所示,劲度系数为2k 的轻弹簧B 竖直固定在桌面上.上端连接一个质量为m 的物体,用细绳跨过定滑轮将物体m 与另一根劲度系数为1k 的轻弹簧C 连接。

当弹簧C 处在水平位置且没发生形变时.其右端点位于a 位置。

现将弹簧C 的右端点沿水平方向缓慢拉到b 位置时,弹簧B 对物体m 的弹力大小为mg 32,则ab 间的距离为________。

如图所示,两根轻弹簧AC 和BD ,它们的劲度系数分别为k1和k2,它们的D 端分别固定在质量为m 的物体上,A 、B 端分别固定在支架和正下方地面上,当物体m静止时,上方的弹簧处于原长;若将物体的质量增加了原来的2倍,仍在弹簧的弹性限度内,当物体再次静止时,其相对第一次静止时位置下降了 ( )A .B .C .D .如图10所示,劲度系数为k 1的轻质弹簧两端分别与质量为m 1 、m 2 的物块1、2拴接,劲度系数为k 2的轻质弹簧上端与物块2拴接,下端压在桌面上(不拴接),整个系统处于平衡状态。

现施力将物块1缓慢地竖直上提,直到下面那个弹簧的下端刚脱离桌面,在此过程中物块2的重力势能增加了多少?物块1的重力势能增加了多少?如图所示,重80N 的物体A 放在倾角为30°的粗糙斜面上,有一根原长为10cm ,劲度系数为1000N/m 的弹簧,其一端固定在斜面底端,另一端放置物体A 后,弹簧长度缩短为8cm 。

现用一测力计沿斜面向上拉物体。

若物体与斜面间的最大静摩擦力为25N ,当弹簧的长度仍为8cm 时,测力计的示数可能为A .10NB .20NC .40ND .60Nm 1m 2K 2 K 1 图11m 1m 21 2 k 1 K 2图10如图所示,在水平板的左端有一固定挡板,挡板上连接一轻质弹簧.紧贴弹簧放一质量为m 的滑块,此时弹簧处于自然长度.已知滑块与板之间的动摩擦因数为,且最大静摩擦力等于滑动摩擦力.现将板的右端缓慢抬起(板与水平面的夹角为θ),直到板竖直,此过程中弹簧弹力的大小F 随夹角θ的变化关系可能是( )A B C D用轻弹簧竖直悬挂质量为m 的物体,静止时弹簧伸长量为L 。

弹簧质量块模型

弹簧质量块模型

弹簧质量块模型弹簧质量块模型是物理学中的一个理论模型,用来描述质点与弹簧相互作用的行为。

该模型的基本假设是质点与弹簧之间只有一维运动,并且只受弹簧的弹力和阻尼力的作用,不考虑其他外力的影响。

弹簧质量块模型的基本特点是:质点与弹簧之间有一个弹性恢复力的作用,该力与质点与弹簧之间的相对位置有关;质点的运动受到弹簧的弹力和阻尼力的影响;质点和弹簧之间没有摩擦力的作用。

根据这些特点,可以建立质点和弹簧之间的运动方程,并通过求解该方程,得到质点的运动规律和弹簧的变形情况。

在弹簧质量块模型中,弹簧的弹性恢复力可以用胡克定律进行描述。

胡克定律是描述弹簧变形和恢复力之间关系的物理定律。

根据胡克定律,弹簧的弹性恢复力与弹簧的伸长或缩短的长度成正比,并且与弹簧的劲度系数有关。

弹簧的劲度系数是一个与弹簧的特性有关的物理量,它表示单位长度的弹簧在给定压缩或拉伸力下所产生的弹力大小。

对于一个质量为m的质点连接在一个劲度系数为k的弹簧上,根据牛顿第二定律,可以得到质点的运动方程如下:m * a = -k * x - c * v其中,m是质点的质量,a是质点的加速度,k是弹簧的劲度系数,x是弹簧的伸长或缩短的长度,c是质点受到的阻尼系数,v是质点的速度。

