质量定义问题
温柔似野鬼°
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2021年02月02日 16:23
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质量定义问题
编者按：
为加强 对中学物理教学的指导及交流，
本刊拟加强组织并发
表有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，
作为这个计划之开始。
欢 迎大家撰稿。
有关要求请参见本期
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，
质量是力学中除时间和长度之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< br>（速度的时
间变化率）
与作用在该物体上的力
F
成正比，
不论 力的大小如何，
力与加
速度之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
< br>根据这一定律，
我们对两个物体施加相同的作用力时，
它们获得的加
速度不同，
分别为
a
1
和
a
2
，
如果令第一个物体质 量为
m
1
（
m
1
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
实际应用中，
为了方便，
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铂 一铱合金圆柱体
.
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
.物理学中，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时间有清楚的了解
.
我们的直觉观念对于在牛顿力
学范围内来说，
是足够准确的，
但在讨论相对论时，
将会看到测量用的尺
子 和时钟的性能本身就是个实验问题。
操作型定义，只局限于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，
用实验来定义实验室物体的质量，
不能
事先就说这个结论是在多 大的范围内适用
.
尽管我们给质量下的是操作型
定义，
它适用于地球上日常的 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
是物体质量，
m
0
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。
[1]
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，< br>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？它由质量是否还用上边的定义：
质子内
物质数量的量度
.
那么什么是“量度”？什么又是“物质”呢？所谓“量
度”。这一概念本身就是指出某种东西能被分成更小的部分
.
而质子、中
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子、
中子或其他微观粒子的多少的量度，
经不住人家
问几个为什么。
另一方面质量的这种定义与相对论中运动粒子质量的定义是非常矛
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
象中），实践也确实证明，不管用什么来量度，质 子、中子也好
.
原子、
分子也好，物质的多少确实反映了物体与其他物体间万有引力作 用的强
弱，
也说明运动中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。