如图所示,质量为M的物块A 放置在光滑水平桌面上,右侧连接…——2020 高考物理第 11 题答案解析

2020_省自主命题(山东)

2020 山东 第 11 题 单选题 区分题
2020_省自主命题(山东)

11. 如图所示,质量为M的物块A 放置在光滑水平桌面上,右侧连接一固定于墙面的水平轻绳,左侧通过一倾斜轻绳跨过光滑定滑轮与一竖直轻弹簧相连。现将质量为m 的钩码B挂于弹簧下端,当弹簧处于原长时,将B由静止释放,当B下降到最低点时(未着地),A 对水平桌面的压力刚好为零。轻绳不可伸长,弹簧始终在弹性限度内,物块A 始终处于静止状态。以下判断正确的是(  )

A. M<2m
B. 2m <M<3m
C. 在B从释放位置运动到最低点的过程中,所受合力对B先做正功后做负功
D. 在B从释放位置运动到速度最大的过程中,B克服弹簧弹力做的功等于 B机械能的减少量
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ACD

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**1. 分析物块 B 的运动与受力(判断选项 A、B)**

物块 B 挂在弹簧下端,从弹簧原长位置由静止释放。在此过程中,B 受到重力 $mg$ 和弹簧弹力 $F_{\text{弹}}$ 的作用。
由于弹簧弹力 $F_{\text{弹}} = kx$ 与位移 $x$ 成正比,且合力 $F_{\text{合}} = mg - kx$ 是线性回复力,故 B 做简谐运动。

* **平衡位置**:当 $F_{\text{弹}} = mg$ 时,加速度为零,速度最大。此时弹簧伸长量 $x_0 = \frac{mg}{k}$。
* **最低点**:根据简谐运动的对称性,释放点(最高点)速度为 0,加速度向下为 $g$;则最低点速度也为 0,加速度向上大小为 $g$。
在最低点,对 B 应用牛顿第二定律:
$$ F_{\text{弹,max}} - mg = ma = mg $$
解得最低点弹簧弹力:
$$ F_{\text{弹,max}} = 2mg $$

此时,连接 A 的倾斜轻绳拉力 $T = F_{\text{弹,max}} = 2mg$。
对物块 A 进行受力分析,A 受到重力 $Mg$、支持力 $N$、绳子拉力 $T$ 以及水平绳的拉力。设倾斜绳与水平方向夹角为 $\theta$。
题目指出“当 B 下降到最低点时……A 对水平桌面的压力刚好为零”,即 $N=0$。
在竖直方向上,A 受力平衡:
$$ T \sin\theta = Mg $$
代入 $T=2mg$,得:
$$ 2mg \sin\theta = Mg \implies M = 2m \sin\theta $$
由于绳子倾斜,$\theta < 90^\circ$,故 $\sin\theta < 1$。
因此:
$$ M < 2m $$
故选项 A 正确,选项 B 错误。

**2. 分析合力做功情况(判断选项 C)**

在 B 从释放位置运动到最低点的过程中:
* **第一阶段(释放点到平衡位置)**:弹簧弹力 $F_{\text{弹}} < mg$,合力方向向下,与运动方向相同,B 加速运动,合力做正功。
* **第二阶段(平衡位置到最低点)**:弹簧弹力 $F_{\text{弹}} > mg$,合力方向向上,与运动方向相反,B 减速运动,合力做负功。

综上,合力对 B 先做正功后做负功。故选项 C 正确。

**3. 分析功能关系(判断选项 D)**

研究对象为物块 B。在 B 从释放到速度最大的过程中,B 受到重力和弹簧弹力作用。
根据功能原理(除重力外其他力做的功等于机械能的变化量):
$$ W_{\text{其他}} = \Delta E_{\text{机}} $$
此处“其他力”即为弹簧弹力。弹簧弹力对 B 做负功,记为 $W_{\text{弹}}$。
$$ W_{\text{弹}} = E_{\text{机,末}} - E_{\text{机,初}} = -\Delta E_{\text{机,减}} $$
即弹簧弹力做的功等于 B 机械能的改变量。
因为弹簧弹力做负功,其绝对值等于 B 克服弹簧弹力做的功 $W_{\text{克弹}}$。
所以:
$$ W_{\text{克弹}} = |W_{\text{弹}}| = \Delta E_{\text{机,减}} $$
即 B 克服弹簧弹力做的功等于 B 机械能的减少量。故选项 D 正确。

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