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惯性质量的意义

时间:2020-12-26 来源:计量校准 点击:

惯性质量的意义
 
在牛顿定律中,质量的概念是作为物体惯性的度量而提出的。实验表明,不同的物体受到相同的力作用时,一般来说,它们的加速度是不同的。例如,如上所述,当用相同的力推动空车和卡车时,空车获得的加速度大于卡车获得的加速度。这说明在外力的作用下,物体获得的加速度不仅与力有关,还与物体本身的某种特性有关。这个特点就是惯性。在相同力的作用下,空车获得的加速度较大,说明其维持原运动状态的能力较小,即惯性较小;卡车获得的加速度小,意味着它有很大的能力维持原来的运动状态,即有很大的惯性。在物理学中,引入惯性质量等物理量来表示物体的惯性。当然,这里所说的“物体”还是应该理解为指一个质点。所以可以说,惯性质量是把一个物体看成质点时对其惯性的度量。如前所述,实际物体只有平移时才能被视为质点,所以惯性质量是物体平移时惯性的度量。由于平移惯性是物体的固有属性,所以无论物体是否在平移,谈论惯性质量都是有意义的。
前面已经提到过,物体除了平动惯量之外,还有转动惯量。比如,用什么来测量物体绕固定轴旋转的转动惯量?根据第一部分得到的转动定律M=I,表明刚体绕固定轴转动,如果对不同转动惯量I的物体施加相同的外力矩M,得到的角加速度是不同的:转动惯量越大,物体得到的角加速度越小,表明物体保持原来的转动状态,即转动惯量越强;反之,惯性矩越小,物体获得的角加速度越大,说明保持转动初始状态的性质越弱,即惯性矩越弱。因此,惯性矩是物体惯性矩大小的量度。
由于惯性质量是衡量物体平动惯量的一个尺度,根据其本身的含义,我们可以看出,将其与术语“转动惯量”进行比较,将其重新命名为平动惯量是合适的。但是由于历史原因,我们已经习惯了“惯性质量”这个术语。一般情况下,“惯性质量”简称“质量”。
数量是密切相关的,但不仅仅由质量决定。实际上,物体相对于轴的惯性矩取决于物体的质量、质量分布和轴位置。举个例子,根据上面的公式,质量为m,半径为r的匀质球对其直径的惯性矩为。质量为m、半径为r的均匀圆盘相对于垂直于圆盘表面的轴的惯性矩(图1左侧)为
可以进一步看出,必须区分转动惯量和平移惯量。
(2)计量检测惯性质量的测量。
如前所述,要定义一个物理量,需要相应地指定其测量方法。为了测量质量,可以作出如下规定:每个物体的质量与它们在相同外力作用下获得的加速度成反比,即,
F=ma
选择某个标准体(如千克原器件)作为惯性质量的标准,用上述关系式测量加速度,将其与标准体的惯性质量进行比较,即可计算出其他物体的惯性质量。如果m0是质量标准,有
可以确定另一个物体的质量m,原则上可以获得质量的度量。
由于在这种测量方法中使用了人为规定的公式(1),因此很容易与牛顿第二定律中的公式相比较
F=ma
这个客观规律的表述比较混乱,所以有人误解为牛顿第二定律是质量的定义或者质量的测量方法。
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