質(zhì)量及其物理意義

1、1、引言質(zhì)量是物理學(xué)最基本最重要的概念之一。隨著人們對(duì)經(jīng)典物理現(xiàn)象及概念逐步深入的研究認(rèn)識(shí)，對(duì)物質(zhì)質(zhì)量的理解、界定和測(cè)量方法經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展變化過程。1960年，第十一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過的國(guó)際單位制，其國(guó)際代號(hào)為SI，我國(guó)簡(jiǎn)稱其為國(guó)際制，將質(zhì)量確定為七個(gè)基本物理量之一：其名稱為“質(zhì)量”（mass），簡(jiǎn)寫為M或m；其單位名稱為“千克”，國(guó)際單位代號(hào)為“kg”；并作文字定義：“千克等于國(guó)際千克原器的質(zhì)量。國(guó)際千克原器是世界上目前所存的定義最早（1989年）保存最嚴(yán)密的七個(gè)基本量中唯一的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)件的由來是這樣的：十八世紀(jì)中葉，法國(guó)為了改變國(guó)內(nèi)計(jì)量制度的混亂情況，在規(guī)定通過巴黎的地球

2、子午線的四千萬分之一為1米的同時(shí)，在米的基礎(chǔ)上規(guī)定了質(zhì)量的單位，即規(guī)定1分米3的純水在時(shí)的質(zhì)量為1千克（水在時(shí)密度最大），并且用鉑制作了標(biāo)準(zhǔn)千克原器，保存在法國(guó)檔案局，因而稱這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)千克器為“檔案千克”。1872年科學(xué)家們通過國(guó)際會(huì)議，決定以法國(guó)的檔案千克為標(biāo)準(zhǔn)，用鉑依合金制作標(biāo)準(zhǔn)千克的復(fù)制器中，選了一個(gè)質(zhì)量與“檔案千克”最接近的作為國(guó)際千克原器，保存在巴黎國(guó)際計(jì)量局。1889年第一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)批準(zhǔn)以這個(gè)國(guó)際千克原器作為質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，沿用至今。中國(guó)“國(guó)家千克基準(zhǔn)”在1965年由國(guó)際計(jì)量局檢定，并由倫敦的stanton儀器公司加以調(diào)整，嚴(yán)格保存在北京中國(guó)計(jì)量科學(xué)院的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中。2、質(zhì)量的物理意義

3、2.1物體的質(zhì)量是其含物質(zhì)的多少這是牛頓最初質(zhì)量定義的含義，牛頓指出：“定義1，物質(zhì)的量是用它的密度和體積一起來量度的”。這是一種樸素和直覺地表述。鑒于知識(shí)的漸進(jìn)性和可接受性，目前我國(guó)初中物理教科書就是采用定義：“物體中含有物質(zhì)的多少叫質(zhì)量”（人教版）。而且還指出“質(zhì)量不隨物體的形狀、狀態(tài)、溫度和位置的改變而改變（這一說法并不準(zhǔn)確），是物體本身的固有屬性”。2.2 質(zhì)量表示物體的慣性質(zhì)量是描述物質(zhì)屬性的物理量。物體具有保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的屬性慣性。牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律是把物體在其速度變化（運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化）時(shí)所顯示的阻抗能力（慣性）定量化的量度。即，由于當(dāng)時(shí)無法解釋一項(xiàng)，即認(rèn)為，所以有，式中即為質(zhì)量，是

4、物體平動(dòng)慣性大小的量度，也是物體作加速平動(dòng)運(yùn)動(dòng)屬性的表現(xiàn)，因而稱為慣性質(zhì)量，我國(guó)現(xiàn)行高中物理教材就采用這一表述方式。2.3 質(zhì)量是表示物體間引力大小的量度物體具有產(chǎn)生引力作用和感受引力作用的屬性。牛頓于17世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的萬有引力定律就是反映這一屬性的規(guī)律。其表示式，式中的和就是相互作用的二個(gè)物體分別具有產(chǎn)生引力作用（產(chǎn)生引力場(chǎng)牛頓是持超距作用不認(rèn)為有場(chǎng)的存在）并能感受引力作用大小的量度，因而稱之為引力質(zhì)量2.4 慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量的關(guān)系設(shè)地球表面某處一物體，如果忽略地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)，它受到地球的萬有引力為式牛M和R是地球的質(zhì)量和半徑，G為萬有引力常數(shù)，為該物體的引力質(zhì)量；另一方面，設(shè)此物體在力的作用下

