馮八海

由于質(zhì)量越大的物體受到的重力越大,所以在日常生活中,我們估計(jì)某物體的質(zhì)量大小時(shí),必先掂量其所受的重力,再估計(jì)其質(zhì)量。在用天平、桿秤等稱物體質(zhì)量時(shí),也是利用重力使器材平衡來(lái)進(jìn)行的,因此很多人將重力和質(zhì)量這兩個(gè)物理概念混為一談,即使在很正規(guī)的場(chǎng)合也是如此。例如:在對(duì)奧運(yùn)火炬的許多報(bào)道中,把它的質(zhì)量950克說(shuō)成重950克;在體檢中,把人的質(zhì)量也說(shuō)成是體重;把橋梁允許通過(guò)車輛的最大總質(zhì)量多少噸說(shuō)成最大載重多少噸等等。

對(duì)于剛從生活走向物理的很多初中生來(lái)說(shuō),他們對(duì)這兩個(gè)概念也就區(qū)分得不是很清楚。在一次考試中,筆者出了一道關(guān)于奧運(yùn)火炬的題目,下載了一段報(bào)道奧運(yùn)火炬的文章,其中有一句話:祥云火炬重950克。要學(xué)生找出這段報(bào)道中的表達(dá)不規(guī)范之處,竟然有百分之七八十的學(xué)生看不出來(lái)。另外,由于對(duì)質(zhì)量和重力不能深刻理解,部分學(xué)生誤認(rèn)為:物體到達(dá)月球時(shí)質(zhì)量會(huì)變小,“失重”是由于物體處于真空環(huán)境等。

本文主要幫助學(xué)生從本質(zhì)上去理解質(zhì)量和重力,知道它們的區(qū)別與聯(lián)系。

1 對(duì)質(zhì)量的認(rèn)識(shí)

我們知道,物體是由物質(zhì)組成的。例如:銅塊、銅球、銅工藝品等銅制物體都是由“銅”這種物質(zhì)組成的;自行車的輪胎和大卡車的輪胎都是由橡膠這種物質(zhì)組成的。顯而易見(jiàn),不同的物體,組成它們的物質(zhì)的多少一般是不同的?？ㄜ囕喬ビ奢^多的橡膠組成,自行車輪胎中橡膠含量就少些。物理學(xué)中,我們把組成一個(gè)物體的物質(zhì)的多少叫做這個(gè)物體的質(zhì)量。質(zhì)量的“質(zhì)”就是物質(zhì),“量”就是多少的意思。(注意:日常生活中,我們還用“質(zhì)量”來(lái)表示某產(chǎn)品的品質(zhì)優(yōu)劣。這時(shí)“質(zhì)量”的“質(zhì)”指產(chǎn)品的品質(zhì),“量”指優(yōu)劣程度,這個(gè)“質(zhì)量”與物體的“質(zhì)量”是完全不同的兩個(gè)概念。)

對(duì)某一物體而言,它必由一定量的物質(zhì)組成,增加或減少組成的物質(zhì),它就不再是原來(lái)的物體了,比如用銼刀把一銅球銼掉一部分,它就不是原來(lái)的銅球了。但如果只是這一物體的位置、形狀、狀態(tài)等發(fā)生變化,它所含物質(zhì)的多少是不變的,即它的質(zhì)量是不變的,比如將一只銅球帶到月球上,雖然它變輕了,但含銅量是沒(méi)有變的,即質(zhì)量是不變的,所以質(zhì)量是物體的一種屬性。

2 對(duì)重力的認(rèn)識(shí)

認(rèn)識(shí)重力,讓我們從一個(gè)故事說(shuō)起。很多人都聽(tīng)過(guò)這個(gè)故事,偉大的物理學(xué)家牛頓,他受一只從樹(shù)上掉下來(lái)的蘋果的啟發(fā),發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力。當(dāng)然這只是一個(gè)故事,萬(wàn)有引力的發(fā)現(xiàn)并不是這么簡(jiǎn)單。什么是萬(wàn)有引力呢?簡(jiǎn)單的說(shuō),就是任何兩個(gè)物體間都存在相互的吸引力,引力的大小跟兩物體的質(zhì)量成正比,跟它們間的距離的平方成反比。那么,任何兩個(gè)人之間的引力怎么感覺(jué)不到呢?這是因?yàn)槿说馁|(zhì)量太小了,引力也就很小,所以感覺(jué)不到。但如果是一個(gè)人和質(zhì)量很大的地球在一起,這個(gè)引力就較大,我們就能感覺(jué)到了。假如地球不自轉(zhuǎn),這個(gè)引力也就是重力。但因地球自轉(zhuǎn)時(shí)物體有離心現(xiàn)象(就像將雨傘轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)將雨水向外甩出一樣),人受到的重力就略小于引力。將一個(gè)物體,放在地球上的不同位置,如赤道和兩極,雖然組成它的物質(zhì)的多少即質(zhì)量是不變的,但在赤道處,因離心現(xiàn)象最強(qiáng)烈和距地心最遠(yuǎn)(地球因離心現(xiàn)象而略扁,赤道半徑最大),物體在赤道處所受的重力也就最小,而在兩極重力最大。同樣,將一個(gè)物體從地球移至月球,它受到的重力會(huì)變小,并不是因?yàn)檫@個(gè)物體的質(zhì)量變小,而是因?yàn)樵虑虻馁|(zhì)量比地球小得多,導(dǎo)致物體所受的引力變小。

