В самом широком смысле под массой тела понимают количество вещества, содержащегося в теле. Измеряется масса в килограммах в общепринятой Международной системе единиц СИ.
Эталон массы тела
Эталон массы в 1 килограмм изготовлен из сплава, на 90% из платины и на 10% из иридия. Находится этот эталон в Международном бюро мер и весов, недалеко от Парижа. Имеет форму цилиндра, высотой и диаметр которого равны 39,17 мм.
Часто, массу тела называют весом, что, строго говоря, совершенно неверно. Путаница вызвана тем, что тело массой 1 кг. имеет вес в 1 кгс (килограмм-сила). Это внесистемная единица измерения и она равна силе, необходимой для придания телу массой в 1 кг. ускорения, равного ускорению g свободного падения, примерно 9,81 м/(с^2)
Разные определения массы
В разных сферах и областях физики используются разные определения массы:
- исходя из II закона Ньютона, m = f / a, масса – это отношение силы, приложенной к телу и сообщаемым этой силой ускорением;
- исходя из закона гравитации, это отношение силы притяжения к ускорению свободного падения, m = F / g, .
- в общей физике и в теориях относительности еще используется определение массы как отношение импульса P к скорости v, m = P / v.
Масса является неотрицательной скалярной величиной. Масса фотона (частицы, способной существовать в вакууме лишь двигаясь со скоростью света) считается равной нулю.
Существует множество различных единиц измерения массы, многие из них, как унция, карат, фунт, баррель, имеют свое историческое происхождение.
Масса тела это скалярная физическая величина, которая характеризирует его инертность. Инертность это свойства тела изменять свое состояние. Чем больше масса тела, тем легче изменить состояние тела.
Запишем 2 закон Ньютона: a = F/m, где a -ускорение тела под действием силы F.
Из выражения видим, что чем больше масса тела m, при одинаковой действующей силе F, тем меньше ускорение тела а. Чем больше масса тела, тем меньше оно изменяет свое состояние.
Масса тела измеряется в килограммах.
1 кг это такая масса тела, при которой, под действием на него силы в F = 1 Ньютон тело приобретет ускорение в а = 1 м/с^2.
Масса - физическая величина, неотделимо присущая материи и определяющая её инерционные, энергетические и гравитационные свойства. В классической физике строго подчинена закону сохранения, на основе которого строится классическая механика. В квантовой механике - особая форма энергии и, в таком виде, также предмет закона сохранения (массы-энергии).
Масса обозначается латинской буквой m
Единицей измерения массы в системе СИ является килограмм . В гауссовой системе масса измеряется в граммах . В атомной физике принято приравнивать массу к атомной единице массы , в физике твердого тела - к массе электрона , в физике высоких энергий массу измеряют в электронвольтах . Кроме этих единиц существует огромное количество исторических единиц массы, сохранившихся в отдельных сферах использования: фунт, унция, карат, тонна и тому подобное. В астрономии единицей для сравнения масс небесных тел служит масса Солнца .
Массой тела называется физическая величина, характеризующая его инерционные и гравитационные свойства.
В классической физике масса является мерой количества вещества., содержащегося в теле. Здесь справедлив закон сохранения массы: масса изолированной системы тел не меняется со временем и равна сумме составляющих ее масс тел.
В механике Ньютона массой тела называют скалярную физическую величину, которая является мерой инерционных его свойств и источником гравитационного взаимодействия. В классической физике масса всегда является положительной величиной.
Масса – аддитивная величина, что означает: масса каждой совокупности материальных точек (\(m \) ) равна сумме масс всех отдельных частей системы (\(m_i \) )
\[ m=\sum\limits_{i=1}^{n}{m_i} \]
В классической механике считают:
- масса тела не является зависимой от движения тела, от воздействия других тел, расположения тела;
- выполняется закон сохранения массы: масса замкнутой механической системы тел неизменна во времени.
Как мера инертности тела, масса входит во второй закон Ньютона , записанный в упрощенном (для случая постоянной массы) виде:
\[ \LARGE m = \dfrac{F}{a} \]
где \(a \) - ускорение, а \(F \) - сила, что действует на тело
Виды массы
Строго говоря, существует две различные величины, которые имеют общее название «масса»:
- Инертная масса характеризует способность тела сопротивляться изменению состояния его движения под действием силы. При условии, что сила одинакова, объект с меньшей массой легче изменяет состояние движения, чем объект с большей массой. Инертная масса фигурирует в упрощенной форме второго закона Ньютона, а также в формуле для определения импульса тела в классической механике.
