质量定义问题93646

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1、质量定义问题编者按：为加强对屮学物理教学的指导及交流，木刊拟加强组织并发表冇关中学物理教学方面之稿件。今发表刘璧茹同志《质量定义问题》一文，作为这个计划Z开始。欢迎大家撰稿。有关要求请参见木期39页《中学物理教学栏目选题计划及要求》。物理学中有一部分经常使用的，非常基本的概念，若不引用另一个量或物理概念，就无法给它下一个确切的定义，即这种概念难以给出一个独立存在的定义、基本的定义•质量就是这样的概念。从物理量角度来说，质量是力学屮除时间和长度Z外的第三个无法定义的量•世界各地的物理学家组成的国际委员会，召开了各种国际会议，对无法定义的量选定了

2、适当的量度法则，用相应的量度法则代替定义，称这种法则为操作型定义。质量的操作型定义是根据牛顿第二定律，物体的加速度a（速度的时间变化率）与作用在该物体上的力F成止比，不论力的大小如何，力与加速度Z比为一恒量来进行量度的•这比值既与所施的力无关，它是物体本身性质的反映•这种性质称为惯性•惯性的量度称为物体的惯性质量（平动惯性），即卩m=k-（1）根据这一定律，我们对两个物休施加相同的作用力时，它们获得的加速度不同，分別为&和如果令第一个物体质量为mi（mi可以是一个单位质量或X单位质量，X是我们选择的任意数）•于是我们定义第二个物体的质量为实际

3、应用屮，为了方使，人们已经制成质量的标准，那就是大家熟知的存放在巴黎附近塞弗尔国际计量局里的钳一依合金圆柱体•虽然，操作型的定义主要是依据实验而不是依据抽象的概念，但是它也表达了“质量是物体对改变运动状态的抗拒性的量度”这种抽象概念•物理学屮，有些很简单的操作中可能隐藏着许多抽象概念•例如在测量加速度时，不言而喻地假定我们对距离和吋间有清楚的了解.我们的直觉观念对于在牛顿力学范围内來说，是足够准确的，但在讨论相对论时，将会看到测量用的尺了和时钟的性能木身就是个实验问题。操作型定义，只局限丁操作可以实地进行的一些情况。还有一个重要方面需要注意，

4、用实验來定义实验室物体的质量，不能事先就说这个结论是在多犬的范围内适用•尽管我们给质量下的是操作型定义，它适用于地球上口常的物体，而且在极高的准确程度上也适用于广阔无垠的宇宙范围内的天体运动•然而我们也终于发现在物体的运动速度与光速可比的情况下，这一操作型定义不再有效了•高能加速器的工作证实了这种情况下质量应为式中m是物休质量，叫是它的静止质量，v是物体的运动速率，C是真空中的光速.这个式子表明物体的质量还依赖于速度。⑴从概念方面来讲，质量究竟是什么呢？下边我们来分析质量定义的一些常见说法。第一，质量是物体内物质数量的量度•这里说的物质是指什

5、么？量度又是怎样进行的呢？如果两个物体是由不同的物质构成的•怎么能说某一个比另一个含有较多或较少的物质呢？当然，现在人们可以理解为物体内包含某种分子或原子的个数•分子、原子的种类甚多，原子核是原子、分子的质量主体，所以也可以理解为质量是含有核粒子一质子和中子的数量。一个质子的质量又是什么呢？它由质量是否述用上边的定义：质子内物质数量的量度•那么什么是“量度”？什么乂是“物质”呢？所谓“量度”。这一概念木身就是指出某种东西能被分成更小的部分•而质子、屮子怎样再分割？即使能分割，分割以后更小的部分的质量又如何定义呢？显然将质量定义成质了、中了或其

6、他微观粒了的多少的量度，经不住人家问几个为什么。另一方面质量的这种定义与和对论中运动粒了质量的定义是非常孑盾的•运动粒子的质量由(3)式来决定，它表明物体中物质的量没变化的情况下，速率不同时，质量不同。在通常情况下(指一些经典的范围内，物体运动速度不太大的宏观现彖屮)，实践也确实证明，不管用什么来量度，质子、屮子也好•原子、分子也好，物质的多少确实反映了物休与其他物休间万有引力作用的强弱，也说明运动小物体惯性的大小情况，这种定义在经典的范围内有着广泛的应用。牛顿第二定律在经典物理（低速、宏观）范围内是完全对的，它对人类文明有很大的贡献。在这个

7、范围内，质量唯一决定于物质的含量。物质含量的定义在一定的范围内可用来理解质量，但不便于用来测量。第二，在本世纪爱因斯坦狭义相对论建立后，要想保持牛顿第二定律的原始形式F=ma,质量应由（3）式表示•因为质量与运动状态有关，再认为质量唯一决定于物质的含量就不行了，从而认为质量是物体平动惯性的量度，比原始的牛顿第二定律情况下，对质量的看法有所改变。惯性量度的定义可理解为物体对其运动状态的任何改变所产生的阻力.比如我们将一个质了的质量理解为质了在其他粒了的作用下被推动时所表现出的某种抗拒性质•力代表着和互作用（惯性力除外），以上情况可以代表一个场的

8、作用•但是考虑到（3）式，可以说在场的作用下质子的速度增加时，质子从场那里得到了额外的质量；当其速度减少时，又将这部分质量述给了场•一般情况下，所获得和所失去的这部