兩物體間即使是真空,萬(wàn)有引力也是存在的,所以物體在宇宙飛船中的“失重”現(xiàn)象,并不是因?yàn)樗鼈兊竭_(dá)真空所致。事實(shí)上,“失重”的物體同樣受到重力的作用。為什么宇宙飛船中的物體好象不受重力了呢?原來(lái),當(dāng)火箭把飛船送到繞地球的圓形或橢圓形軌道高速運(yùn)行時(shí),飛船和內(nèi)部物體各自所受的重力剛好使它們一同繞地球轉(zhuǎn)動(dòng),它們之間保持相對(duì)的靜止且沒(méi)有拉、壓等任何作用,對(duì)于同一物體其內(nèi)部的各部分之間也沒(méi)有相互作用力,這時(shí)物體就好象不受重力了。這與一個(gè)人站在體重秤上從空中與秤一起自由落下時(shí),人對(duì)秤無(wú)壓力,秤無(wú)示數(shù)相似,這時(shí)人與秤的重力讓它們一同向下加速,而飛船和物體的重力讓它們一起繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 質(zhì)量和重力的區(qū)別和聯(lián)系

質(zhì)量與重力的聯(lián)系:

由萬(wàn)有引力大小的影響因素不難理解,在地球上同一地點(diǎn)處的不同物體,因地球質(zhì)量和物體到地心的距離都為定值,所以物體受到的引力就只跟物體質(zhì)量成正比;再因離心的強(qiáng)烈程度也與質(zhì)量成正比,所以在地球上同一地點(diǎn),物體所受的重力跟它的質(zhì)量成正比。重力和質(zhì)量之比約為9.8N/kg,在赤道處略小,兩極處略大些。通常我們用符號(hào)g來(lái)表示這個(gè)比值,用G表示重力的大小,m表示物體的質(zhì)量,則重力和質(zhì)量的關(guān)系式為G=mg。

質(zhì)量和重力的不同點(diǎn):

(1)本質(zhì)上,質(zhì)量是物體本身的屬性,其大小與其它物體無(wú)關(guān);而重力是由于地球?qū)ξ矬w的吸引而使物體受到的力,其大小除了和物體質(zhì)量有關(guān)還與其它多個(gè)因素有關(guān)。所以一個(gè)物體的質(zhì)量是不變的,而其重力是可以改變的。

(2)質(zhì)量是只有大小沒(méi)有方向的量;重力是既有大小又有方向的量,其方向總是豎直向下。所以我們?？捎脦Ъ^的線段來(lái)表示重力卻不能用這種方法來(lái)表示質(zhì)量。

(3)單位不同。質(zhì)量的單位是千克,重力的單位是牛頓?！扒Э恕焙汀芭ｎD”是不同物理量的單位,1千克≠9.8牛頓。

(4)測(cè)量工具不同。質(zhì)量的測(cè)量工具有天平、桿秤、磅秤、托盤秤等,它們的共同特征是有砝碼和秤砣,工作原理都是杠桿原理。一個(gè)物體,在不同的地點(diǎn),重力可能發(fā)生變化,如在月球上的重力大約只是地球上的1/6。但用同一測(cè)量工具在月球上稱物體的質(zhì)量跟在地球上稱得的質(zhì)量是一樣的。為什么稱的結(jié)果一樣呢?因?yàn)榉Q量時(shí)不僅物體重變?yōu)榈厍蛏系募s1/6,同時(shí)砝碼或秤砣的重也變?yōu)榈厍蛏系?/6,所以在地球上是怎樣平衡的到月球上還應(yīng)是怎樣平衡的,示數(shù)相同。不過(guò)在失重狀態(tài)下,它們就無(wú)法測(cè)質(zhì)量了,這時(shí)要測(cè)質(zhì)量就要選用其它的方法,比如將被測(cè)物體以一定的速度(相對(duì)于飛船)撞擊一彈簧,通過(guò)彈簧被壓的長(zhǎng)度來(lái)反映其質(zhì)量等。測(cè)量重力通常用彈簧測(cè)力計(jì),它是根據(jù)在彈性限度內(nèi),彈簧伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度與受到的拉力成正比的原理制成的。日常生活中用的桿秤、電子秤等雖然顯示的是質(zhì)量值,實(shí)際上是利用了地球上質(zhì)量和重力的關(guān)系,由重力的大小間接地反映質(zhì)量的大小,它們實(shí)際上不是直接測(cè)質(zhì)量的工具,如果在月球上,就不能反映質(zhì)量的值了。

除了重力跟質(zhì)量有關(guān)外,物體的慣性、動(dòng)能、重力勢(shì)能等也與物體的質(zhì)量有關(guān)。跟質(zhì)量、重力相關(guān)的知識(shí)還有很多,這里就不一一論述了。(欄目編輯羅琬華)