質(zhì)量的概念與物理史上這

1、質(zhì)量的概念與物理史上這一概念的質(zhì)量的概念與物理史上這一概念的產(chǎn)生與發(fā)展產(chǎn)生與發(fā)展 “質(zhì)量”這一概念，我們是在初中物理首先學(xué)習(xí)到的。初中課本里定義“物體所含物質(zhì)的多少叫做質(zhì)量”，然后說質(zhì)量可以用天平測量，并用質(zhì)量/體積來定義密度。這樣的說法使得我們自然地將質(zhì)量和重量混在了一起。高中里我們先是學(xué)到“質(zhì)量是描述物體慣性的物理量”，并且學(xué)會了用合外力/加速度來求物體的質(zhì)量。這時，質(zhì)量和重量就區(qū)分開來了。之后在學(xué)習(xí)萬有引力定律時，我們又知道了物體產(chǎn)生的引力場的強度是由其質(zhì)量決定的。 以上就是我們在中學(xué)階段所學(xué)的“質(zhì)量”，可以看到我們關(guān)于“質(zhì)量”的理解是個逐漸發(fā)展起來的過程。那么物理史上“質(zhì)量”這一概念又

2、是怎么產(chǎn)生與發(fā)展的呢？（1）牛頓前對質(zhì)量概念的認(rèn)識 在很早以前，人們在研究物體的慣性運動時，就曾探討過打破慣性運動時外來原因與運動變化的關(guān)系問題。伊壁鳩魯就認(rèn)為：快慢現(xiàn)象的產(chǎn)生，是由于有還是沒有發(fā)生碰撞。這樣，就把原子在虛空中運動的方向和速度的改變與作用力聯(lián)系起來，當(dāng)然這還只是一種定性的思辨性思想，但這里也已孕育著質(zhì)量概念的有關(guān)思想。 伽利略在否定亞里士多德將速度與力相聯(lián)系的錯誤觀點后，首次提出了加速度的概念，從而把加速度與作用力直接聯(lián)系起來。他指出，作用力按物體運動的速度的變化而成正比例地增加，這里伽利略已具有靜質(zhì)量的概念，即物體含有原子數(shù)量的多少。但伽利略時代還不能區(qū)分質(zhì)量與重量這兩個概念

3、，常把二者混用，而且還沒有明確地提出質(zhì)量的概念。 最早提出質(zhì)量概念的是弗蘭西斯培根。他在1620年出版的新工具一書中，把質(zhì)量定義為“物體所含物質(zhì)之量”，并提出“作用力依賴于質(zhì)量”，從而把質(zhì)量與作用力聯(lián)系起來。(2)靜質(zhì)量概念的形成 牛頓在接受了從古原子論者直至伽利略和培根關(guān)于靜質(zhì)量概念的論述，他在自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理中明確定義了物體的靜質(zhì)量，即質(zhì)量是“物質(zhì)之量”，是由其密度和大?。w積）共同量度。也即質(zhì)量是指物體含有物質(zhì)的多少。在這里牛頓用密度和體積來定義質(zhì)量，而不像今天我們是用質(zhì)量和體積來定義密度，因為在牛頓時代，密度和體積是比質(zhì)量更為簡單的物理量。按照牛頓這種定義，說明物質(zhì)是由不變的、不可入

4、的、不可分割和具有慣性的原子組成的；質(zhì)量就是物體包含的原子數(shù)量的量度；物體的體積愈大，原子的排列愈密，它所包含的原子數(shù)愈多，其質(zhì)量就愈大。3）慣性質(zhì)量概念的建立 牛頓在自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理中引入了慣性質(zhì)量的概念“定義，物質(zhì)固有的力，是每個物體按其一定的量而存在于其中的一種抵抗能力，在這種力的作用下物體保持其原來靜止?fàn)顟B(tài)或者勻速直線運動狀態(tài)?！痹诮忉寱r，牛頓指出： “這種力總是同具有這種力的物質(zhì)的量成正比的?！边@樣牛頓就把慣性質(zhì)量的概念引入了物理學(xué)。在牛頓總結(jié)出的牛頓第二定律中更有具體的體現(xiàn)，由牛頓第二定律F=ma，質(zhì)量就被定義為“物體慣性大小的量度”，即可以對不同物體施以同樣大小的力，根據(jù)它們獲

