慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量的關(guān)系

慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量的關(guān)系

在物理上，質(zhì)量是一個(gè)非常重要的概念。這是目前國際組織體系中的七個(gè)基本單位之一。這不僅是牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)，也是學(xué)生必須理解和掌握的重要物理因素。質(zhì)量概念源遠(yuǎn)流長,牛頓的名著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》第一條就是“物體的質(zhì)量是用它的密度和體積一起量度的”,接著在對(duì)定義的論述中又說:“我在以后不論何時(shí)稱之為‘物體’或‘質(zhì)量’的就是指這個(gè)量而言”。由此可見,牛頓當(dāng)時(shí)并沒有把質(zhì)量這一物理量準(zhǔn)確而嚴(yán)密的描述出來。但為后來人們探討質(zhì)量這一物理量奠定了重要的基礎(chǔ)。在牛頓以后的年代,直到十九世紀(jì)下半葉,才出現(xiàn)一批具有深刻思想的物理學(xué)家,開始用懷疑和批判的眼光審查整個(gè)牛頓力學(xué)基礎(chǔ),他們當(dāng)中站在最前面的是馬赫。他在1867年發(fā)表了《關(guān)于質(zhì)量的定義》,提出了用兩個(gè)物體經(jīng)過相互作用所獲得的加速度的負(fù)比值作為它們的質(zhì)量反比這一定義方法。1876年,麥克斯韋又提出了利用一個(gè)確定的力先后對(duì)兩個(gè)物體加作用時(shí)它們所獲得的加速度值作為它們的質(zhì)量反比這一變通的定義,使得質(zhì)量這一概念才比較清晰的得以表達(dá)。質(zhì)量的屬性究竟是什么呢?一、加速度的質(zhì)量變化質(zhì)量是描述物質(zhì)屬性的物理量,物體有保持原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的屬性--慣性。用一確定的力先后對(duì)物體施加作用,獲得的加速度的比值作為它們質(zhì)量的反比,通過這些物體的加速度行為定義出來的質(zhì)量叫慣性質(zhì)量。質(zhì)量是慣性大小的量度,質(zhì)量越大,慣性越大;質(zhì)量越小,慣性越小。牛頓第二定律F=ma中的質(zhì)量m,表征了物體平動(dòng)慣性的特性。二、慣性質(zhì)量、引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量引力是迄今為止認(rèn)識(shí)的宇宙間四種相互作用之一。普遍存在于物體與物體之間,牛頓總結(jié)的萬有引力定律用公式表達(dá)為:F=GmM/r物體的慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量是在不同實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上定義出來的,它們用來量度物體兩種不同的性質(zhì):慣性質(zhì)量量度物體的慣性;引力質(zhì)量量度物體與其他物體相互吸引的性質(zhì)。因此,在經(jīng)典力學(xué)中,它們是兩個(gè)不同的物理量。但許多實(shí)驗(yàn)都證明慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量在數(shù)值上成正比。假如在地極處,物體的慣性質(zhì)量為m慣,引力質(zhì)量為m通過兩個(gè)世紀(jì)之交的物理學(xué)家的努力,大多數(shù)物理學(xué)教科書逐漸拋棄了僅僅將質(zhì)量說成是物質(zhì)的量或者用重量代替質(zhì)量的講法,而采取了慣性質(zhì)量的定義。三、質(zhì)量與比色力學(xué)一百多年以前,愛因斯坦發(fā)表了他跨時(shí)代的論文《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》提出了一些新觀點(diǎn),在相對(duì)論力學(xué)中,物體的質(zhì)量不再像牛頓經(jīng)典力學(xué)中總是保持不變。而是隨著速度的增加而增加,如一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)速度為V,則它的質(zhì)量四、標(biāo)量質(zhì)量g在不考慮地球自轉(zhuǎn)的情況下,物體的重量就是地球?qū)ξ矬w的引力,重量既然是力,因此它是矢量,單位與力的單位一樣,用牛頓(N)來表示。G=mg。而質(zhì)量是標(biāo)量,只有大小,沒有方向。我們平常買幾斤菜,幾斤米都是指物體的質(zhì)量,并不是重量。此外,由于地球上各處的重力加速度g是不相同的,所以,物體的重量也會(huì)隨地球的高度和緯度而改變。即在不同的地方,同一物體的重量將不同,但是質(zhì)量卻不會(huì)變。這就是說如果一個(gè)物體脫離了地球的吸引,重力將變?yōu)榱?。宇航員在地面上無論如何也不能舉起一噸重的鐵塊,而在脫離地球吸引的宇宙飛船上,則輕而易舉的就能舉起來。