5、產(chǎn)生的加速度為，則式中為慣性質(zhì)量。以同樣條件設(shè)另一物體，則由以上四式得：實(shí)驗(yàn)事實(shí)是地球表面同一處的重力加速度都是相等的，即因此有由此可見，一切物體自由下落時(shí)的加速度都相等的事實(shí)，意味著引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量有正比關(guān)系，在萬有引力定律和牛頓第二定律中，如果選取適當(dāng)?shù)膯挝?，則二者是相等的。正是基于這樣的客觀事實(shí)，愛因斯坦提出了引力場(chǎng)的概念，并認(rèn)為加速場(chǎng)可以抵消引力場(chǎng)效應(yīng)，總結(jié)出了“等效原理”，作為廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)并將引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量用如下關(guān)系聯(lián)系起來：慣性質(zhì)量加速度（加速場(chǎng)強(qiáng)度）=引力質(zhì)量引力場(chǎng)強(qiáng)度不過等效應(yīng)原理的動(dòng)力學(xué)機(jī)制還不太清楚2.5 質(zhì)量隨述速度的增長(zhǎng)其實(shí)，在牛頓第二定律中已經(jīng)得出了等于

6、什么的問題，只是牛頓力學(xué)是建立在超距作用的絕對(duì)時(shí)空觀上，將質(zhì)量視為一個(gè)與運(yùn)動(dòng)無關(guān)的恒定量。而在相對(duì)論力學(xué)中運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量與其速度有如下關(guān)系式中為靜止質(zhì)量，即時(shí)。為光速。物體高速的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，引起物體質(zhì)量的改變，說明物體的慣性或產(chǎn)生和感受引力的性質(zhì)發(fā)生了變化，同時(shí)也說明了物質(zhì)的屬性與其運(yùn)動(dòng)有關(guān)。在低速下，由于物質(zhì)屬性的改變極為微小，從而才認(rèn)為物體的質(zhì)量是恒定的。2.6 質(zhì)能守恒是近代物理學(xué)的基石之一。在相對(duì)論力學(xué)創(chuàng)立之前，人們一直以為質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律是兩條彼此沒有關(guān)系的完全獨(dú)立的定律。相對(duì)論力學(xué)揭示了質(zhì)量與能量之間存在著十分簡(jiǎn)單的關(guān)系。在中當(dāng)時(shí)，將其進(jìn)行冪級(jí)數(shù)展開得：即式中第二項(xiàng)正是經(jīng)典

7、力學(xué)里熟知的物體的動(dòng)能。由此可知，一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的能量可以分成二部分，其一是運(yùn)動(dòng)時(shí)才具有的動(dòng)能，其二是靜止時(shí)也具有能量即。物體的靜能是一個(gè)嶄新的概念，是與物體靜止質(zhì)量相聯(lián)系的能量，與直接成正比。這樣，任何物質(zhì)的質(zhì)量與其能量E存在著普適關(guān)系。當(dāng)物體的能量發(fā)生變化時(shí)，它的質(zhì)量就按這一關(guān)系相應(yīng)地發(fā)生變化，反之，它的質(zhì)量發(fā)生了改變必定伴隨其能量的變化。這一結(jié)論與目前所有的實(shí)驗(yàn)事實(shí)相符合。比如，人們運(yùn)用質(zhì)能守恒關(guān)系解釋了原子核反應(yīng)時(shí)質(zhì)量虧損現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了核內(nèi)蘊(yùn)藏著巨大的能量，等等。3、物體質(zhì)量的測(cè)量方法隨著科技水平的發(fā)展，質(zhì)量測(cè)量技術(shù)的水平和手段在不斷地提高和改進(jìn)，特別是將電子技術(shù)應(yīng)用到質(zhì)量測(cè)定技術(shù)之中而發(fā)明的電子天平，其感量可達(dá)萬分之一。目前在實(shí)驗(yàn)室和教學(xué)科研中常用的質(zhì)量測(cè)量方法從原理上講，主要有用（各種）天平測(cè)定物體質(zhì)