右侧第一项代表弹簧的弹力,第二项表示阻尼力,负号表示力的方向与位移方向相反。

对于这个运动方程,可以有不同的求解方法,如拉普拉斯变换法、矩阵法等。

通过求解这个方程,可以得到质点的位移关于时间的函数,进而得到质点的运动规律。

在实际应用中,弹簧质量块模型可以用来描述各种振动系统,如弹簧振子、弹簧单摆等。

这些振动系统在工程、物理和生物等领域中具有广泛的应用。

通过弹簧质量块模型,可以研究和分析系统的振动特性,从而提高工程设计的稳定性和性能。

总之,弹簧质量块模型是物理学中常用的一个理论模型,可以用来描述质点与弹簧之间的相互作用。

通过建立质点和弹簧之间的运动方程,并通过求解该方程,可以得到质点的运动规律和弹簧的变形情况。

弹簧质量阻尼系统模型

弹簧质量阻尼系统模型

自动控制原理综合训练项目题目:关于MSD系统控制的设计目录1设计任务及要求分析 (3)1.1初始条件 (3)1.2要求完成的任务 (3)1.3任务分析 (4)2系统分析及传递函数求解 (4)2.1系统受力分析 (4)2.2 传递函数求解 (9)2.3系统开环传递函数的求解 (9)3.用MATLAB对系统作开环频域分析 (10)3.1开环系统波特图 (10)3.2开环系统奈奎斯特图及稳定性判断 (12)4.系统开环频率特性各项指标的计算 (14)总结 (17)参考文献 (18)弹簧-质量-阻尼器系统建模与频率特性分析1设计任务及要求分析1.1初始条件已知机械系统如图。

x图1.1 机械系统图1.2要求完成的任务(1) 推导传递函数)(/)(s X s Y ,)(/)(s P s X ,(2) 给定m N k m N k m s N b g m /5,/8,/6.0,2.0212==•==,以p 为输入)(t u(3)用Matlab画出开环系统的波特图和奈奎斯特图,并用奈奎斯特判据分析系统的稳定性。

(4)求出开环系统的截止频率、相角裕度和幅值裕度。

(5)对上述任务写出完整的课程设计说明书,说明书中必须进行原理分析,写清楚分析计算的过程及其比较分析的结果,并包含Matlab源程序或Simulink仿真模型,说明书的格式按照教务处标准书写。

1.3任务分析由初始条件和要求完成的主要任务,首先对给出的机械系统进行受力分析,列出相关的微分方程,对微分方程做拉普拉斯变换,将初始条件中给定的数据代入,即可得出)(s/)P(X两个传递函数。

