科學：小學教師指南/質量、重量和慣性

質量、重量和慣性

質量

質量是任何物理物體的屬性，從原子成分到整個行星或恆星。雖然它與重量有關，但它不是同一件事，因為重量取決於系統中的其他物體，而質量則不依賴（例如，你在月球上的重量與在地球上的重量不同，但你在兩個地方的質量相同）。在不談論重量的情況下很難定義質量，但另一種思考方式是，質量是物體在施加力時抵抗加速度（運動狀態的變化）的量度——這可以透過思考推動一個巨大的物體，比如冰箱，與推動一個較小的物體，比如書本，來最好地理解。即使在沒有重力的環境中（太空行走中的宇航員），一個巨大的物體仍然比一個小物體更難加速（宇航員將需要對保齡球施加更大的力才能使其加速到10英里/小時，而不是網球）。質量越大，抵抗改變其運動狀態的能力就越強（這也是為什麼大型卡車比小型汽車消耗更多汽油的原因）。質量還決定了其與其他天體的相互引力強度（你可能沒有意識到你也在吸引地球向你靠近，就像地球吸引你向它靠近一樣——你確實在吸引地球向你靠近，但地球的質量比你大得多，以至於我們只能注意到你被拉向地球，而不是反過來）。在相對論中，一個相關的概念是系統的質量-能量含量（我們不會解釋相對論，但愛因斯坦著名的E = mc²將能量與質量聯絡起來）。質量的SI單位（即標準國際單位制單位）是千克（kg）。質量是原子的屬性（主要是質子和中子），因此質子和中子數量不同的原子質量也會不同（換句話說，一塊鉛或金的質量會大於相同尺寸的鋁塊）。

質量與重量並不相同，儘管我們通常透過用天平測量物體的重量來計算其質量，而不是直接與已知質量進行比較。由於月球上的重力較小，因此月球上的物體重量會小於地球上的重量，但其質量仍然相同。這是因為重量是一種力（重力），而質量是決定這種力強度的屬性（以及重力）。

在牛頓物理學中，質量可以概括為物體中物質的量（就我們的目的而言，質量是物體中原子數量和型別的函式）。然而，在非常高的速度下，狹義相對論假設能量是質量的額外來源（回到愛因斯坦的方程）。

牛頓引力場（物理學）

當對物體施加力時，可以用一個簡單的公式預測該物體的反應

牛頓第二運動定律公式：F = ma

牛頓第二運動定律描述了物體的質量與其加速所需的力之間的關係。力'F'等於質量'm'乘以'a'加速度（物體加速或減速的程度，以m/sec²為單位測量）。如果知道力與加速度，則可以重新排列此公式來計算質量（m = F/a），或者如果知道質量和所需的加速度，則可以計算出所需的力。例如：職業投手對棒球施加多少力才能使其加速到95英里/小時？我們需要知道棒球的質量，大約為145克（即0.145千克）。我們還需要知道95英里/小時大約等於42.5米/秒。現在，從技術上講，那是某一時刻的速度，而不是加速度（它從零開始加速到95英里/小時）。加速度是m/s²，表示這秒鐘比上一秒鐘快多少米/秒？為簡單起見，我們假設棒球在1秒鐘內從0加速到95英里/小時，以便我們可以使用a = 42.5 m/s²。所以：F = ma = (0.145kg)(42.5m/sec²) = 6.16 kgm/sec²。這是一個奇怪的單位：kgm/sec²。我們稱之為牛頓！因此，職業棒球運動員必須施加6.16牛頓（牛頓）的力。另一個例子：一輛1400公斤的汽車以2/秒²的加速度行駛。2米/秒約為10英里/小時，因此每秒鐘汽車的速度都會提高10英里/小時（這意味著5秒鐘內從0加速到50英里/小時）。$F=ma=1400*2=2800N$.

物體越靠近地球中心，重力就越強（因此從技術上講，山頂上的重力比海灘上的重力要小，但差異很小——但如果你進入太空，你會注意到很大的差異）。如果你從飛機上掉下來，你會以9.8米/秒²的速度加速。你不會永遠加速——你速度越快，你撞擊到的空氣分子的阻力就越大。

重量

物體的重力稱為重量。在入門物理教科書中發現的最常見的重量定義將重量定義為重力作用在物體上的力。這通常用公式w = mg表示，其中w是重量，m是物體的質量，g是重力加速度（9.8 m/s²）。當物體更靠近地球中心時，物體的重力更強。根據這一事實，物體在海拔較高的山頂上的重量會小於在海拔較低的地方。例如，飛機及其乘客在上升到更高的高度時，重量會略微減輕，而不是在地面上的重量。

正常重量

慣性

懸掛的重量顯示慣性。重量懸掛在繩子上，另一根繩子從它垂下。如果快速拉動繩子，只有底部的繩子會脫落，由於無法及時反應（其惰性），重量仍然懸掛著。如果以更慢的速度拉動相同的底部繩子，則整個元件都會掉下來。
馬其頓斯科普里聖西里爾和聖美多狄烏斯大學物理研究所Oliver Zajkov教授進行的實驗。

慣性被定義為什麼都不做或保持不變的趨勢。當提到物質和運動時，就會用到這個詞。慣性引出了牛頓的前兩條物理定律

1. 靜止的物體傾向於保持靜止，運動的物體傾向於保持運動。
2. 施加的力與物體的質量和加速度成正比。（即$F=kma$)

慣性與質量直接相關。例如，質量越大，物體越難以開始運動或改變其速度或方向。如果你想克服慣性，你必須施加一個力。力會使靜止的物體開始運動，比如用鉛筆輕彈一張紙就會使它移動。同樣，也必須使用力來減慢或停止已經運動的物體。如果你扔出一個球，你不需要追著它並拉住它來減慢它的速度——它會被重力拉向地面以及空氣阻力（摩擦力）減速，空氣阻力是由它穿過空氣時以及在地面上滾動時產生的摩擦力造成的。如果沒有重力或空氣阻力，球就會繼續運動——這就是為什麼太空中的衛星能夠以驚人的速度持續執行數年而無需使用任何燃料的原因。

牛頓第一運動定律解釋了慣性如何影響運動和靜止的物體。牛頓第一定律指出，除非受到外力的作用，否則物體將保持靜止或以恆定的速度沿直線運動。你可以在低摩擦環境中最好地理解牛頓的所有定律，比如檯球桌（仍然存在摩擦——當你擊打球時，它不會永遠滾動，但摩擦力很小，所以球很容易滾動）。慣性是質量的函式。質量越大的物體慣性越大，需要更大的力來移動（把一個保齡球放在你的檯球桌上，並嘗試用與擊打檯球相同的力來擊打它）。保齡球的質量可能是檯球的50倍，因此它的慣性也可能是檯球的50倍。你也可以在每天乘坐汽車時感受到慣性。如果汽車突然停止，會發生什麼？你的身體與汽車一起運動，並且你的身體有慣性。當汽車停止時，你繼續向前運動——這就是為什麼我們要系安全帶的原因！當汽車開始運動時會發生什麼？由於慣性，當汽車向前運動時，你的身體傾向於保持靜止，這感覺就像你被推回座椅上（實際上你並沒有被推回——你保持靜止，汽車向前推動了你）。