- Гравитационная масса характеризует интенсивность взаимодействия тела с гравитационным полем. Она фигурирует в ньютоновском законе всемирного тяготения.
Хотя инертная масса и гравитационная масса является концептуально разными понятиями, все известные на сегодняшний день эксперименты свидетельствуют, что эти две массы пропорциональны между собой. Это позволяет построить систему единиц так, чтобы единица измерения всех трех масс была одна и та же, и все они были равны между собой. Практически все системы единиц построены по этому принципу.
В общей теории относительности инертная и гравитационная массы считаются полностью эквивалентными.
Инертность - свойство различных материальных объектов приобретать разные ускорения при одинаковых внешних воздействиях со стороны других тел. Присуща разным телам в разной степени. Свойство инертности показывает, что для изменения скорости тела необходимо время (расстояние). Чем труднее изменить скорость тела, тем оно инертнее.
Масса – скалярная величина, являющаяся мерой инертности тела при поступательном движении. (При вращательном движении - момент инерции). Чем инертнее тело, тем больше его масса. Определенная таким образом масса называется инертной (в отличие от гравитационной массы, определяющейся из закона Всемирного тяготения).
Масса элементарных частиц
Масса, вернее масса покоя, является важной характеристикой элементарных частиц. Вопрос о том, какими причинами обусловлены те значения массы частиц, наблюдаемых на опыте, является важной проблемой физики элементарных частиц. Так, например, масса нейтрона несколько больше массы протона, что обусловлено, разницей во взаимодействии кварков, из которых состоят эти частицы. Примерное равенство масс некоторых частиц позволяет объединять их в группы, трактуя как различные состояния одной общей частицы с различными значениями изотопического спина.
В вашем браузере отключен Javascript.Чтобы произвести расчеты, необходимо разрешить элементы ActiveX!
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Масса – это скалярная физическая величина, характеризующая инертные и гравитационные свойства тел.
Любое тело «сопротивляется» попытке изменить его . Это свойство тел называется инертностью. Так, например, шофер не может мгновенно остановить автомобиль, увидев перед собой внезапно выскочившего на дорогу пешехода. По той же причине трудно сдвинуть с места шкаф или диван. При одинаковом воздействии со стороны окружающих тел одно тело может быстро изменять свою скорость, а другое в тех же условиях – значительно медленнее. Говорят, что второе тело является более инертным или обладает большей массой.
Таким образом, мерой инертности тела является его инертная масса. Если два тела взаимодействуют друг с другом, то в результате изменяется скорость обоих тел, т.е. в процессе взаимодействия оба тела приобретают .
Отношение модулей ускорений взаимодействующих тел равно обратному отношению их масс:
Мерой гравитационного взаимодействия является гравитационная масса.
Экспериментально установлено, что инертная и гравитационная массы пропорциональны друг другу. Выбрав коэффициент пропорциональности равный единице, говорят о равенстве инертной и гравитационной масс.
В системе СИ единицей измерения массы является кг .
Масса обладает следующими свойствами:
- масса всегда положительна;
- масса системы тел всегда равна сумме масс каждого из тел, входящих в систему (свойство аддитивности);
- в рамках масса не зависит от характера и скорости движения тела (свойство инвариантности);
- масса замкнутой системы сохраняется при любых взаимодействиях тел системы друг с другом (закон сохранения массы).
Плотность веществ
Плотностью тела называется масса единицы объема:
Единица измерения плотности в системе СИ кг/м .
Разные вещества обладают различной плотностью. Плотность вещества зависит от массы атомов, из которых оно состоит, и от плотности упаковки атомов и молекул в веществе. Чем больше масса атомов, тем больше плотность вещества. В различных агрегатных состояниях плотность упаковки атомов вещества различна. В твердых телах атомы очень плотно упакованы, поэтому вещества в твердом состоянии имеют наибольшую плотность. В жидком состоянии плотность вещества несущественно отличается от его плотности в твердом состоянии, так как плотность упаковки атомов все еще велика. В газах молекулы слабо связаны друг с другом и удаляются друг от друга на большие расстояния, плотность упаковки атомов в газообразном состоянии очень низкая, поэтому в этом состоянии вещества обладают наименьшей плотностью.
