Что такое масса вещества реферат
Обновлено: 04.07.2024
ГОСТ
Под массой принято понимать физическую величину, которая показывает количество вещества, содержащегося в теле.
Из курса физика известно, что все вещества состоят из составных элементов: атомов и молекул. В различных веществах массы атомов и молекул неодинаковы, поэтому масса тела зависит от характеристик сверхмалых частиц. Существует зависимость, исходя из которой понятно, что более плотное расположение атомов в теле повышает общую массу и наоборот.
В настоящее время выделяют разные свойства материи, при помощи которых можно охарактеризовать массу:
- способность тела к сопротивлению при изменении его скорости;
- способность тела притягиваться к другому объекту;
- количественный состав частиц в определенном теле;
- количество работы, совершаемой телом.
Численное значение величины массы тела остается во всех случаях на одном уровне. При решении задач численное значение массы тела можно брать одинаковое, поскольку нет зависимости, какое свойство материи отражает масса.
Инертность
Существует два вида масс:
- инертная масса;
- гравитационная масса.
Сопротивление тела попыткам изменить его скорость называется инертностью. Не все тела могут менять свою изначальную скорость с одинаковой силой, поскольку они обладают разной инертной массой. Одни тела при одинаковом воздействии со стороны иных тел, которые его окружают, способны быстро менять свою скорость, а другие в идентичных условиях – не могут, то есть меняют скорость заметно медленнее первых тел.
Инертность изменяется исходя из характеристик массы тела. Тело, которое меняет скорость медленнее, обладает большой массой. Мерой инертности тела является инертная масса объекта. При взаимодействии двух тел друг с другом изменяется скорость у обоих объектов. В этом случае принято говорить, что тела приобретают ускорение.
Готовые работы на аналогичную тему
Отношение модулей ускорений тел, которые взаимодействуют друг с другом, равно обратному отношению их масс.
Гравитационная масса – мера гравитационного взаимодействия тел. Инертная и гравитационная масса пропорциональны друг относительно друга. Равенство гравитационной и инертной масс достигается при выборе коэффициента пропорциональности. Он должен быть равен единице.
Массу измеряют в системе СИ в виде килограммов (кг).
Свойства массы
Масса обладает несколькими основополагающими свойствами:
- она всегда положительная;
- масса системы тел равна сумме масс тел, которые входят в эту систему;
- масса в классической механике не зависит от скорости движения тела и его характера;
- масса замкнутой системы сохраняется в случае различных взаимодействий тел друг с другом.
Для измерения величины массы на международном уровне был принят эталон массы. Он получил название килограмм. Эталон хранится во Франции и представляет собой металлический цилиндр, высота и диаметр которого составляет 39 миллиметров. Эталон – величина, которая отражает способность тела притягиваться к другому телу.
Массу в системе СИ обозначают в виде латинской маленькой буквы $m$. Масса является скалярной величиной.
Существует несколько способов определения массы на практике. Чаще всего используют метод взвешивания тела на конструкции весов. Таким способом измеряется гравитационная масса. Весы бывают различных видов:
- электронные:
- рычажные;
- пружинные.
Измерение массы тела путем взвешивания на весах – наиболее древний способ. Им пользовались жители Древнего Египта еще 4 тысячи лет назад. В наше время конструкции весов имеют различные очертания и размеры. Они позволяют определять массу тела сверхмалых форм, а также многотонных грузов. Такие весы обычно используются на транспорте или промышленных предприятиях.
Понятие плотности вещества
Плотность является скалярной физической величиной, которая определяется массой единичного объема конкретного вещества.
Плотность вещества ($\rho$) - отношение массы тела $m$ или вещества к объёму $V$, которое занимает это тело или вещество.
Единицей плотности тела в системе измерения СИ является кг/м $^$.
Плотность вещества зависит от массы атомов, из которых состоит вещество, а также плотности упаковки молекул в веществе.
Плотность тела увеличивается под влиянием большого количества атомов. Различные агрегатные состояния вещества существенно изменяют плотность определенного вещества.
Твердые вещества обладают большой степенью плотности, так как в таком состоянии атомы очень плотно упакованы. Если рассматривать то же самое вещество в жидком агрегатном состоянии, то его плотность уменьшится, но останется примерно на сопоставимом уровне. В газах молекулы вещества максимально далеко находятся друг от друга, поэтому упаковка атомов на этом уровне агрегатного состояния очень низка. Вещества будут иметь наименьшую плотность.
