Масса и измерение массы тел

На этом уроке вы:

• узнаете, что характеризует масса тела и какое свойство тел называют инертностью;
• научитесь измерять массу с помощью весов.

Ключевые слова: взаимодействие тел, инертность, масса тела.

Наблюдая за характером движения тел, на которые действуют другие тела, можно заметить, что одни из них изменяют скорость незначительно, а другие за это же время — очень заметно.

Так, например, если мальчик и его отец, стоящие на льду на коньках, оттолкнутся друг от друга, то мальчик отъедет на гораздо большее расстояние, чем его отец (рис. 10.1). Почему?

Рис. 10.1

Проведем опыт. Возьмем небольшую тележку с прикрепленной к ней упругой пружиной. Пружина сжата и связана нитью. Тележка покоится относительно стола. Интересно, начнет ли она двигаться после пережигания нити? Мы увидим, что пружина разожмется, но тележка останется на месте (рис. 10.2, а, б).

Рис. 10.2

Теперь поместим рядом с первой вторую, точно такую же, тележку, соприкасающуюся с другим концом пружины. Снова пережжем нить. Что же теперь будет происходить? После того как пружина разожмется, тележки разъедутся на одинаковые расстояния, но в противоположные стороны (рис. 10.3, а, б).

Рис. 10.3

Можно заметить, что тележки разъехались только тогда, когда они стали действовать друг на друга посредством пружины. Пружина в этом случае играет роль посредника, т. е. с ее помощью одна тележка действует на другую.

Если же на правую тележку поместить гирю, масса которой в два раза больше массы тележки, то после пережигания нити они снова разъедутся в противоположные стороны, но теперь на разные расстояния (рис. 10.4, а, б). Нагруженная тележка приобретает меньшую скорость и за одно и то же время проедет меньшее расстояние. Это происходит потому, что тележки обладают разными массами. Теперь нам легко объяснить, почему сын (рис. 10.1) отъехал на большее расстояние, чем его отец.

Рис. 10.4

А, интересно, как соотносятся расстояния, на которые разъедутся тележки? Выскажите ваши предположения. На чем они основываются?

Из этих опытов можно сделать несколько важных выводов:

1. Причиной изменения скоростей тел послужило их действие друг на друга.
2. Действие тел друг на друга называется взаимодействием.
3. В результате взаимодействия скорости тел изменяются. У тел с одинаковой массой скорости изменяются одинаково, а с различной — по-разному: массивное тело изменяет свою скорость медленнее, чем более легкое. Математически это записывается так:

$$\frac{m_1}{m_2} = \frac{v_2}{v_1}.$$

Из этих опытов следует, что у каждого тела есть свойство сопротивляться попыткам изменить состояние его движения или покоя. Это свойство тел называется инертностью. Итак, более инертные тела имеют бо́льшую массу, легкие тела менее инертны, поэтому имеют меньшую массу. Теперь можем сделать вывод: масса есть мера инертности тела.

Масса, как и любая физическая величина, может быть измерена. Масса — скалярная величина, ее принято обозначать буквой $m$. Основной единицей измерения массы в системе СИ является килограмм. Как эталон массы 1 кг был принят международным соглашением. Этот эталон представляет собой цилиндр из сплава иридия и платины диаметром и высотой 39 мм, который хранится в Международном бюро мер и весов во Франции (рис. 10.5). Массу любого тела можно определять, сравнивая ее с этим эталоном. Используя эталон массы 1 кг, изготавливают гири с различными массами, которые называются разновесами (рис. 10.6).

Рис. 10.5

Рис. 10.6

Разновесы имеют различные массы, например, 1 г $= 10^{-3}$ кг, 1 мг $= 10^{-6}$ кг. Для взвешивания тел с большими массами используют грузы массами 1 т $= 10^3$ кг.

Массу тела определяют по-разному. Одним из способов является взвешивание тела на весах. Весы бывают разные: пружинные, рычажные и электронные (рис. 10.7).

Рассмотрим процесс взвешивания тела на рычажных весах. На левую чашу весов помещают тело, массу которого необходимо определить, а на правую чашу — разновесы (набор гирь). Уравновешивание весов будет означать, что масса тела измерена и она будет равна суммарной массе гирек на правой чаше весов.

Рис. 10.7. а) рычажные; б) пружинные; в) электронные весы

Современные конструкции весов очень разнообразны. Школьные учебные весы позволяют взвешивать тела массами от 10 мг до 500 г. А вот вагоны и автомашины взвешивают на транспортных весах, рассчитанных на нагрузку до 200 т (рис. 10.8). Тела массами меньше 10 мг взвешивают на аналитических весах. Однако нет весов для измерения массы очень больших, гигантских тел и мельчайших частиц.

При дальнейшем изучении физики вы узнаете, как именно были определены массы Солнца, Земли и таких мельчайших частиц, как электрон и протон.

Рис. 10.8

Это интересно. Взвешивание тел с помощью весов — самый древний из известных способов определения массы. Изображение весов можно найти даже на египетских пирамидах, возраст которых составляет более 4 тыс. лет.

Понятие массы — одно из самых сложных понятий в физике. Оно многогранно и будет раскрываться по мере изучения предмета. Вы уже ознакомились с массой как мерой инертности тела. Далее вы узнаете, что существуют понятия гравитационной массы, массы как меры энергии и массы как меры количества вещества.

Запомните! Говорить об инертной массе имеет смысл только тогда, когда тела движутся со скоростями, намного меньшими скорости света, т. е. меньше чем 300 000 км/с.

Вопросы

1. Что называется взаимодействием тел?
2. Что происходит с телами при взаимодействии?
3. Какое свойство тел называется инертностью?
4. Какая величина характеризует инертность тел?
5. Масса — это мера количества вещества? Как вы это понимаете?
6. Как можно измерить массу тела?
7. Можно ли определить массу тела, используя его взаимодействие с другим телом?

Творческая мастерская

Объясните.

1. Почему нельзя мгновенно остановиться или мгновенно набрать большую скорость?
2. Почему масса является физической величиной? Назовите единицу измерения массы в системе СИ.
3. Как определить массу тела при помощи рычажных весов?

Анализируйте.

1. Определите с помощью школьных рычажных весов массу любого небольшого тела на выбор. Поясните свои действия.
2. Поставьте на тележку брусок и потяните ее за веревку. В первый раз сделайте это резко и быстро, во второй раз медленно приведите тележку в движение. Объясните, что произойдет в каждом случае.
3. Просмотрите видео через QR-код, сделайте вывод о скоростях, приобретенных телами под действием одинаковых сил и их связи с массами тел.