关于质量的概念

关于质量的概念
在经典物理学中，质量有两个含义：(1)物体惯性大小的量度，(2)物体对别的物体产生和接受引力能力的大小的量度，前者称为惯性质量，后者称为引力质量。

在国际单位制中，质量被定为基本量，主单位是千克。

历史上，人们早就有了关于质量和重量的概念。

在17世纪以前，质量和重量是分不开的，两个名词可以任意调换使用。

后来发现同一物体在地球表面不同的地方具有不同的重量，两个概念才区别开来。

惠更斯首先提出了质量是物体“实质的量”的概念。

牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中给质量下的定义是：“物质的量是用它的密度和体积一起来量度的。

”牛顿认为，物质都是由完全相同的、不可再分的粒子——原子组成的，所谓密度就是单位体积中包含的原子数的多少，所谓质量就是整个物体所含原子数的多少。

在牛顿的时代，人们对物质结构的认识是极初步的。

随着科学的不断发展，人们对物质结构的认识越来越深入。

现在已经认识到，非但原子不是不可分割的最小粒子，甚至质子、中子等也不是不可分割的最小粒子了，而且，物质不但以实物粒子的形态存在，还以场的形态存在，带电的实物粒子和它们所激发的场之间还存在着相互作用和相互转换的关系。

因此，根据物质的结构把质量定义为物质内部所含物质(粒子数等)的多少是极困难的，这样定义的质量是无法测量的。

现今，在第十四届国际计量会议上已经把“质量”和“物质的量”分别规定为两个不同的基本量了。

现在的“物质的量”指的是在特定意义下的物质的多少，或粒子数的多少，它的单位是摩尔，摩尔是一物体系的物质的量，这个物体系所含的结构粒子数与千克碳12的原子数相等，结构粒子可以是原子、分子、离子等。

惯性质量的概念是在牛顿定律以后建立起来的。

牛顿第一定律指出了一切物体都具有惯性。

但惯性有大有小，同样大小的力作用在不同的物体上产生的加速度不同，加速度的大小决定于物体固有的性质——惯性的大小，惯性大的物体获得的加速度小，惯性小的物体获得的加速度大。

人们用惯性质量来量度惯性的大小。

根据这一定义，应该用物体所获得的加速度来量度它们的质量，规定：当某一定的力作用在两个不同质量m1和m2的物体上时，测得它们的加速度分别为
a 1和a 2，则
1221a a m m =
如果m 1是单位质量，则m 2的质量为
12
12m a a m •= 这是理论上测定质量的方法，是在唯一的一定力的作用下，根据规定的反比关系来测量的。

因此它不是牛顿第二定律，使已知质量的各个物体受到各种大小不同的力的作用，测出它们获得的加速度，在多次实验的基础上才能总结出牛顿第二定律。

引力质量的概念是从万有引力定律引入的，一切物体之间都存在着吸引力，吸引力的大小和两个物体之间的距离有关，和两个物体本身产生引力场和受引力场作用的能力有关。

人们用引力质量来表示这种能力的大小。

同一物体的惯性质量和引力质量是成正比的。

这点可由下述事实证明，即：在地面上同一地点，一切物体下落的加速度都相同。

证明过程如下：物体在地面上受到地球的引力为A GMm 引/R 2，式中M 为地球的引力质量，m 引为该物体的引力
质量。

物体在引力作用下获得加速度g 。

根据牛顿第二定律应有F=m 惯g ，m 惯为物体的惯性质量，因此
惯引
m m R M
G g •=2
由于在同一地方g 是一个定值，所以m 引/m 惯是一个常数，即：同一物体的
惯性质量和引力质量成正比(如果考虑到地球的自转，重力加速度的计算应加一修正项ω02Rcos 2，但当g 值一定时，m 引/m 惯仍为一个常数)。

牛顿曾用单摆实验证明过上述结论。

20世纪又有别的科学家以高度精确的实验证明了这一点。

既然惯性质量和引力质量是严格成正比的，只要选取适当的单位，两者在数值上就相等，因此，人们往往不再对这两种质量加以区分，认为它们是物质同一内在属性的不同表现，统称之为质量。

测量质量的工具是天平。

天平达到平衡时，被称物体的重力和砝码的重力相等，在同一地点重力和质量成正比，所以物体的质量和砝码的质量相等。

无论把天平移到地球上什么地方，这一关系都不会改变。

我国使用的杆秤也是测量质量的工具。

20世纪初爱因斯坦建立了相对论以后，人们对质量又有了新的认识，主要有以下两点：
(1)物体的质量随着它的速度而变化。

对于某一参考系，运动物体的质量大于它静止时的质量，两者的关系为
20
1⎪⎭⎫ ⎝⎛-=c v m m
式中m 0为静止质量，v 是物体相对于该参考系的速度，c 是真空中的光速。

可以看出，只有当物体的速度远小于光速时，才能把它的质量看成是不变的。

(2)物体的质量是它内部蕴藏的能量的量度。

静止的物体的内部能量为 E 0=m 0c 2
当物体的质量减少Am 时，它释放的能量是△E=△mc 2。

当物体以速度v 运动时，它的质量为 2201c v m m -= 它蕴藏能量为22
2
021c v c m mc E -==
以上两点在现代高能物理实验中都已得到了证实。

在中学物理教学中，质量的概念在初中就引入了，定义为“物体所含物质的多少”。

限于学生的知识水平，不可能一开始就对质量有深刻的理解，教学中只能这样引入。

这种定义和学生在生活中的直觉一致，容易被学生接受。

教师也不必引导学生去追究什么是物质的多少。

但学生对质量和重量(重力)这两个概念往往是区分不开的。

在讲牛顿运动定律和万有引力定律时，再进一步让学生建立惯性质量和引力质量的概念，使学生深入一步地理解质量是反映物质的本质属性的物理量。