В настоящее время исследователи составляют специальные таблицы плотности различных веществ. Наибольшие показатели по плотности имеют металлы осмий, иридий, платина, золото. Все эти материалы славятся своей безупречной прочностью. Средние показатели по плотности у алюминия, стекла, бетона – эти материалы имеют особые технические характеристики и часто используются в строительстве. Наименьшие показатели по плотности имеют сухая сосна и пробка, поэтому они не тонут в воде. Вода обладает плотностью в 1000 килограммов на кубический метр.
Ученые смогли новыми методами вычислений определить среднюю плотность вещества во Вселенной. Результаты экспериментов показали, что в основном космическое пространство разрежено, то есть там практически отсутствует плотность – примерно шесть атомов на кубический метр. Это означает, что значения массы в такой плотности также будут уникальными.
Изображение международного прототипа килограмма, который сделан из сплава 90% платины и 10% иридия в виде цилиндра 39,17 мм. Прототип хранится в штаб-квартире Международного бюро мер и весов в Севре.
- Пассивная гравитационная масса показывает, с какой силой тело взаимодействует с внешними гравитационными полями — фактически эта масса положена в основу измерения массы взвешиванием в современной метрологии.
- Активная гравитационная масса показывает, какое гравитационное поле создаёт само это тело — гравитационные массы фигурируют в законе всемирного тяготения.
- Инертная масса характеризует инертность тел и фигурирует в одной из формулировок второго закона Ньютона. Если произвольная сила в инерциальной системе отсчёта одинаково ускоряет разные исходно неподвижные тела, этим телам приписывают одинаковую инертную массу.
В классической механике масса системы тел равна сумме масс составляющих её тел. В релятивистской механике масса не является аддитивной физической величиной, то есть масса системы в общем случае не равна сумме масс компонентов, а включает в себя энергию связи, а также энергию движения частиц друг относительно друга [3] .
Содержание
Принцип эквивалентности
Все явления в гравитационном поле происходят точно так же, как в соответствующем поле сил инерции, если совпадают напряжённости этих полей и одинаковы начальные условия для тел системы.
Гравитационная масса — характеристика материальной точки при анализе в классической механике, которая полагается причиной гравитационного взаимодействия тел, в отличие от инертной массы, которая определяет динамические свойства тел.
Как установлено экспериментально, эти две массы пропорциональны друг другу. Не было обнаружено никаких отклонений от этого закона, поэтому новых единиц измерения для инерционной массы не вводят (используют единицы измерения гравитационной массы) и коэффициент пропорциональности считают равным единице, что позволяет говорить и о равенстве инертной и гравитационной масс.
Можно сказать, что первая проверка пропорциональности двух видов массы была выполнена Галилео Галилеем, который открыл универсальность свободного падения. Согласно опытам Галилея по наблюдению свободного падения тел, все тела, независимо от их массы и материала, падают с одинаковым ускорением свободного падения. Сейчас эти опыты можно трактовать так: увеличение силы, действующей на более массивное тело со стороны гравитационного поля Земли, полностью компенсируется увеличением его инертных свойств.
На равенство инертной и гравитационной масс обратил внимание ещё Ньютон, он же впервые доказал, что они отличаются не более чем на 0,1 % (иначе говоря, равны с точностью до 10 −3 ) [4] . На сегодняшний день это равенство экспериментально проверено с очень высокой степенью точности (чувствительность к относительной разности инертной и гравитационной масс в лучшем эксперименте на 2009 год равна (0,3±1,8)·10 −13 ) [1] [2] .
Определение массы
Возможные 4-импульсы тел с нулевой и положительной массой покоя. Векторы 4-импульса, построенные от точки пересечения осей до любой точки на зелёной гиперболе, имеют одну и ту же (положительную) длину, то есть массу частицы, несущей этот четырёхимпульс, и различаются энергией и 4-скоростью частицы. Ускорение частицы сводится к движению конца 4-импульса по гиперболе. Векторы четырёхимпульса, построенные от точки пересечения осей до любой точки на синих полупрямых, имеют нулевую длину и могут относиться только к частицам нулевой массы (например, фотонам). Энергия этих частиц (с точностью до коэффициента c) равна модулю их 3-импульса.
В специальной теории относительности под массой понимают модуль 4-вектора импульса [5] :
,
где E — полная энергия свободного тела, p — его импульс, c — скорость света.
В случае произвольной метрики пространства-времени (как в общей теории относительности) это определение требует некоторого обобщения:
Здесь " width="" height="" />
— метрический тензор, — 4-импульс.
— масса определяется энергией покоя.