五、質(zhì)量的測量實(shí)驗(yàn)物體的質(zhì)量通常用天平進(jìn)行測量,但是,并不是所有物體的質(zhì)量都可以通過其直接測量。雖說轉(zhuǎn)化法與取樣法解決了一些質(zhì)量測定的實(shí)際問題,但在失重的太空中,以及對(duì)宏觀天體和微觀粒子的質(zhì)量測量,天平卻無能為力.那么,對(duì)于形形色色的物體,如何測定它們的質(zhì)量?天平是根據(jù)力矩平衡原理制成的,利用的是重力,而太空是微重力環(huán)境,那么,在失重的太空實(shí)驗(yàn)室中如何測量物體的質(zhì)量呢?這時(shí),質(zhì)量的測量可以根據(jù)簡諧運(yùn)動(dòng)的周期公式測得:以被測物體為振子(設(shè)其質(zhì)量為m),與勁度系數(shù)為k的彈簧相連組成彈簧振子裝置,當(dāng)其做簡諧運(yùn)動(dòng)時(shí),由周期公式T=2π1966年,曾在地球上空完成了以牛頓第二定律為基礎(chǔ)的質(zhì)量測定實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)時(shí),先讓軌道上運(yùn)行的火箭組發(fā)動(dòng)機(jī)熄火,然后用雙子星宇宙飛船去接觸,接觸以后,開動(dòng)飛船尾部的推進(jìn)器,使飛船和火箭組共同加速,推進(jìn)器的火箭組組雙子星,平均推力F等于895N,推進(jìn)器開動(dòng)時(shí)間為7s,測出飛船和火箭組的速度改變是0.9lm/s.已知雙子星號(hào)宇宙飛船的質(zhì)量m=3400kg,通過以上過程來測定火箭組的質(zhì)量m.推進(jìn)器的推力使宇宙飛船和火箭組產(chǎn)生的加速度為(三)采用生命力法和圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)法測量天體下的質(zhì)量(四)帶電粒子質(zhì)量譜的質(zhì)量微觀帶電粒子的質(zhì)量通?？赏ㄟ^質(zhì)譜方法測得.質(zhì)譜方法最早于1913年由J.J.湯姆遜確定,后來不斷改進(jìn)完善,英國科學(xué)家阿斯頓于1919年制成了第一臺(tái)質(zhì)譜儀,并用這臺(tái)裝置發(fā)現(xiàn)了多種元素的同位素,并第一次證明原子質(zhì)量虧損,他因此榮獲了1922年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng).其基本原理:將物質(zhì)試樣氣化,電離成離子束,經(jīng)電壓加速和聚焦后通過磁場電場區(qū),不同質(zhì)量的離子受到磁場電場的偏轉(zhuǎn)不同,聚焦在不同的位置,從而獲得不同帶電粒子的質(zhì)量譜,并據(jù)此確定其質(zhì)量。質(zhì)譜儀對(duì)微觀帶電粒子質(zhì)量的測定可以說是得心應(yīng)手,但對(duì)于不帶電粒子質(zhì)量的測定,則無能為力。1932年,法國物理學(xué)家約里奧·居里夫婦用釙源中的a粒子轟擊釵靶,產(chǎn)生穿透本領(lǐng)很強(qiáng)的射線,用這種射線照射石蠟,發(fā)現(xiàn)石蠟撞擊后發(fā)射出質(zhì)子,他們誤認(rèn)為這種射線是y射線。英國實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家查德威克以特有的敏感性感到需要重新審查這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果,他發(fā)現(xiàn)這種射線的速率只有光速的1/10,不可能是y射線.他預(yù)感到這很可能就是盧瑟福在1920年預(yù)言的、也正是自己多年尋找的中子。于是,他用彈性碰撞的理論來分析,巧妙地利用動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律,確認(rèn)該中性射線是質(zhì)量很大的中性粒子。質(zhì)量的概念,如同一切科學(xué)概念那樣,總是隨著人們對(duì)自然現(xiàn)象認(rèn)識(shí)的深入而逐步發(fā)展的。在物理學(xué)的發(fā)展過程中,對(duì)質(zhì)量的定義有四種,即:引力質(zhì)量、慣性質(zhì)量,總物質(zhì)量和能量質(zhì)量,由于基本物理概念的建立總是同相應(yīng)的物理規(guī)律相對(duì)應(yīng),因此,在經(jīng)典物理學(xué)中,引力質(zhì)量對(duì)應(yīng)著萬有引力定律,慣性質(zhì)量對(duì)應(yīng)著牛頓第二定律。在現(xiàn)代物理學(xué)中,總質(zhì)量對(duì)應(yīng)著相對(duì)性效應(yīng)中的質(zhì)速公式,能量質(zhì)量對(duì)應(yīng)著質(zhì)能公式。這樣看來物理學(xué)中過去認(rèn)為模糊不清的質(zhì)量概念,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)是有前提條件的,我們必須加以分別對(duì)待。(一)采用簡單運(yùn)動(dòng)法測量失環(huán)境中的物體質(zhì)量(二)利益質(zhì)量的測量千百年來,人類一直想知道腳下這顆藍(lán)色星球的質(zhì)量,如何測定呢?萬有引力定