20.如图所示,悬挂于竖直弹簧下端的小球质量为m,运动速度的大小为v,方向向下。经过时间 t,小球的速度大小为 v,方向变为向上。忽略空气阻力,重力加速度为 g,求该运动过程中,小球所受弹簧弹力冲量的大小。

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2018_江苏 Paper
20.如图所示,悬挂于竖直弹簧下端的小球质量为m,运动速度的大小为v,方向向下。经过时间 t,小球的速度大小为 v,方向变为向上。忽略空气阻力,重力加速度为 g,求该运动过程中,小球所受弹簧弹力冲量的大小。

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取竖直向上为正方向。
小球在运动过程中受到重力 $mg$ 和弹簧弹力 $F$ 的作用。设弹簧弹力的冲量为 $I_F$,重力的冲量为 $I_G$。
在时间 $t$ 内:
1. **确定初末动量**:
* 初状态:速度大小为 $v$,方向向下,故初速度 $v_0 = -v$。初动量 $p_0 = m(-v) = -mv$。
* 末状态:速度大小为 $v$,方向向上,故末速度 $v_t = v$。末动量 $p_t = mv$。
* 动量的变化量 $\Delta p = p_t - p_0 = mv - (-mv) = 2mv$。
2. **计算合外力的冲量**:
* 重力是恒力,方向向下,其冲量 $I_G = -mgt$。
* 弹簧弹力是变力,设其冲量为 $I_F$(方向总体向上,设为正值)。
* 根据动量定理,合外力的冲量等于动量的变化量:
$$ I_{\text{合}} = \Delta p $$
$$ I_F + I_G = \Delta p $$
$$ I_F - mgt = 2mv $$
3. **求解弹簧弹力冲量**:
由上式解得:
$$ I_F = 2mv + mgt $$
故该运动过程中,小球所受弹簧弹力冲量的大小为 $2mv + mgt$。