Особенно просто выглядят эти определения в системе единиц, в которой скорость света принята за 1 (например, в планковской или же в принятой в физике элементарных частиц системе единиц, в которой масса, импульс и энергия измеряются в электронвольтах):
В СТО: = \sqrt^2>" width="" height="" />
В ОТО: p^i p^k>" width="" height="" />
Следует, однако, отметить, что частицы с нулевой массой (фотон и гипотетический гравитон) двигаются в вакууме со скоростью света (c ≈ 300000 км/сек), и поэтому не существует системы отсчёта, в которой бы они покоились. Напротив, частицы с ненулевой массой всегда движутся медленнее скорости света.
В нерелятивистской классической механике — масса есть величина аддитивная (масса системы равна сумме масс составляющих её тел) и инвариантная относительно смены системы отсчёта. В релятивистской механике масса неаддитивная, но тоже инвариантная величина, определяемая, как абсолютная величина 4-вектора энергии-импульса.
В современной терминологии термин масса применяется вместо терминов инвариантная масса или масса покоя, являясь полностью эквивалентным им по смыслу. В некоторых ситуациях (особенно в популярной литературе) это, однако, уточняется явно, чтобы избежать путаницы из-за понимания термина масса в другом — устаревшем — смысле, описанном в этом параграфе.
Полным аналогом классического определения импульса через массу и скорость в СТО следует считать ковариантное равенство:
, где m — инвариантная масса, а uμ — 4-скорость (производная от 4-координаты по собственному времени частицы /d\tau" width="" height="" />
; единичный вектор, направленный вдоль мировой линии частицы).
Также можно записать ковариантный эквивалент второго закона Ньютона:
, где /d\tau" width="" height="" />
— 4-ускорение (кривизна мировой линии частицы).
Масса составных и нестабильных систем
Масса элементарной частицы постоянна, и одинакова у всех частиц данного типа и их античастиц. Однако масса массивных тел, составленных из нескольких элементарных частиц (например, ядра или атома) может зависеть от их внутреннего состояния. В частности, для устойчивых систем масса системы всегда меньше суммы масс её элементов на величину, называемую дефектом массы, и равную энергии связи, делённой на квадрат скорости света.
. При описании такой системы при помощи квантовой механики удобно считать массу комплексной, с мнимой частью равной означенному Δm.
Классификация частиц по значению массы
Масса известных на сей день частиц является, в общем, неотрицательной величиной, и должна быть равна нулю для тела, движущегося со скоростью света (фотон). Понятие массы особенно важно для физики элементарных частиц, так как позволяет отделять безмассовые частицы (всегда двигающиеся со скоростью света) от массивных (скорость которых всегда ниже скорости света). Кроме того, масса практически однозначно позволяет идентифицировать частицу (с точностью до зарядового сопряжения).
Положительная масса
К частицам с положительной массой (тардионам) относятся почти все частицы Стандартной модели: лептоны, кварки, W- и Z-бозоны. Эти частицы могут двигаться с любой скоростью, меньшей скорости света, в том числе покоиться. К тардионам относятся также все известные составные частицы: протон, нейтрон, гипероны и мезоны.
Нулевая масса
К известным на сегодняшний день частицам нулевой массы (безмассовым, люксонам) относятся фотоны и глюоны, а также гипотетические гравитоны. Такие частицы в свободном состоянии могут двигаться только со скоростью света. Но поскольку из квантовой хромодинамики следует, что глюоны в свободном состоянии не существуют, то непосредственно наблюдать движущимися со скоростью света можно только фотоны (собственно, именно поэтому её называют скоростью света). Долгое время считалось, что нейтрино также имеют нулевую массу, однако обнаружение вакуумных нейтринных осцилляций свидетельствует о том, что масса нейтрино хоть и очень мала, но не равна нулю.
Следует отметить, что комбинация нескольких частиц нулевой массы может (а в случае, например, сцепленных частиц — должна) иметь ненулевую массу.
Отрицательная масса
Частицы с отрицательной массой двигались бы с любой скоростью, меньшей скорости света, аналогично тардионам, и имели бы отрицательную энергию и импульс, направленный в сторону, противоположную направлению движения. Допущение существования отрицательных масс ведёт к определённым сложностям в интерпретации принципа эквивалентности и закона сохранения импульса. В то же время в общей теории относительности допускается существование локальных пространственных областей с отрицательной плотностью энергии-импульса. В частности, подобную область можно создать с помощью эффекта Казимира [9] .
