国际单位制(SI)基本物理量——质量及其物理意义

国际单位制（SI）基本物理量——质量及其物理意义

摘要：本文简要介绍了质量的国际单位制表示，讨论了质量的物理意义，简单介绍了测量物质质量的几种常用方法

关键词：质量基本物理量国际单位制

1、引言

质量是物理学最基本最重要的概念之一。随着人们对经典物理现象及概念逐步深入的研究认识，对物质质量的理解、界定和测量方法经历了一个漫长的发展变化过程。1960年，第十一届国际计量大会通过的国

际单位制，其国际代号为SI，我国简称其为国际制，将质量确定为七个基本物理量之一：其名称为“质量”（mass），简写为M或m；其单位名称为“千克”，国际单位代号为“kg”；并作文字定义：“千克等于国际千克原器的质量。

国际千克原器是世界上目前所存的定义最早（1989年）保存最严密的七个基本量中唯一的实物标准。这个实物标准件的由来是这样的：十八世纪中叶，法国为了改变国内计量制度的混乱情况，在规定通过巴黎的地球子午线的四千万分之一为1米的同时，在米的基础上

规定了质量的单位，即规定1分米3的纯水在时的质量为1千克（水在时密度最大），并且用铂制作了标准千克原器，保存在法国档案局，因而称这个标准千克器为“档案千克”。1872年科学家们通过国际会议，决定以法国的档案千克为标准，用铂依合金制作标准千克的复制器中，选了一个质量与“档案千克”最接近的作为国际千克原器，保存在巴黎国际计量局。1889年第一届国际计量大会批准以这个国际千克原器作为质量标准，沿用至今。

中国“国家千克基准”在1965年由国际计量局检定，并由伦敦的stanton仪器公司加以调整，严格保存在北京中国计量科学院的质量标准库中。

2、质量的物理意义

2.1物体的质量是其含物质的多少

这是牛顿最初质量定义的含义，牛顿指出：“定义1，物质的量是用它的密度和体积一起来量度的”。这是一种朴素和直觉地表述。鉴于知识的渐进性和可接受性，目前我国初中物理教科书就是采用定义：“物体中含有物质的多少叫质量”（人教版）。而且还指出“质量不随物体的形状、状态、温度和位置的改变而改变（——这一说法并不准确），是物体本身的固有属性”。

2.2 质量表示物体的惯性

质量是描述物质属性的物理量。物体具有保持原有运动状态的属性——惯性。牛顿第二运动定律是把物体在其速度变化（运动状态变化）时所显示的阻抗能力（惯性）定量化的量

度。即，由于当时无法解释一项，即认为，所

以有，式中即为质量，是物体平动惯性大小的量度，也是物体作加速平动运动属性的表现，因而称为惯性质量，我国现行高中物理教材就采用这一表述方式。

2.3 质量是表示物体间引力大小的量度

物体具有产生引力作用和感受引力作用的属性。牛顿于17世纪发现的万有引力定律就

是反映这一属性的规律。其表示式，式中的和就是相互作用的二个物体分别具有产生引力作用（产生引力场——牛顿是持超距作用不认为有场的存在）并能感受引力作用大小的量度，因而称之为引力质量

2.4 惯性质量与引力质量的关系

设地球表面某处一物体，如果忽略地球自转效应，它受到地球的万有引力为

式牛M和R是地球的质量和半径，G为万有引力常数，为该物体的引力质量；另一方面，设此物体在力的作用下产生的加速度为，则

式中为惯性质量。以同样条件设另一物体，则

由以上四式得：

实验事实是地球表面同一处的重力加速度都是相等的，即因此有:

由此可见，一切物体自由下落时的加速度都相等的事实，意味着引力质量与惯性质量有正比关系，在万有引力定律和牛顿第二定律中，如果选取适当的单位，则二者是相等的。正

是基于这样的客观事实，爱因斯坦提出了引力场的概念，并认为加速场可以抵消引力场效应，总结出了“等效原理”，作为广义相对论的实验基础并将引力质量和惯性质量用如下关系联系起来：

惯性质量×加速度（加速场强度）=引力质量×引力场强度

不过等效应原理的动力学机制还不太清楚

2.5 质量随述速度的增长

其实，在牛顿第二定律中已经得出了等于什么的问题，只是牛顿力学是建立在超距作用的绝对时空观上，将质量视为一个与运动无关的恒定量。而在相对论力学中运动物体的质量与其速度有如下关系:

式中为静止质量，即时。为光速。物体高速的运动效应，引起物体质量的改变，说明物体的惯性或产生和感受引力的性质发生了变化，同时也说明了物质的属性与其运动有关。在低速下，由于物质属性的改变极为微小，从而才认为物体的质量是恒定的。2.6 质能守恒是近代物理学的基石之一。

在相对论力学创立之前，人们一直以为质量守恒定律和能量守恒定律是两条彼此没有关系的完全独立的定律。相对论力学揭示了质量与能量之间存在着十分简单的关系。在

中当时，将其进行幂级数展开得：

即

式中第二项正是经典力学里熟知的物体的动能。由此可知，一个运动物体的能

量可以分成二部分，其一是运动时才具有的动能，其二是静止时也

具有能量即。

物体的静能是一个崭新的概念，是与物体静止质量相联系的能量，与直接成正比。这样，任何物质的质量与其能量E存在着普适关系

。

当物体的能量发生变化时，它的质量就按这一关系相应地发生变化，反之，它的质量发生了改变必定伴随其能量的变化。这一结论与目前所有的实验事实相符合。比如，人们运用质能守恒关系解释了原子核反应时质量亏损现象，发现了核内蕴藏着巨大的能量，等等。3、物体质量的测量方法随着科技水平的发展，质量测量技术的水平和手段在不断地提高和改进，特别是将电子技术应用到质量测定技术之中而发明的电子天平，其感量可达万分之一。目前在实验室和教学科研中常用的质量测量方法从原理上讲，主要有用（各种）天平测定物体质量即天平法，运用牛顿第二定律测质量；用动量守恒定律测质量；用单摆和弹簧称测质量；用万有引力定律推测天体质量；用匀强电场测带电粒子的质量；用质谱仪测带电微粒的质量；用理想气体状态方程测气体的质量；用油膜法测定物质分子的质量等等。由于篇幅，暂不作详细讨论。