5、得加速度的大小來確定質(zhì)量的大小。獲得加速度大的物體質(zhì)量小，獲得加速度小的物體質(zhì)量大。這種測定物體質(zhì)量的大小的方法就是根據(jù)慣性的大小來量度的，因此，這樣測得的質(zhì)量稱為慣性質(zhì)量?！皯T性質(zhì)量”的定義與“物質(zhì)的多少”這一關(guān)于質(zhì)量的概念也是相一致的。 根據(jù)定義，慣性質(zhì)量是描述物體在受到一定的外力作用時所具有的維持原來運動狀態(tài)不變性質(zhì)的一個物理量。這個定義一方面反映了物質(zhì)的客觀實在性，因此慣性是物體的一種屬性，作為其量度的質(zhì)量也就成為反映物體特性的物理量。另一方面，它反映了物質(zhì)與運動之間的辯證關(guān)系。但是，物體的慣性只是反映了物體保持其運動狀態(tài)不發(fā)生變化的不變特性，而不直接反映物質(zhì)的數(shù)量與物體的運動性質(zhì)有什

6、么聯(lián)系，反映這種聯(lián)系是慣性質(zhì)量。 （4）引力質(zhì)量概念的建立 質(zhì)量的另一屬性是量度物體引力作用的大小，具有這一屬性的質(zhì)量通常稱為引力質(zhì)量。引力質(zhì)量的概念是牛頓在發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的過程中形成與建立起來的，從萬有引力定律出發(fā)可定義引力質(zhì)量。通常引力作用包括施力和受力兩方面。根據(jù)牛頓的萬有引力定律，任何兩物體之間都有引力作用著，引力的方向沿兩物體（視為質(zhì)點）的連線上，大小與兩物體的質(zhì)量m1、m2的乘積成正比，與兩者距離r的平方成反比，即：即為引力公式 其中G為萬有引力常數(shù)，質(zhì)量m1、m2反映了物體引力作用的大小，稱為“引力質(zhì)量”。引力質(zhì)量與“物質(zhì)的多少”這一關(guān)于質(zhì)量概念的定義是相一致的。根據(jù)萬有引力定

7、律，如果把m2作為引力源，則m2越大，引力就越大，因此，引力質(zhì)量是產(chǎn)生引力場的能力的量度。另一方面，m1越大時，引力也越大，所以從這個角度看，質(zhì)量又是受引力場作用能力的量度。因此，可以引入“引力質(zhì)量”的概念來定義物體產(chǎn)生引力與受引力場作用的能力大小的量度。鑒于引力質(zhì)量的性質(zhì)，可用某物體（如地球）引力的大小來量度該物體的引力質(zhì)量的大小。例如天平量度質(zhì)量就是基于這種思想，因而天平所量度的就是物體的引力質(zhì)量。（5）慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量的關(guān)系 從以上的敘述可知，慣性質(zhì)量是出現(xiàn)在牛頓第二定律中，引力質(zhì)量是出現(xiàn)在萬有引力定律中，這二者是分別出現(xiàn)在兩個基本的而且相互獨立的定律中，顯然，它們在物理本性上是完全不

8、同的。愛因斯坦曾生動地以地球和石頭間的引力為例來說明這一點，他說：“地球以重力吸引石頭而對其慣性質(zhì)量毫無所知。地球的 召喚力與引力質(zhì)量有關(guān)，而石頭所回答的運動則與慣性質(zhì)量有關(guān)?！币虼?，就出現(xiàn)了這樣的一個問題：物體的引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量是否是一回事？物體的慣性和引力這兩種外表上完全不同的物理現(xiàn)象之間是否有深刻聯(lián)系？這一問題在物理學(xué)的發(fā)展歷史上曾有過許多爭論和探索。 在物理學(xué)發(fā)展史上，牛頓首先從自由落體實驗和單擺實驗中論證了今天所說的引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量的等價問題。牛頓的實驗設(shè)計思想是這樣的：由于地球的自轉(zhuǎn)，地球上的物體所受到的重力與萬有引力是不一致的。我們可以把重力看作是萬有引力與慣性質(zhì)量有關(guān)的慣性