Мнимая масса
В рамках специальной теории относительности математически возможно существование частиц с мнимой массой, так называемых тахионов. Такие частицы будут иметь реальные значения энергии и импульса, а их скорость должна всегда быть выше скорости света. Однако допущение возможности наблюдения одиночных тахионов вызывает ряд методологических трудностей (например, нарушение принципа причинности), поэтому в большинстве современных теорий одиночные тахионы не вводятся. Впрочем, в квантовой теории поля мнимая масса может быть введена для рассмотрения тахионной конденсации, не нарушающей принцип причинности.
Единицы измерения массы
Килограмм является одной из семи основных единиц СИ; среди них, это одна из трёх единиц (наряду с секундой и Кельвином), которая определена ad hoc, без ссылок на другие базовые единицы и составляющий значение международного прототипа килограмма.
Масса иногда может быть выражена в терминах длины. Масса очень мелких частиц могут быть определены с помощью величины, обратной к комптоновской длине волны: 1 см -1 ≈ 3.52×10 -41 кг . Масса очень большой звезды или чёрной дыры может быть отождествлена с её гравитационным радиусом: 1 см ≈ 6.73×10 24 кг .
Измерение массы
Этимология и история понятия
Слово масса (лат. massa , от др.-греч. μαζα ) первоначально в античные времена обозначало кусок теста. Позднее смысл слова расширился, и оно стало обозначать цельный, необработанный кусок произвольного вещества; в этом смысле слово используется, например, у Овидия и Плиния [10] .
Долгое время одним из главных законов природы считался закон сохранения массы. Однако в XX веке выяснилось, что этот закон является ограниченным вариантом закона сохранения энергии, и во многих ситуациях не соблюдается.
См. также
Примечания
Все вещества состоят из мельчайших частичек: атомов и молекул. В разных веществах масса этих частичек разная, она зависит от параметров еще более мелких частиц, составляющих атомы и молекулы. В результате исследований было доказано, что чем плотнее атомы или молекулы расположены друг к другу, тем выше масса тела.
На сегодняшний день различают некоторые свойства вещества, с помощью которых характеризует массу тел:
- способность тела оказывать сопротивление при изменении его скорости;
- способность тела притягивать другие объекты;
- численный состав частичек в теле;
- работа, совершаемая телом.
Численно величина массы остается одинаковой, независимо от того, какое именно свойство рассматривается.
Инертность
Различают две разновидности массы: инертную и гравитационную.
Инертностью называется способность тела сопротивляться при попытке изменения его скорости. При этом тела разной инертной массы с разной силой оказывают такое сопротивление. Тела с разной массой, находящиеся под одинаковым воздействием внешних сил, изменяют свою скорость по-разному.
Сложно разобраться самому?
Попробуй обратиться за помощью к преподавателям
Инертность зависит от параметров массы тела. Чем больше масса тела, тем медленнее оно будет менять скорость. Меру инертности определяет инертная масса тела. Если тела взаимодействуют между собой, то оба они изменяют свою скорость. Данный процесс сопровождается появлением ускорений у этих тел.
Отношение ускорений взаимодействующих тел равняется обратному отношению масс данных тел.
Гравитационная масса является мерой гравитационного взаимодействия тел. Гравитационная и инертная массы пропорциональны друг другу с определённым коэффициентом пропорциональности. Их равенство достигается при значении данного коэффициента, равном единице.
В международной системе измерений единицей измерения массы является килограмм (кг).
Свойства массы
Масса имеет определенные характеристики:
- она всегда имеет положительное значение;
- масса системы тел равна сумме масс тел, составляющих эту систему;
- в классической механике массу тела определяет скорость и характер его движения;
- в замкнутой системе суммарная масса тел остается неизменной при любых их взаимодействиях между собой.
Для определения значения массы существует международный эталон. Он называется килограммом, находится во Франции и выглядит как металлический цилиндр, высотой и диаметром по 39 мм.
В международной системе измерений массу обозначают латинской маленькой буквой m. Масса – величина скалярная.
Массу тела можно определить различными способами. В основном на практике пользуются весами. Весы показывают гравитационную массу и бывают различного исполнения: пружинные, рычажные и электронные.
Для определения массы весами пользовались еще около 4 тысяч лет назад древние египтяне. К нашему времени конфигурация весов конечно же изменилась, и на сегодняшний день весы бывают различных размеров и конструкций. Существуют весы для определения массы очень маленьких по размеру тел, а также крупногабаритных объектов. Например, в химических лабораториях применяются сверхточные весы для определения небольших масс навесок, а для взвешивания автомобилей применяются крупногабаритные весы с большей погрешностью измерений.
Плотность вещества
Плотностью вещества называется скалярная физическая величина, определяющаяся массой единицы объёма определенного вещества.
