05.08 在太空的失重狀態下,到底要怎樣稱量物體的質量?

在太空的失重狀態下,到底要怎樣稱量物體的質量?

我們知道,測量物體的質量在地球上很簡單,用天平就可以了。但是,這個方法到了太空中就不管用了。那麼我們該怎麼測量質量呢,有些人可能會想,可以用密度乘以體積嗎?

這個方法雖然簡單易懂,但基本是不可以操作的,因為一個物體的密度往往是不均勻的,誤差會很大,但更重要的是密度和質量是緊密相關的,物理量一般測量密度就等同於測量物體的質量,這就成了一種死循環了。

在太空的失重狀態下,到底要怎樣稱量物體的質量?

其實可以操作的簡單方法是利用牛頓第二定律,物體的加速度與質量成反比,也就是F等於MA這個公式。記得有一次神州十號飛船的航天員在太空中演示質量的測量,用的就是這個方法。

用一個固定的力拉一個物體,然後測量物體的加速度,就可以計算出物體的質量了。但這種方法其實也有很大的侷限性。

首先,如果量程太短,加速度的測量就會很不準確,誤差會很大。其次物體如果太大,就很難實施一個固定大小的力。還有,運動需要確定參照物,參照物的選取也會極大的影響測量的準確度。

在太空的失重狀態下,到底要怎樣稱量物體的質量?

從理論上來說,任何一個與質量有關的力學定律都是可以用來測量質量的

比如我們可以利用物體振動的彈簧頻率公式,把被測量的物體掛在一根彈簧上,然後拉開彈簧讓物體振動起來,我們只要知道彈簧的各種參數,再測出振動頻率,就能計算出物體的質量了。

這種方法是一個比較好的方法,不需要太大的量程而且精確度也大大提高了,但缺點就是質量或者體積太大的物體難以操作。

在太空的失重狀態下,到底要怎樣稱量物體的質量?

此外利用動量守恆公式或者物體的圓周運動的公式也都可以測量質量,各有優缺點。不過嚴格來說,以上這些測量方法測量出來的都是物體的慣性質量是什麼意思呢?

就是說以上方法在測量過程中,被測物體相對於觀測者來說是處在運動狀態的,那麼根據相對論,物體的質量與相對靜止時是不一樣的。因此就有了慣性質量引力質量這樣的概念。

通過測量物體之間的引力大小,可以計算出物體相對於觀察者靜止時的質量大小,測量物體的引力質量,可以利用各種扭秤。

最經典的就是卡文迪許扭秤

在太空的失重狀態下,到底要怎樣稱量物體的質量?

這個扭秤實際上也可以看成是一種特殊的天平,利用一個已知質量的標準件來做參照物,測量被測物體的引力質量。

原理是很簡單的,兩個物體會互相吸引,這種吸引的效應是可以測量出來的。用扭秤來測量引力質量對器材精度的要求非常高。因為引力常數非常的小,但理論上是可以測量得非常精確的。

在太空的失重狀態下,到底要怎樣稱量物體的質量?


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