Основываясь на данных астрономических наблюдений, определили среднюю плотность вещества во Вселенной, результаты расчетов говорят о том, что в среднем космическое пространство чрезвычайно разрежено. Если «размазать» вещество по всему объему нашей Галактики, то средняя плотность материи в ней окажется равной примерно 0,000 000 000 000 000 000 000 000 5 г/см 3 . Средняя плотность материи во Вселенной — приблизительно шесть атомов на кубический метр.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Чугунный шар при объеме 125 см имеет массу 800 г. Является этот шар сплошным или полым? |
| Решение | Вычислим плотность шара по формуле:
Переведем единицы в систему СИ: объем см По таблице плотность чугуна 7000 кг/м 3 . Так как полученное нами значение меньше табличного, шар является полым. |
| Ответ | Шар является полым. |
м; масса г кг.ПРИМЕР 2
| Задание | Во время аварии танкера в заливе образовалось пятно диаметром 640 м при средней толщине 208 см. Сколько нефти оказалось в море, если ее плотность 800 кг/м ? |
| Решение | Считая нефтяное пятно круглым, определим его площадь:
C учетом того, что Объем нефтяного слоя равен произведению площади пятна на его толщину:
Плотность нефти:
откуда масса разлитой нефти:
Переводим единицы в систему СИ: средняя толщина см м. |
| Ответ | В море оказалось кг нефти. |
ПРИМЕР 3
| Задание | Сплав состоит из олова массой 2,92 кг и свинца массой 1,13 кг. Какова плотность сплава? |
| Решение | Плотность сплава: |
С точки зрения классической механики масса тела не зависит от его движения. Если масса покоящегося тела равна m 0 , то и для движущегося тела эта масса останется точно такой же. Теория относительности показывает, что в действительности это не так. Масса тела т , движущегося со скоростью v, выражается через массу покоя следующим образом:
m = m 0 / √(1 - v 2 /c 2) (5)
Отметим сразу же, что скорость, фигурирующая в формуле (5), может быть измерена в любой инерциальной системе. В разных инерциальных системах тело имеет разную скорость, в разных инерциальных системах у него будет также и разная масса.
Масса — такая же относительная величина, как скорость, время, расстояние. Нельзя говорить о величине массы, пока не будет фиксирована система отсчета, в которой мы изучаем тело.
Из сказанного ясно, что, описывая тело, нельзя просто сказать, что его масса такая-то. Например, предложение «масса шарика 10 г» с точки зрения теории относительности совершенно неопределенно. Численное значение массы шарика ничего еще не говорит нам до тех пор, пока не будет указана инерциальная система, по отношению к которой измерена эта масса. Обычно масса тела задается в инерциальной системе, связанной с самим телом, т. е. задается масса покоя.
В табл. 6 приведена зависимость массы тела от его скорости. При этом предполагается, что масса покоящегося тела составляет 1 а. Скорости меньше 6000 км/сек
в таблице не приводятся, так как при таких скоростях отличие массы от массы покоя ничтожно мало. При больших же скоростях эта разница становится уже заметной. Чем больше скорость тела, тем больше его масса. Так, например, при движении со скоростью 299 700 км/сек
масса тела увеличивается уже почти в 41 раз. При больших скоростях даже ничтожное увеличение скорости значительно увеличивает массу тела. Это особенно заметно на рис. 41, где графически изображена зависимость массы от скорости.
Рис. 41. Зависимость массы от скорости (масса покоя тела равна 1 г)
В классической механике изучаются только медленные движения, для которых масса тела совершенно незначительно отличается от массы покоя. При изучении медленных движений массу тела можем считать равной массе покоя. Ошибка, которую мы при этом совершаем, практически незаметна.
Если скорость движения тела приближается к скорости света, то масса при этом растет неограниченно или, как говорят, масса тела становится бесконечной. Только в одном единственном случае тело может приобрести скорость, равную скорости света.
Из формулы (5) видно, что в том случае, если тело будет двигаться со скоростью света, т. е. если v
= с
и √(1 - v 2 /c 2), то должна быть равна нулю и величина m 0 .
Если бы этого не было, то формула (5) потеряла бы всякий смысл, так как деление конечного числа на нуль — недопустимая операция. Конечное число, деленное на нуль, равняется бесконечности — результат, который не имеет определенного физического смысла. Однако мы можем осмыслить выражение «нуль, деленный на нуль». Отсюда и следует, что в точности со скоростью света могут двигаться только объекты, у которых масса покоя равняется нулю. Телами в обычном понимании такие объекты называть нельзя.
Равенство массы покоя нулю означает, что тело с такой массой вообще не может покоиться, а должно всегда двигаться со скоростью с. Объект с нулевой массой покоя, то свет, точнее говоря, фотоны (кванты света). Фотоны никогда и ни в одной инерциальной системе не могут покоиться, они всегда движутся со скоростью с. Тела с массой покоя, отличной от нуля, могут находиться в покое или двигаться с различными скоростями, но с меньшими скоростями света. Скорости света они никогда не могут достигнуть.
