解题思路:系统原来处于静止状态,由平衡条件和胡克定律得出弹簧的压缩量.由题,在前0.2s时间内F是变力,在0.2s以后是恒力,说明在0.2s时刻物体P与秤盘开始分离,此时它们之间的弹力恰好为零,根据牛顿第二定律此时盘的加速度与弹簧压缩量的关系式.整体过程中盘的位移等于弹簧压缩量之差,求出盘的位移,由位移公式得出位移与加速度的关系式,再联立求出加速度.由分析可知,刚开始时F最小,F为恒力时最大.
以物体P为研究对象.物体P静止时受重力G、称盘给的支持力N.
因为物体静止,∑F=0
N=mg=kx0①
解得:x0=0.15m②
(2)此时物体P受力如图受重力G,拉力F和支持力N′
据牛顿第二定律有 F+N′-mg=ma③
当0.2s后物体所受拉力F为恒力,即为P与盘脱离,即弹簧无形变,由0~0.2s内物体的位移为x0.物体由静止开始运动,
则x0=
1
2at2 ④
将x0=0.15m代入式④解得a=7.5m/s2
(3)F的最小值由式③可以看出即为N′最大时,即初始时刻N′=N=kx.
代入式③得
Fmin+Kx0-mg=ma
Fmin=mg-kX0+ma
=12×(7.5+10)-800×0.15
=90(N)
F最大值即N=0时,Fmax-mg=ma
Fmax=210(N)
答:(1)未施加力F时,弹簧的压缩量为0.15m;
(2)物体做匀加速直线运动的加速度大小为7.5m/s2;
(3)F的最小值90N,最大值是210N.
点评:
本题考点: 牛顿第二定律;胡克定律.
考点点评: 解题的关键是要理解0.2s前F是变力,0.2s后F的恒力的隐含条件.即在0.2s前物体受力和0.2s以后受力有较大的变化.本题若称盘质量不可忽略,在分析中应注意P物体与称盘分离时,弹簧的形变不为0,P物体的位移就不等于x0,而应等于x0-x(其中x即称盘对弹簧的压缩量).