由于本系统是一个单位负s/)(Y,)(sXs反馈系统,故求出的传递函数即为开环传函。

后在MATLAB中画出开环波特图和奈奎斯特图,由波特图分析系统的频率特性,并根据奈奎斯特判据判断闭环系统位于右半平面的极点数,由此可以分析出系统的稳定性。

最后再计算出系统的截止频率、相角裕度和幅值裕度,并进一步分析其稳定性能。

弹簧质量块模型 -回复

弹簧质量块模型 -回复

弹簧质量块模型-回复弹簧质量块模型是物理学中一个常见的模型,用于研究弹性力学和振动的现象。

弹簧质量块模型由一个质量块和一个弹簧组成,其中弹簧连接在质量块上。

本文将一步一步回答有关弹簧质量块模型的相关问题,解释其原理和应用。

第一步:什么是弹簧质量块模型?弹簧质量块模型是一种理论模型,用来描述一个质量块与一个弹簧相互作用的力学过程。

在这个模型中,质量块通常被假设为一个点形式,弹簧被假设为一个理想的弹性物体。

通过改变质量块的质量和弹簧的弹性常数,我们可以研究弹簧的弹性特性和质量块的运动状态。

第二步:为什么需要弹簧质量块模型?弹簧质量块模型是物理学中一个重要的模型,因为它能够帮助我们理解和解释许多真实世界中的物理现象。

例如,通过弹簧质量块模型,我们可以研究弹簧的弹性恢复力和振动频率,了解物体在弹簧上的振动行为。

此外,弹簧质量块模型也可以应用于多种实际问题,如悬挂系统、弹簧秤和弹簧振子等。

第三步:弹簧的弹性力学特性?弹簧是一种能够存储和释放弹性势能的物体。

弹簧的弹性力学特性可以由弹性恢复力和弹簧的弹性常数来描述。

弹性恢复力是指当弹簧发生形变时,弹簧对形变做出的反向恢复力。

弹簧的弹性力与弹簧的形变量成正比,比例常数为弹簧的弹性常数。

当弹簧发生形变时,弹性恢复力的大小与弹性常数成正比,与形变的方向相反。

第四步:质量块的运动方程?质量块的运动可以由牛顿第二定律来描述。

根据牛顿第二定律,质量块所受合力等于质量块的质量乘以加速度。

在弹簧质量块模型中,质量块所受的合力包括重力和弹簧的弹性力。

重力是地球对物体的吸引力,其大小等于物体的质量乘以重力加速度。

而弹簧的弹性力与弹簧的形变有关,根据胡克定律,弹簧的弹性力与形变成正比。

因此,质量块受到的合力可以表示为重力与弹簧弹性力之和。

利用牛顿第二定律,我们可以得到质量块的运动方程。

若质量块在x轴上运动,则质量块所受的合力为F = -kx - mg,其中k为弹簧的弹性常数,x为弹簧的形变量,m为质量块的质量,g为重力加速度。

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过程分析之弹簧如图11所示,两个木块质量分别为m 1和m 2,两轻质弹簧的劲度系数分别为k 1和k 2,上面木块压在上面的弹簧上(但不拴接),整个系统处于平衡状态,现缓慢向上提上面的木块,直到它刚离开上面的弹簧,在这过程中下面木块移动的距离A .11k g m B. 22k gm C.21k gm D.22k g m如图所示,劲度系数为2k 的轻弹簧B 竖直固定在桌面上.上端连接一个质量为m 的物体,用细绳跨过定滑轮将物体m 与另一根劲度系数为1k 的轻弹簧C 连接。

当弹簧C 处在水平位置且没发生形变时.其右端点位于a 位置。

现将弹簧C 的右端点沿水平方向缓慢拉到b 位置时,弹簧B 对物体m 的弹力大小为mg 32,则ab 间的距离为________。

如图所示,两根轻弹簧AC 和BD ,它们的劲度系数分别为k1和k2,它们的D 端分别固定在质量为m 的物体上,A 、B 端分别固定在支架和正下方地面上,当物体m静止时,上方的弹簧处于原长;若将物体的质量增加了原来的2倍,仍在弹簧的弹性限度内,当物体再次静止时,其相对第一次静止时位置下降了 ( )A .B .C .D .如图10所示,劲度系数为k 1的轻质弹簧两端分别与质量为m 1 、m 2 的物块1、2拴接,劲度系数为k 2的轻质弹簧上端与物块2拴接,下端压在桌面上(不拴接),整个系统处于平衡状态。

现施力将物块1缓慢地竖直上提,直到下面那个弹簧的下端刚脱离桌面,在此过程中物块2的重力势能增加了多少?物块1的重力势能增加了多少?如图所示,重80N 的物体A 放在倾角为30°的粗糙斜面上,有一根原长为10cm ,劲度系数为1000N/m 的弹簧,其一端固定在斜面底端,另一端放置物体A 后,弹簧长度缩短为8cm 。

现用一测力计沿斜面向上拉物体。

若物体与斜面间的最大静摩擦力为25N ,当弹簧的长度仍为8cm 时,测力计的示数可能为A .10NB .20NC .40ND .60Nm 1m 2K 2 K 1 图11m 1m 21 2 k 1 K 2图10如图所示,在水平板的左端有一固定挡板,挡板上连接一轻质弹簧.紧贴弹簧放一质量为m 的滑块,此时弹簧处于自然长度.已知滑块与板之间的动摩擦因数为,且最大静摩擦力等于滑动摩擦力.现将板的右端缓慢抬起(板与水平面的夹角为θ),直到板竖直,此过程中弹簧弹力的大小F 随夹角θ的变化关系可能是( )A B C D用轻弹簧竖直悬挂质量为m 的物体,静止时弹簧伸长量为L 。

