质量、重力和重量原本是三个不同的物理概念,可不知从何时起,人们把质量和重量、重量和重力混为一谈,以致常常“指鹿为马”,弄到“假作真时真亦假,真作假时假亦真”的地步了。比如,咱们用杆秤称量物品,称量出来的是物品的什么“量”呢?有人也许会不假思索地回答:重量。其实不是“重量”,而是“质量”。理由很简单:用杆秤所称出的物品的“量”是与秤砣比对后得到的,正如用天平所称出的物品的“量”是与砝码比对后得到的。秤砣与砝码,都是质量的基准,所以比对得到的“量”当然就是质量。值得指出的是,在比对的过程中利用了重力,即利用了“杆秤平衡时,物体重力对轴(拴秤毫处)的力矩与秤砣重力对轴的力矩大小相等、方向相反”,亦即∑M(F)=0的“合力矩定理”。此处,何妨顺便说句题外话:杆秤与天平的工作原理是相同的;二者的区别仅仅在于,杆秤的两个力臂不等,而天平的两个力臂相等。
问题似乎越说越糊涂了:还没有把重量说清楚,又扯出来了质量和重力。不过,这又恰好说明,重量、质量和重力是既有联系又有区别的三个概念,或曰三个物理量。
先说质量。所谓质量,就是物体中所含物质的多少。从惯性的角度看,物体的质量大,意味着保持固有运动状态的能力大;物体的质量小,意味着保持固有运动状态的能力小。而从引力的角度看,物体的质量大,意味着它与别的物体之间的引力大;物体的质量小,意味着它与别的物体之间的引力小。质量的单位是千克,国际符号为kg。值得一提的是,作为物理量的质量,与作为日常生活中物品品质好坏的质量,有着完全不同的含义。
次说重力。重力是指地球对物体的吸引力。据此可知,重力的方向恒指向地心,大小等于物体的质量与其所在地的重力加速度的乘积,即G=mg。其中,质量m的单位为kg,物体所在地的重力加速度g约为9.8 m/s2。正因为重力是一种力,所以重力的单位当然就是力的单位N(牛顿)。
再说重量。重量的定义是“使物体在特定参考系中获得的加速度等于当地自由落体加速度的力”。这就是说,重量也是一种力,其单位当然也是力的单位N(牛顿)。例如,在重力加速度为g的地表A处有一个质量为m的物体,则其重力值为G=mg,方向指向地心。而此物体在A处的重量W,即此物体在A处所获得的自由落体加速度的力,则应为此物体的重力与其在A处由于地球自转对于NS轴(地球自转轴)产生的离心力F的几何和(矢量和),即W=G+F (参见右图)。
由图可见,重量在数值上是小于重力的,且方向偏离地心。由于离心力远小于重力,所以重量与重力的数值极为接近,而且方向的偏离也很小。唯其如此,人们就常常不加区别地将重量和重力混为一谈了。其实,重量和重力的物理意义,那是迥然不同的。
至于质量和重量,二者的物理概念也堪称“泾渭分明”:质量是物体中所含物质的多少,而重量则是一种力——使物体在特定参考系中获得的加速度等于当地自由落体加速度的力。遗憾的是,在日常生活中,人们常把“质量”说成了“重量”。久而久之,习惯成自然,倒不觉得这样“张冠李戴”有什么不妥了。
2005年3月18日