在太空的失重狀態(tài)下,到底要怎樣稱量物體的質(zhì)量?

我們知道,測量物體的質(zhì)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。那么我們該怎么測量質(zhì)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(zhì)量是緊密相關(guān)的,物理量一般測量密度就等同于測量物體的質(zhì)量,這就成了一種死循環(huán)了。

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(zhì)量成反比,也就是F等于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(zhì)量的測量,用的就是這個方法。

用一個固定的力拉一個物體,然后測量物體的加速度,就可以計算出物體的質(zhì)量了。但這種方法其實也有很大的局限性。

首先,如果量程太短,加速度的測量就會很不準(zhǔn)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(zhǔn)確度。

從理論上來說,任何一個與質(zhì)量有關(guān)的力學(xué)定律都是可以用來測量質(zhì)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,然后拉開彈簧讓物體振動起來,我們只要知道彈簧的各種參數(shù),再測出振動頻率,就能計算出物體的質(zhì)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(zhì)量或者體積太大的物體難以操作。

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此外利用動量守恒公式或者物體的圓周運動的公式也都可以測量質(zhì)量,各有優(yōu)缺點。不過嚴(yán)格來說,以上這些測量方法測量出來的都是物體的慣性質(zhì)量,是什么意思呢?

就是說以上方法在測量過程中,被測物體相對于觀測者來說是處在運動狀態(tài)的,那么根據(jù)相對論,物體的質(zhì)量與相對靜止時是不一樣的。因此就有了慣性質(zhì)量引力質(zhì)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于觀察者靜止時的質(zhì)量大小,測量物體的引力質(zhì)量,可以利用各種扭秤。最經(jīng)典的就是卡文迪許扭秤

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(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)件來做參照物,測量被測物體的引力質(zhì)量。

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

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