现用该弹簧沿斜面方向拉住质里为2 m 的物体,系统静止时弹簧伸长量也为L 。

斜面倾角为30°,如图所示。

则物体所受摩擦力 A .等干零B .大小为12mg ,方向沿斜面向下C .大小为32mg ,方向沿斜面向上 D . 大小为mg ,方向沿斜面向上如图,一倾角为θ的斜面固定在水平地面上,一质量为m 有小球与弹簧测力计相连在一木板的端点处,且将整个装置置于斜面上,设木板与斜面的动摩擦因数为μ,现将木板以一定的初速度0v 释放,不熟与木板之间的摩擦不计,则( ABC ) A .如果0μ=,则测力计示数也为零B .如果tan μθ,则测力计示数大于sin mg θC .如果tan μθ=,则测力计示数等于sin mg θD .无论μ取何值,测力计示数都不能确定如图所示,两质量相等的物块A 、B 通过一轻质弹簧连接,B 足够长、放置在水平面上,所有接触面均光滑。

弹簧开始时处于原长,运动过程中始终处在弹性限度内。

在物块A 上施加一个水平恒力,A 、B 从静止开始运动到第一次速度相等的过程中,下列说法中正确的有A .当A 、B 加速度相等时,系统的机械能最大B .当A 、B 加速度相等时,A 、B 的速度差最大C .当A 、B 的速度相等时,A 的速度达到最大D .当A 、B 的速度相等时,弹簧的弹性势能最大如图所示,A 、B 质量均为m ,叠放在轻质弹簧上,当对A 施加一竖直向下的力,大小为F ,将弹簧压缩一段,而且突然撤去力F 的瞬间,关于A 的加速度及A 、B 间的相互作用力的下述说法正确的是( )A 、加速度为0,作用力为mg 。

B 、加速度为F/2m ,作用力为mg+F/2C 、速度为F/m ,作用力为mg+FD 、加速度为F/2m ,作用力为(mg+F )/2如图所示,一根轻弹簧上端固定,下端挂一质量为m 1的箱子,箱中有一质量为m 2的物体.当箱静止时,弹簧伸长L 1,向下拉箱使弹簧再伸长L 2时放手,设弹簧处在弹性限度内,则放手瞬间箱对物体的支持力为:( )A.g m L L 212)1(+B.g m m L L ))(1(2112++C.g m L L 212D.g m m L L)(2112+如图所示,静止在水平面上的三角架质量为M ,它用两质量不计的弹簧连接着质量为m 的小球,小球上下振动,当三角架对水平面的压力为mg 时,小球加速度的方向与大小分别是( ) A .向上,/Mg m B 。

向下,/Mg m C .向下,gD 。

向下,()/Mm g m +如图所示,一端固定在地面上的竖直轻弹簧,在它的正上方高H 处有一个小球自由落下,落到轻弹簧上,将弹簧压缩。

如果分别从1H 和2H (12H H )高处释放小球,小球落到弹簧上将弹簧压缩的过程中获得的最大动能分别为1k E 和2k E ,在具有最大动能时刻的重力势能分别为1p E 和2p E ,比较1k E 、2k E 和1p E 、2p E 的大小正确的是 ( )A .12k k E E ,12p p E E = B 。

12kk E E ,12p p E E C .12kk E E ,12p p E E =D 。

12kk E E ,12p p E E如图所示,固定在水平面上的竖直轻弹簧上端与质量为M 的物块A 相连,静止时物块A 位于P 处,另有一质量为m 的物块B ,从A 的正上方Q 处自由下落,与A 发生碰撞立即具有相同的速度,然后A 、B 一起向下运动,将弹簧继续压缩后,物块A 、B 被反弹,下面有关的几个结论正确的是( )A .A 、B 反弹过程中,在P 处物块B 与A 分离 B .A 、B 反弹过程中,在P 处物块A 具有最大动能C .B 可能回到Q 处D .A 、B 从最低点向上运动到P 处的过程中,速度先增大后减小22(2006年江苏卷)如图所示,物体A 置于物体B 上,一轻质弹簧一端固定,另一端与B 相连,在弹性限度范围内,A 和B 一起在光滑水平面上做往复运动(不计空气阻力),并保持相对静止,则下列说法正确的是( )A .A 和B 均做简谐运动B .作用在A 上的静摩擦力大小与弹簧的形变量成正比C .B 对A 的静摩擦力对A 做功,而A 对B 的静摩擦力对B 不做功D .B 对A 的静摩擦力始终对A 做正功,而A 对B 的静摩擦力始终对B 做负功如图1所示,一根轻弹簧上端固定在O 点,下端栓一个钢球P ,球处于静止状态。