Плотность вещества ρ показывает отношение массы вещества \(m\) к объему \(V\) , который оно занимает.
Единицей измерения плотности вещества в международной системе измерений есть кг/м 3 .
Плотность вещества определяется массой атомов, составляющих структуру вещества, а также плотностью расположения атомов и молекул в его структуре.
Плотность вещества будет тем большей, чем больше плотность расположения атомов и молекул. При различных агрегатных состояниях вещества изменяется его плотность.
Не нашли что искали?
Просто напиши и мы поможем
Если вещество находится в твердом агрегатном состоянии, то степень его плотности выше, так как атомы при этом расположены плотнее. Если то же самое вещество пребывает в жидком агрегатном состоянии, его плотность уменьшается, но её значение очень близко к значению плотности в твёрдом состоянии. В газообразном агрегатном состоянии молекулы и атомы расположены на большом расстоянии друг от друга, поэтому плотность их расположения достаточно низкая. Соответственно плотность того же вещества будет иметь меньшее значение.
Существуют целые таблицы с плотностью различных веществ, которые постоянно пополняются новыми данными. Самыми большими показателями плотности обладают металлы золото, платина, иридий и осмий. Они обладают большой прочностью. Средней плотностью обладают алюминий, бетон, стекло. У них особые характеристики, которые позволяют использовать их при строительстве. Низкие значения плотности имеют сухие деревья, пробковые материалы, они способны плавать в воде и не тонуть. Плотности воды составляет 100 кг/м 3 .
Проведя ряд исследований, ученые установили среднюю плотность веществ во Вселенной. В результате экспериментов они пришли к выводу, что пространство космоса достаточно разряжено, там практически отсутствует плотность. В среднем она составляет 6 атомов на кг/м 3 . Соответственно масса при такой плотности имеет уникальное значение.
обучающая: Познакомится с важнейшими величинами, которые используются в молекулярной физике. Понять физический смысл каждой из этих величин и определить их взаимосвязь.
развивающая: развитие умения применять полученные знания на практике, научится пользоваться таблицей Менделеева для решения задач по молекулярной физике.
воспитывающая: воспитание дисциплины и норм поведения, творческого отношения к изучаемому предмету; стимулировать активность учащихся, повышать мотивацию к изучению физики.
Методы:
контролирующий — решение задач с использованием наглядных примеров
Ход урока:
1. Организационный этап.
Добрый день. Прежде чем мы приступим к уроку, хотелось бы, чтобы каждый из вас настроился на рабочий лад.
2. Актуализация знаний.
Совсем недавно мы приступили к изучению молекулярной физики. На сегодняшнем уроке мы дадим представление о массе молекул, а также введем совершенно новую величину, которая называется количеством вещества.
3. Объяснение нового материала.
Как вы понимаете, масса и размеры молекул крайне малы. Например, в одном стакане воды содержится просто огромное количество молекул.
Поэтому, для удобства вводится такая величина, как относительная молекулярная масса. Эта величина определяется как отношение массы молекулы (или атома) данного вещества к одной двенадцатой массы атома углерода. Таким образом, массы всех химических элементов можно выразить в атомных единицах массы.
В таблице Менделеева собраны данные обо всех известных химических элементах. В частности, из этой таблицы можно узнать относительную молекулярную массу. На примере соляной кислоты мы научимся, как вычислять относительную молекулярную массу любого соединения с помощью таблицы Менделеева.
Помимо характеристики массы молекул, необходимо характеризовать и количество молекул, содержащихся в той или иной массе данного вещества. Для этого вводится такая величина, как количество вещества. Единицей измерения этой величины является моль. Один моль — это количество вещества, в котором содержится столько же молекул или атомов, сколько содержится атомов в двенадцати граммах углерода.
В связи с этим, вводится еще одна величина, которая называется молярной массой. Молярная масса — это масса данного вещества, взятого в количестве один моль. Эта величина измеряется в килограммах на моль.
Молярную массу также можно взять из таблицы Менделеева. Только обязательно нужно помнить о том, что в таблице Менделеева молярная масса указана в граммах на моль. Ну и конечно, ни в коем случае нельзя путать относительную молекулярную массу с молярной массой, несмотря на то, что в таблице Менделеева эти величины численно равны.
4. Решение задач.
Ну и конечно, необходимо рассмотреть практическое применение полученных знаний, то есть, решение задач.
5. Рефлексия
Хотелось бы услышать ваши отзывы о сегодняшнем уроке: что вам понравилось, что не понравилось, чем бы хотелось узнать еще.
Читайте также: