ЕГЭ 2024. Физика. Отличный результат. Законы сохранения К1.13

[Александр Сакович]

13 (14). С вершины шероховатой наклонной плоскости из состояния покоя скользит с ускорением лёгкая коробочка, в которой находится груз массой m (см. рисунок). Как изменятся ускорение коробочки и модуль работы силы трения при движении коробочки от вершины до основания наклонной плоскости, если в коробочке будет лежать груз массой m/3?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличится, 2) уменьшится, 3) не изменится.
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Источники:
1. ЕГЭ. Физика. Отличный результат / под ред. М. Ю. Демидовой. — Москва: Издательство «Национальное образование», 2022. — 736 с. — (ЕГЭ. ФИПИ — школе).
2. ЕГЭ. Физика. Отличный результат / под ред. М. Ю. Демидовой. — Москва: Издательство «Национальное образование», 2024. — 496 с. — (ЕГЭ. Отличный результат. Учебная книга).

[Александр Сакович]

Анализ условия. 1) Коробочка с грузом массой m скользит вниз с ускорением a.
2) По условию во втором случае с той же наклонной плоскости скользит та же коробочка с грузом массой m/3, т.е. масса груза уменьшается.
Определим, как зависит ускорение a и модуль работы силы трения F_тр от массы груза m.

Решение. Будем считать коробочку с грузом одной материальной точкой, так как они движутся поступательно.На коробочку действуют сила тяжести m∙g, сила реакции опоры N, сила трения F_тр. Так как коробочка движется, то сила трения — это сила трения скольжения. Так как тело начинает движение из состояния покоя, то ускорение направлено в сторону движения. Оси направим так, как показано на рисунке.

Задачу будем решать в инерциальной системе отсчета, связанной с Землей. Тогда для материальной точки можем записать второй закон Ньютона в векторном виде и в проекциях на оси координат:
\[m \cdot \vec{a}=m \cdot \vec{g}+\vec{F}_{\text{тр}}+\vec{N},\]
\[0X:\ m \cdot a=m \cdot g \cdot \sin \alpha -F_{\text{тр}},\]
\[0Y:\ 0=-m \cdot g \cdot \cos \alpha +N,\]
\[N=m \cdot g \cdot \cos \alpha ,\]
где сила трения скольжения равна
\[F_{\text{тр}}=\mu \cdot N=\mu \cdot m \cdot g \cdot \cos \alpha .\ \ \ (1)\]
Тогда
\[m \cdot a=m \cdot g \cdot \sin \alpha -\mu \cdot m \cdot g \cdot \cos \alpha ,\]
\[a=g \cdot \left( \sin \alpha -\mu \cdot \cos \alpha  \right).\ \ \ (2)\]
1) Так как по условию коэффициент трения μ и угол α не изменяются, то из уравнения (2) следует, что при уменьшении массы m груза его ускорение a не изменится.
Это соответствует изменению № 3.

2) Так как по условию коэффициент трения μ и угол α не изменяются, то из уравнения (1) следует, что при уменьшении массы m груза, модуль работы силы трения F_тр так же уменьшится.
Это соответствует изменению № 2.
Ответ: 32.