科学：小学教师指南/质量、重量和惯性

质量、重量和惯性

质量

质量是任何物理物体的属性，从原子成分到整个行星或恒星。虽然它与重量有关，但它不是同一件事，因为重量取决于系统中的其他物体，而质量则不依赖（例如，你在月球上的重量与在地球上的重量不同，但你在两个地方的质量相同）。在不谈论重量的情况下很难定义质量，但另一种思考方式是，质量是物体在施加力时抵抗加速度（运动状态的变化）的量度——这可以通过思考推动一个巨大的物体，比如冰箱，与推动一个较小的物体，比如书本，来最好地理解。即使在没有重力的环境中（太空行走中的宇航员），一个巨大的物体仍然比一个小物体更难加速（宇航员将需要对保龄球施加更大的力才能使其加速到10英里/小时，而不是网球）。质量越大，抵抗改变其运动状态的能力就越强（这也是为什么大型卡车比小型汽车消耗更多汽油的原因）。质量还决定了其与其他天体的相互引力强度（你可能没有意识到你也在吸引地球向你靠近，就像地球吸引你向它靠近一样——你确实在吸引地球向你靠近，但地球的质量比你大得多，以至于我们只能注意到你被拉向地球，而不是反过来）。在相对论中，一个相关的概念是系统的质量-能量含量（我们不会解释相对论，但爱因斯坦著名的E = mc²将能量与质量联系起来）。质量的SI单位（即标准国际单位制单位）是千克（kg）。质量是原子的属性（主要是质子和中子），因此质子和中子数量不同的原子质量也会不同（换句话说，一块铅或金的质量会大于相同尺寸的铝块）。

质量与重量并不相同，尽管我们通常通过用天平测量物体的重量来计算其质量，而不是直接与已知质量进行比较。由于月球上的重力较小，因此月球上的物体重量会小于地球上的重量，但其质量仍然相同。这是因为重量是一种力（重力），而质量是决定这种力强度的属性（以及重力）。

在牛顿物理学中，质量可以概括为物体中物质的量（就我们的目的而言，质量是物体中原子数量和类型的函数）。然而，在非常高的速度下，狭义相对论假设能量是质量的额外来源（回到爱因斯坦的方程）。

牛顿引力场（物理学）

当对物体施加力时，可以用一个简单的公式预测该物体的反应

牛顿第二运动定律公式：F = ma

牛顿第二运动定律描述了物体的质量与其加速所需的力之间的关系。力'F'等于质量'm'乘以'a'加速度（物体加速或减速的程度，以m/sec²为单位测量）。如果知道力与加速度，则可以重新排列此公式来计算质量（m = F/a），或者如果知道质量和所需的加速度，则可以计算出所需的力。例如：职业投手对棒球施加多少力才能使其加速到95英里/小时？我们需要知道棒球的质量，大约为145克（即0.145千克）。我们还需要知道95英里/小时大约等于42.5米/秒。现在，从技术上讲，那是某一时刻的速度，而不是加速度（它从零开始加速到95英里/小时）。加速度是m/s²，表示这秒钟比上一秒钟快多少米/秒？为简单起见，我们假设棒球在1秒钟内从0加速到95英里/小时，以便我们可以使用a = 42.5 m/s²。所以：F = ma = (0.145kg)(42.5m/sec²) = 6.16 kgm/sec²。这是一个奇怪的单位：kgm/sec²。我们称之为牛顿！因此，职业棒球运动员必须施加6.16牛顿（牛顿）的力。另一个例子：一辆1400公斤的汽车以2/秒²的加速度行驶。2米/秒约为10英里/小时，因此每秒钟汽车的速度都会提高10英里/小时（这意味着5秒钟内从0加速到50英里/小时）。$F=ma=1400*2=2800N$.

物体越靠近地球中心，重力就越强（因此从技术上讲，山顶上的重力比海滩上的重力要小，但差异很小——但如果你进入太空，你会注意到很大的差异）。如果你从飞机上掉下来，你会以9.8米/秒²的速度加速。你不会永远加速——你速度越快，你撞击到的空气分子的阻力就越大。

重量

物体的重力称为重量。在入门物理教科书中发现的最常见的重量定义将重量定义为重力作用在物体上的力。这通常用公式w = mg表示，其中w是重量，m是物体的质量，g是重力加速度（9.8 m/s²）。当物体更靠近地球中心时，物体的重力更强。根据这一事实，物体在海拔较高的山顶上的重量会小于在海拔较低的地方。例如，飞机及其乘客在上升到更高的高度时，重量会略微减轻，而不是在地面上的重量。

正常重量

惯性

悬挂的重量显示惯性。重量悬挂在绳子上，另一根绳子从它垂下。如果快速拉动绳子，只有底部的绳子会脱落，由于无法及时反应（其惰性），重量仍然悬挂着。如果以更慢的速度拉动相同的底部绳子，则整个组件都会掉下来。
马其顿斯科普里圣西里尔和圣美多狄乌斯大学物理研究所Oliver Zajkov教授进行的实验。

惯性被定义为什么都不做或保持不变的趋势。当提到物质和运动时，就会用到这个词。惯性引出了牛顿的前两条物理定律

1. 静止的物体倾向于保持静止，运动的物体倾向于保持运动。
2. 施加的力与物体的质量和加速度成正比。（即$F=kma$)

惯性与质量直接相关。例如，质量越大，物体越难以开始运动或改变其速度或方向。如果你想克服惯性，你必须施加一个力。力会使静止的物体开始运动，比如用铅笔轻弹一张纸就会使它移动。同样，也必须使用力来减慢或停止已经运动的物体。如果你扔出一个球，你不需要追着它并拉住它来减慢它的速度——它会被重力拉向地面以及空气阻力（摩擦力）减速，空气阻力是由它穿过空气时以及在地面上滚动时产生的摩擦力造成的。如果没有重力或空气阻力，球就会继续运动——这就是为什么太空中的卫星能够以惊人的速度持续运行数年而无需使用任何燃料的原因。

牛顿第一运动定律解释了惯性如何影响运动和静止的物体。牛顿第一定律指出，除非受到外力的作用，否则物体将保持静止或以恒定的速度沿直线运动。你可以在低摩擦环境中最好地理解牛顿的所有定律，比如台球桌（仍然存在摩擦——当你击打球时，它不会永远滚动，但摩擦力很小，所以球很容易滚动）。惯性是质量的函数。质量越大的物体惯性越大，需要更大的力来移动（把一个保龄球放在你的台球桌上，并尝试用与击打台球相同的力来击打它）。保龄球的质量可能是台球的50倍，因此它的惯性也可能是台球的50倍。你也可以在每天乘坐汽车时感受到惯性。如果汽车突然停止，会发生什么？你的身体与汽车一起运动，并且你的身体有惯性。当汽车停止时，你继续向前运动——这就是为什么我们要系安全带的原因！当汽车开始运动时会发生什么？由于惯性，当汽车向前运动时，你的身体倾向于保持静止，这感觉就像你被推回座椅上（实际上你并没有被推回——你保持静止，汽车向前推动了你）。