小物和小理的物理對話錄(75)
———質(zhì)量漫談

◇ 北京 何 龍 孟衛(wèi)東(特級教師)

前言:小物和小理是兩名普通的高中生,他們酷愛物理,在學(xué)習(xí)物理的過程中,小物經(jīng)常向小理提出許多刁鉆而有趣的物理問題,了解他們的故事也能讓你的物理達(dá)到新的高度．

1 對話錄

小物:高中物理新教材已經(jīng)使用一學(xué)期了,你有什么感覺?

小理:風(fēng)格變了好多,新增了很多情境問題,我很喜歡!

小物:怎么說?

小理:有情境,真問題,讓我愿意去思考:為什么會這樣，它還能做什么?

小物:是啊,物理就是要能解決實際問題才有意思啊!

小理:說得沒錯!那我問你一個問題,你來想想是怎么回事.

小物:快說!別問得太簡單,讓我失望啊!

小理:你覺得質(zhì)量是什么?它是描述什么的物理量?

小物:我真是有點失望了,這太簡單了!初中物理就已經(jīng)說過,質(zhì)量是描述物體所含物質(zhì)多少的物理量．

小理:嘿嘿，別急!我問你,我們高中學(xué)了牛頓運動定律,學(xué)了能量、動量,這些都涉及質(zhì)量,你能用一句“物體所含物質(zhì)多少”來理解嗎?

小物:這個……

小理:你應(yīng)該還聽說過質(zhì)能方程,也應(yīng)該簡單了解過相對論中所說的速度越大質(zhì)量就越大的現(xiàn)象．那么這是否說明質(zhì)量就是能量?是否說明物體跑得快了,所含的物質(zhì)就多了?

小物:好吧,你這個“簡單”問題太難了,我沒有想過……一時也想不出什么答案．忽然覺得被書本或別人告知的事情有很多自以為是的東西,以為自己都知道了,其實還有很多邏輯上、體系自洽上的缺陷存在．對于知識,我有點習(xí)慣性地接受了,沒有主動去思考“是什么、為什么”．

小理:你能這么自省已經(jīng)很厲害了!老師現(xiàn)在經(jīng)常說真情境、真問題,其實就是希望咱們能自己動腦筋思考問題、解決問題．

小物:好啦好啦!大道理不用再說,我現(xiàn)在就想知道質(zhì)量到底是什么!你快給我講講吧!

2 小理的解釋

萬物都是由原子、分子甚至更小的微觀粒子組成的,但是物體的質(zhì)量,并不能簡單地用這些粒子的和來描述．

舉個例子,在原子物理部分我們學(xué)過結(jié)合能和平均核子質(zhì)量的概念,圖1就是不同元素原子核核子的平均質(zhì)量與原子序數(shù)之間關(guān)系的示意圖．明明都是由中子和質(zhì)子組成的原子核,為什么拆開了和拼在一起質(zhì)量會不一樣?威力巨大的核能,就是來源于這一分一合間的質(zhì)量變化．說到這里,就不得不提到著名的質(zhì)能方程E=mc2．

圖1 核子的平均質(zhì)量與原子序數(shù)之間的關(guān)系

也許很多同學(xué)在學(xué)習(xí)質(zhì)能方程后都會有這樣的想法,如果質(zhì)量可以全部轉(zhuǎn)化為能量那該多好啊,這樣用一根小樹枝、一個小石塊就能釋放出極大的能量,我們?nèi)祟惥蛽碛腥≈槐M的能源了．

然而事實并非如此簡單,我們首先要承認(rèn)質(zhì)能方程的正確性,但它的本意并不是說質(zhì)量可以全部利用這樣一個數(shù)學(xué)關(guān)系轉(zhuǎn)化為能量,而是說質(zhì)量與能量的等價性．簡單來說,就像一枚硬幣的兩面,質(zhì)量與能量是描述物體同一屬性的兩種表述方式．舉一個極端的例子,我們想象一個質(zhì)量為m0的粒子與一個質(zhì)量同樣為m0的反物質(zhì)粒子相遇湮滅,其釋放的能量就是E=2m0c2．這里,我們下意識地會認(rèn)為質(zhì)量就消失了．但如果我們把兩個粒子放到一個理想的密閉容器中,并且將密閉容器放到天平上稱量,如圖2所示．你就會發(fā)現(xiàn),正反物質(zhì)粒子湮滅前后,天平并不會向某一方傾斜．因為粒子湮滅后,其釋放的能量依舊被封存在容器中,根據(jù)質(zhì)能方程,其質(zhì)量不變,天平自然依舊保持平衡．

圖2 正反粒子湮滅的理想化實驗

所以，從這個角度理解核反應(yīng)現(xiàn)象會更加合理:無論是核聚變還是核裂變,反應(yīng)過程中并不是我們通常理解的物質(zhì)減少了,而是其內(nèi)部能量釋放后,原本以能量形態(tài)外顯出的“質(zhì)量”減少了．那么這些核反應(yīng)的能量到底來自哪里呢?回到前面提到的結(jié)合能,其實核子之間從分散到聚合在一起,就會因為彼此之間的相互作用而造成粒子動能和勢能的變化,而這種能量變化外顯出來就是釋放能量以及原子核質(zhì)量減?。?dāng)然,考慮到光速的平方關(guān)系,這其中質(zhì)量的變化數(shù)量級極小,而能量數(shù)量級卻是極大的．以太陽為例,其內(nèi)部核聚變每秒鐘都要釋放相當(dāng)于四十億千克質(zhì)量的能量,而這些能量都來自其內(nèi)部粒子聚合過程中減小的動能和勢能．不過大家也不必?fù)?dān)心,過去一百億年里,太陽的質(zhì)量只減少了0.07%,它還可以燃燒很久．

這樣我們也可以理解在相對論中為什么運動的物體質(zhì)量會更大些,因為運動物體擁有了更多的能量.甚至上緊的發(fā)條、被加熱的金屬,都會因為它們擁有了更多的能量而質(zhì)量更大．只不過,由于質(zhì)能方程中光速平方的關(guān)系,加上我們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|到的能量都較低,這部分能量貢獻(xiàn)的質(zhì)量極小,所以我們無法感知到．

同學(xué)們,你對質(zhì)量的理解是否又深刻了一些呢?希望你能在生活中保持一顆好奇的心,勤于思考;希望你能擁有一份嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度,細(xì)致科學(xué)地去處理發(fā)現(xiàn)的每一個問題!我們要相信,物理很有趣,也很有用!