作者Vulpix (Sebastian)
看板Physics
标题Re: [问题] 该如何理解惯性质量等於重力质量?
时间Mon Jun 14 20:02:40 2021
虽然说惯性质量是惯性的表现,而重力质量是重力理论的耦合参数。
但是我记得若是用这个角度去看牛顿第二运动定律的验证实验
(或者说是归纳出牛顿第二运动定律的实验)的话,
那就会变成:
做实验发现外力与加速度成正比,
而这个比例正是物体放在天平上的读值(即重力质量)。
如果这个说法会有谬误的话,那大概会出在「外力」上。
因为这个实验中典型的外力来源都是重物的「重量」,也就是重力。
写成式子的话,大概就是 Mg=ma。
这条式子可以整理成 g=(m/M)a,
代表透过测量加速度也只能知道重力质量彼此之间的比值,
而无法得到重力质量与惯性质量的关系。
当然我们必须先另外做实验得到重力场 g(即重力加速度 = 自由落体的加速度)。
可是这样一来,那「力」的定义到底是什麽?
外力里面基本上必须先排除重力,因为这会影响到我们测量惯性质量。
我知道力的定义一直都是「会改变物体的运动状态或者形状」的「那个东西」。
那 general force 都是力吗?例如力矩,力矩也能改变运动状态或形状。
所以如果要做一次真正的验证,
我们要先找到一个已知大小的力,最好是不随时间而变的力。
然後是利用打点计时器或摄影机的画格来确定加速度。
计算比值,得到惯性质量。
那问题就是要怎麽制作那个外力了,不知道用弹簧秤是不是可行?
(但是从历史来看,虎克定律中的「力」应该也都是各种样品的物重。又是重力。)
例如想办法固定一个轻弹簧秤的伸长量,然後用它拉着物体运动。
从这个角度来说,大概在那个国中实验装置中间多塞进一个弹簧秤就足够了吧,
因为这样一来,施在物体上的力就是由弹簧提供,而不是重物直接施力。
(其实以前也不是,中间至少会有绳子之类的东西,由绳子施力。
但是这个缺点是我们如果不知道重力会与绳张力相等,我们就不知道绳张力的大小。)
经过这个稍微改良版的实验测量,我们得到了:
弹簧伸长量 x 与加速度 a 成正比,比值先记作 q。
然後更换物体,得到更多不同物体的 q。
接着比对这些 q 值与用天平测得的重力质量 m。
发现他们成正比。
所以 x=qa,透过等量乘法公理处理,mx/q = ma。
等式左端才是弹簧弹力,而 m/q 就是熟悉的弹簧力常数 k。
在这个实验中,q 可以视为惯性质量。
「发现 q 与 m 成正比」,则是为什麽我们「相信」等效原理的由来。
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