现对球施加一个方向向右的外力F ,使球缓慢偏移,在移动中的每一个时刻,都可以认为钢球处于平衡状态。

若外力F 方向始终水平,移动中弹簧与竖直方向的夹角θ<90°且弹簧的伸长量不超过弹性限度,则下面给出的弹簧伸长量x 与cos θ的函数关系图象中,最接近的是( )如图所示,轻弹簧下端挂一个质量为M 的重物,平衡后静止在原点O .现令其在O 点上下做蔺谐振动,图中哪一个图像能正确反映重物的加速度a 随位移x 变化的关系(沿x 轴方向的加速度为正)。

( B)如图a 所示,水平面上质量相等的两木块A 、B 用一轻弹簧相连接,整个系统处于平衡状态.现用一竖直向上的力F 拉动木块A ,使木块A 向上做匀加速直线运动,如图b 所示.研究从力F 刚作用在木块A 的瞬间到木块B 刚离开地面的瞬间这个过程,并且选定这个过程中木块A 的起始位置为坐标原点,则下列图象中可以表示力F 和木块A 的位移x 之间关系的是( )如图所示,劲度数为k 的轻弹簧的一端固定在墙上,另一端与置于水平面上质量为m 的物体接触(未连接),弹簧水平且无形变。

用水平力F 缓慢推动物体,在弹性限度内弹簧长度被压缩了0x ,此时物体静止。

撤去F 后,物体开始向左运动,运动的最大距离为40x 。

物体与水平面间的动摩擦因数为μ,重力加速度为g 。

则 A .撤去F 后,物体先做匀加速运动,再做匀减速运动B .撤去F 后,物体刚运动时的加速度大小为0kx g mμ- C .物体做匀减速运动的时间为02x gμD .物体开始抽左运动到速度最大的过程中克服摩擦力做的功为0()mgmg x kμμ-图1 Fx O F x O F x O F x O F A B C DA B a A B bA 、B 两球质量分别为m 1与m 2,用一劲度系数为k 的弹簧相连,一长为l 1的细线与m 1相连,置于水平光滑桌面上,细线的另一端拴在竖直轴OO /上,如图7所示,当m 1与m 2均以角速度ω绕OO /做匀速圆周运动时,弹簧长度为l 2。

求:(1)此时弹簧伸长量多大?绳子张力多大? (2)将线突然烧断瞬间两球加速度各多大?解析:m 2只受弹簧弹力,设弹簧伸长Δl ,满足k Δl =m 2ω2(l 1+l 2)∴弹簧伸长量Δl =m 2ω2(l 1+l 2)/k对m 1,受绳拉力T 和弹簧弹力F 做匀速圆周运动, 满足:T -F =m 1ω2l 1绳子拉力T =m 1ω2l 1+m 2ω2(l 1+l 2) (2)线烧断瞬间A 球加速度a 1=F /m 1=m 2ω2(l 1+l 2)/m 1B 球加速度a 2=F /m 2=ω2(l 1+l 2)如图所示,在倾角为θ的光滑斜面上有两个用轻质弹簧相连接的物块A 、B ,它们的质量分别为m A 、m B ,弹簧的劲度系数为k ,C 为一固定挡板.系统处于静止状态.现开始用一恒力F 沿斜面方向拉物块A 使之向上运动,求物块B 刚要离开C 时物块A 的加速度a 和从开始到此时物块A 的位移d .(重力加速度为g )如图所示,一劲度系数为k =800N/m 的轻弹簧两端各焊接着两个质量均为m =12kg 的物体A 、B 。

物体A 、B 和轻弹簧竖立静止在水平地面上,现要加一竖直向上的力F 在上面物体A 上,使物体A 开始向上做匀加速运动,经0.4s 物体B 刚要离开地面,设整个过程中弹簧都处于弹性限度内,取g =10m/s 2 ,求:(1)此过程中所加外力F 的最大值和最小值。

(2)此过程中外力F 所做的功。

一个劲度系数为k =600N/m 的轻弹簧,两端分别连接着质量均为m =15kg 的物体A 、B ,将它们竖直静止地放在水平地面上,如图所示,现加一竖直向上的外力F 在物体A 上,使物体A 开始向上做匀加速运动,经0.5s ,B 物体刚离开地面(设整个加速过程弹簧都处于弹性限度内,且g =10m/s2)。

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