惯性质量与引力质量

什么叫惯性质量呢?这要从物质的惯性说起。由日常生活经验知道,任何物体都有保持它自己原来固有的速度量值和方向不变的性质,也就是说,物体有保持它的静止或匀速直线运动的性质,这种性质物理学上就称之为惯性。例如,有两辆汽车,一辆空载,另一辆装满货物。如果用同样大小的力分别推它们,我们可以发现,空汽车所得到的加速度大,装满货物的汽车所得到的加速度小。这就是因为空汽车比装满货物的汽车的惯性小的缘故。

根据牛顿第二定律可知,对某一物体所用的力跟那个物体所得到的加速度的比值是一个恒量,这个恒量是表明那个物体性质的一个物理量,叫做那个物体的惯性质量,通常简称质量。可见物体不同,这个比值恒量也不同。联系上面例子,因为作用力的大小相同,所以空汽车受的力与所得的加速度的比值小于装满货物汽车所受力与所得加速度的比值,即空汽车的质量比装满货物汽车的质量小。从这里可看出,惯性大的物体质量大,惯性小的物体质量小。因此,可以说,惯性质量是物体惯性大小的量度。因惯性是物体固有的性质,故惯性质量也是物体固有的。一般说来(不考虑相对论效应)惯性质量是不随外界任何其他条件而改变。根据以上惯性质量的含义,牛顿第二定律就应表述为F=ma。

存放在巴黎国际计量局中的一个铂铱合金圆柱体,称为千克原器,国际上将它的质量作为1千克的质量标准,其他物体的质量都是用天平与它(或它的复制器)相比较而得。

此外,在牛顿的万有引力定律中,也引入物体质量的概念。但必须指出,在万有引力定律中,质量反映了物体间引力的大小,是物体引力性质的量度。因而,物理学史上曾把这种反映物体间万有引力大小的量称为引力质量,它与惯性质量是完全不同的概念。

设甲、乙两物体的引力质量分别是m甲引、m引,地球的引力质量为M,则在地球上同一地点,甲、乙物体受到地球的万有引力的大小分别为F=G0m甲引M/r2 ;F=G0m乙引M/r2 ,式中万有引力常数G0=6.67×10-11牛•米2/千克2,r是甲、乙两物所在点距地球中心的距离。另设甲、乙两物体的惯性质量分别是m甲惯,m乙惯,它们各自在地球引力作用下作自由落体运动,即有:

G0m甲引M/r2 =m甲惯g (1)

G0m乙引M/r2 =m乙惯g (2)

由于在同一地点实验测定,故任何物体的g值均相同。于是,由(1)÷(2)得:

m甲引/m乙引 =m甲惯/m乙惯 (3)

从(3)式可见,物体的惯性质量与引力质量成正比,如果选择相同的单位,例如,以千克原器作为质量标准,则从(3)式可得到:m甲引=m甲惯,m乙引=m乙惯。可见,尽管惯性质量与引力质量是从不同的定义出发,反映不同的物理性质,但数值上它们是相等的。从厄阜起,不少物理学家企图用实验来验证惯性质量m与引力质量m是否等价的问题,最近的实验结果表明 ,在10-14的精度上,没有发现各种物质(m/m)值的差别。这就从实验上向人们揭示:惯性质量精确地等于引力质量。

两种概念所定义的质量如此精确地相等,难道是偶然的吗?不会!爱因斯坦对此作了明确的回答,他认为这事情中必然蕴藏着深刻的道理。他提出了广义相对论,对引力来源作了解释。在这个理论中,惯性质量就是引力质量。因此,人们现在认识到:惯性质量等于引力质量乃是广义相对论的必然结果。正因为如此,以后我们也就不再区分这两种质量,而统称它们为质量。

显然,质量是个标量,其单位是千克。最近有人撰文认为质量可能是指组成某种物质的基本粒子的全部含量的多少。这种观点有待于进一步探讨研究。另外,物理上的质量也不要与哲学上的“质量”混淆。

最后必须指出,以上我们所论的质量(不管是惯性质量还是引力质量)从某种意义上说,它仍是“牛顿时代”的质量观点,即认为质量与运动无关,能量变化时,质量仍然不变,但近代物理从理论和实验上均证明质量和速度,能量都有确定的依赖关系,具体是:

m= (4)

E=mc2 (5)

式中m0是物体的静止质量,v是运动速度,c是光速,E是物体的能量。(4)、(5)两式从根本上否定了质量不变的形而上学观点。

厄阜(Eötvös Roland Baronvon):匈牙利物理学家,1848.7~1919.4。重力研究是他重要的成果。此外,他证明了引力质量和惯性质量数值上相等,最多只差二亿分之一,促使爱因斯坦广义相对论产生。

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发布时间:2009/4/21 上午8:06:37  阅读次数:11734

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