9、離心力二者的合力。這樣，重力既與引力質(zhì)量有關(guān)，也與慣性質(zhì)量有關(guān)。并有關(guān)系式： 這里m引是指物體的引力質(zhì)量m慣是指物體的慣性質(zhì)量。同時這里是矢量加法。從地球上某一固定點來看，上式中第二項是一個常數(shù)。這樣從上式中可得這樣的結(jié)論：對于同一位置上的不同物體，如果每一物體的m引與m慣不等或不成比例，則不同物體的g將不同。因此，實驗就歸結(jié)為驗證不同物體的g是否嚴(yán)格一致。若一致，則m引與m慣相等或成正比；若不一致，二者則不等或不成比例。 在牛頓時代，要用實驗精確測定g是很困難的，主要是難以精確測量下落的時間間隔為此，牛頓設(shè)計采用了觀測單擺的振動，根據(jù)長度相同的單擺的擺動周期來間接測定不同物體的重力加速度g。

10、牛頓測得，慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量成正比例的準(zhǔn)確性達(dá)到 1/1000。 后來，貝塞爾運用牛頓的方法曾用各種不同物質(zhì)做成的單擺進(jìn)行實驗，得到這兩種質(zhì)量成正比例的結(jié)果精確到1/60000。1894年厄阜用扭秤實驗證實了引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量之間的比例性質(zhì)，其結(jié)果準(zhǔn)確程度很高。厄阜的實驗以十億分之五的準(zhǔn)確性測得二者是相等的。1922年厄阜又將實驗精確度提高到310。1964年狄克等人改進(jìn)了厄阜的實驗，用金和鋁來進(jìn)行扭秤實驗，精確度提高到（1.31.0）10，1971年勃萊金斯基和佩語又將精度提高到10。 所有實驗結(jié)果都可以簡單表述為，在儀器測量精度范圍內(nèi)，m引 / m慣= 常數(shù)，適當(dāng)選取單位可使常數(shù)數(shù)值等于1

11、（如選取引力常數(shù)G=6.669910 mkgs）這樣，慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量就完全等價。愛因斯坦以他獨特地創(chuàng)見，從慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量等價的基本事實出發(fā)，創(chuàng)立了廣義相對論，成為現(xiàn)代物理學(xué)的一大支柱。 （6）動質(zhì)量和質(zhì)能關(guān)系 在經(jīng)典力學(xué)中，物體的質(zhì)量是個不變的量，而在相對論力學(xué)中，物體的質(zhì)量不是一個恒量，物體質(zhì)量與運動速度之間有一定的函數(shù)關(guān)系，即質(zhì)速關(guān)系：當(dāng)靜止質(zhì)量為m的物體以速度v運動時，其質(zhì)量為： 式中c為真空中的光速。這就是相對論的質(zhì)速關(guān)系，m稱為相對論質(zhì)量，又稱為動質(zhì)量。m與m0的差別只在物體運動速度很大，與光速可比擬時才顯示出來。質(zhì)速關(guān)系式已為實驗所證實。質(zhì)速關(guān)系式表明，物體的速度愈大，其質(zhì)量愈大，速度為零時質(zhì)量最小，這時的質(zhì)量就是靜質(zhì)量。 隨著質(zhì)量概念的進(jìn)一步發(fā)展，現(xiàn)代物理學(xué)已明確質(zhì)量與能量之間的內(nèi)在聯(lián)系，這就是根據(jù)愛因斯坦狹義相對論推導(dǎo)出的質(zhì)能關(guān)系式：E=mc²。式中E為能量，m為動質(zhì)量，c為真空中的光速。該式表示任何一個物體的質(zhì)量和它所包含的能量之間的關(guān)系。該式表明，任何物質(zhì)的質(zhì)量變化都將伴隨著相應(yīng)的能量變化，反之亦然，兩物理量之間滿足此關(guān)系式。這一關(guān)系已為實驗事實，特別是核反應(yīng)的實驗事實所證實，它是揭示和利用原子能的理論基礎(chǔ)。在自然界中，質(zhì)量是一重要