【涨知识】带你彻底理解“质量”概念

理解质量,其实非常重要的一件事情。下面的阐述,只是个人见解,欢迎指正!

中学物理教材中对质量的阐述主要包括以下几点:

1、质量(mass)是指物体所含物质的多少。

2、物体的质量不会随着空间位置、形状、状态不同而不同。

3、质量是物体所具有的一种物理属性。

4、质量越大,物体所具有的惯性越大。质量是惯性大小的唯一量度。


初中就开始学习质量,但质量的概念,我们真的理解吗?

疑惑一:既然质量是指物质的多少,那么对于不同的物质组成的物体,这种物质的多少如何比较?

比如10个水分子与10个橡胶分子,它们的多少是一样的吗?百度里说,物体所含的物质是指“自然界中的宏观物体和电磁场、天体和星系、微观世界的基本粒子等的总称”。如果这种物质是电磁场,那么电磁场这种物质的多少如何比较?

疑惑二:质量为什么会与惯性扯上关系?

疑惑三:质量越大,惯性越大。有大小,就应该有单位,为什么质量有单位,而惯性没有单位?好奇怪……

疑惑四:惯性质量,引力质量是怎样一回事?

疑惑五:根据公式E=mc2,质量与能量可以互换?这又是怎么一回事?

疑惑六:像光子,胶子,没有静止质量,却有运动质量,这怎么理解?

疑惑七:电磁场既然是客观存在的物质,为什么没有质量?

疑惑八:爱因斯坦提出:物体的运动速度越大,它的质量也会越大。当物体的速度为光速,则物体的质量会变得无穷大。质量会变大,已经够神奇,质量还有变得无穷大的可能,仿佛神话故事一样不可思议,这是客观事实和规律吗?如何理解?

牛顿在他的著作《自然哲学的数学原理》中提出:“ 质量是按物体的重量求得。因为它与重量成正比,我经过多次极准确的实验发现了这一点 ”。

按牛顿的说法,质量是按物体的重量求得的。也就是说,质量概念之所以提出,是因为研究重力的需要。

在《自然哲学的数学原理》中,牛顿还有这么一句话:“之所以我奉献这一著作作为哲学的数学原理。因为哲学的整个困难看起来在于:从运动的现象我们研究自然界的力,然后从这些力我们证明其他的现象。”也就是说,牛顿的确是先研究力,在研究力的过程中再提出质量概念。

所以,要理解质量,我们先要从牛顿通过微积分方法得出牛顿力学定律中研究力与运动的关系。

定律 I
每一个物体都保持它自身的静止的或者一直向前均匀地运动的状态,除非由外加的力迫使它改变它自身的状态为止。

定律 II
运动的改变与外加的引起运动的力成比例,并且发生在沿着那个力被施加的直线上。

首先看牛顿第一定律,定律的内容告诉我们物体不受力时会怎样运动?

再看牛顿第二定律,定律的内容告诉我们物体受力时又将如何运动?

我们仔细分析一下第二定律:

一个物体,dv/dt(速度变化率,中学教材中称为加速度a)越大,是因为受到的外力越大(通过弹簧的伸长量来量度),两者成正比。

但当探究物体在自由下落时,重量不同的物体却有相同的dv/dt,此时显示出力的大小与dv/dt无关。

这说明,还有一个因素阻碍着力对dv/dt的影响,在自由落体中,当重力增大,这个因素也在增大,导致dv/dt刚好不变,也就是说,这个因素与重力成正比。

所以,这个因素的大小等于重力与自由落体时的dv/dt的比值(自由落体时的dv/dt也叫重力加速度g),这个因素被牛顿取名为mass[简写符号为m],英文原含义是“一团,聚集”,物理教科书译为“质量”。

所以,质量m其实是一个比值,一个比例系数。同个物体,这个比例系数不会改变。

质量m是一个比例系数,它跟弹簧的弹性系数k的概念有相似。

例如,一根弹簧,它受到的拉力与伸长量成正比。于是,我们将拉力与伸长量的比值取名为弹性系数k。同根弹簧,这个弹性系数k是不变。这个系数可以是抽象的常数,也可以赋予物理意义。

不同的弹簧,若弹性系数k越大,同样的力,伸长量越小。所以,这个系数k表现出来的一种性质或能力:阻碍弹簧的伸长量变得更大,或者说,这个系数k保持弹簧的原有形状不变,k越大,弹簧维持原有形状的能力就越强。

同理,力与dv/dt的比值,我们也取名为质量m。相信你已经理解了质量m这个概念,其实就和弹性系数k一样,它只是一个比值,只是一个比例系数。

不同的物体,这个比例系数不同。这个比例系数之所以不同,是因为物体所含物质的多少不同,也就是说,质量与物质的多少是完全不同的两个概念就好比是衣服与身体的关系,身体变高了,衣服的面积恰好也要变大了。由于不同的物体所含的物质不同,其实是比较不了它们所含物质的多少,也没有意义,犹如身高与体温进行比较。但他们的质量却可以比较,因为质量是一个比例系数,是一个数字,并不是实物。犹如,比较张三与李四各自身体所含物质的多少是没法比较的,但可以比较他们衣服的面积大小,从而间接认为他们所含的物质多少一定不同。​所以,理解质量m,不能把质量m当成轻重的代名词,也不能是物质的多少的代名词。(可以解释疑惑一

这样我们就可以理解,物体所含物质的多少可以存在,质量并一定存在​。比如光子,电磁场,电磁波等,它们都是客观存在的物质,却没有​静止质量。(什么是静止质量请继续阅读)​

这就是为什么牛顿说,质量是按物体的重量求得

跟弹性系数k一样,物体的这个比例系数也可以反映物体的一种性质或能力。不同物体,同样的力,如果这个比例系数大,则物体的dv/dt变化小,所以,这个比例系数表现出一种性质 或能力,即阻碍物体的dv/dt的变化,或者说,这个比例系数让物体保持原来的运动状态不变,这个比值越大,物体维持原来运动状态的能力就越强。

在中学教材中,若物体维持原来运动状态的能力就越强,我们称为物体具有“惯性”越大。相信大家已经知道了,这个比例系数就是中学教材中所说的“惯性”。

所以,惯性其实是质量的第二名称,两者没有区别,质量就是惯性,惯性就是质量。

所以,比例系数=质量=惯性

所以,我就可以理解疑惑二、疑惑三了。既然质量与惯性是一回事,惯性的单位当然与质量单位一样。

之所以出现三种说法,这是因为研究的入手点不同,比例系数是从数学方式处理的角度得出的。质量是从物体受力时,阻碍dv/dt变化的角度而提出的物理概念。惯性是从物体不受力时,物体保持运动状态能力的角度提出的又一个物理概念。

由于这种质量阻碍物体的dv/dt变化,能表现物体保持运动状态的能力(惯性),所以这种质量也叫做惯性质量。

物理学中对于质量的定义超过7种,最常被用到的是惯性质量和引力质量。

牛顿发现的万有引力规律中也提出质量概念,这个质量概念也不是指物质的多少,也是指一种性质,也是一种比例系数。只不过这个性质不是阻碍dv/dt,而是产生引力。所以,牛顿认为,惯性质量和引力质量并非是相同的东西。牛顿认为,惯性质量和引力质量相等只是巧合现象。

但爱因斯坦提出了不同观点,他认为均匀引力场和均匀加速度是不可区分的,这就是等效原理。基于这样的原理,引力效应与时空扭曲效应是等效的,惯性质量=引力质量。所以,质量这种性质不仅使物体表现为有惯性,也可表现为时空扭曲。这就可解释我们面对的疑惑四

当你理解为质量是一种能力,能力其实就是一种能量。所以,爱因斯坦根据等效性原理提出:质量=能量疑惑五得解。

光子没有静止质量,却有运动质量。所谓运动质量与静止质量,不能理解为物体所含物质的多少在发生改变,应当理解为物体在静止和运动时所具有性质或能力发生改变。光子有运动质量,是指光子运动时获得质量这种属性,光子有了这种属性,它在运动过程中就会受到因质量因素而带到的引力作用。疑惑六得解。

由于没有绝对的静止,当相对地球保持静止时,在地球引力场中测得的质量叫做静止质量,在狭义相对论中,静止质量也叫相对论质量。所以,静质量为零,并不代表物体不包含物质,只是代表物体不具有的惯性这种属性了。物体为什么会出现不具有惯性的现象出现呢。根据惯性的定义可以知道,惯性表现为对物体运动状态的改变的阻碍,即阻碍加速或减速。由于电磁场速度是恒定不变的,不存在加速或减速问题,也就是说不存在惯性,即惯性为零。所以,电磁场的静质量为零。这就是为什么电磁场是物质,却没有静质量的原因,疑惑七得解。

物体的运动速度越快,物体的质量也会越大其实是指物体的质量这种属性越强大,而不是指物体所含物质的多少变多了。当物体的速度变得无穷大时,物体所具有的这种叫质量的这种属性也会变得无穷大,这种属性无穷大会产生什么影响呢?根据牛顿的万有引力,质量越大,产生的引力越大。当物体拥有无穷大的质量,当然会是产生无穷大的引力,形成吞噬一切的黑洞了,所以物体的速度不可能达到光速,也就不可能拥有无穷大的质量(或引力)。疑惑八得解。为什么速度越大质量越大是如何推导而来的?请参考相关文章

综上所述,质量不是指物质的多少,而应理解为,物质的存在可以使物体获得质量这个属性,这个属性会阻碍dv/dt变化(即质量倾向于使加速度为零)。所含的物质越多,质量这个属性就会越大。

质量这个属性消失,不意味着物质也消失,因为质量本来就不是物质的多少。

质量这个属性能体现一种能力,可以等效于能量。质量只是阻碍速度的变化,但不并阻碍让物体获得更高的速度。当质量这种属性能让物体获得更高的速度时(能量增大),质量这种属性就会减弱。质量与能量的关系符合E=mc2。能量是什么,我个人认为,能量也是一种能力,跟弹性系数k所包含的物理意义非常相似。

力与dv/dt的比值=比例系数=质量=惯性=能量

从数学看,是一种比值。

从物理看,是一种性质,能力,能量。

犹如,电荷不是物质,只是一种性质,能力,能量。

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