Ретт Аллен
Оригинал:
www.wired.com/story/measurements-are-often-full...Что измеряют весы: массу или вес? Этот распространенный вопрос заставляет нас по-новому взглянуть на лабораторные инструменты: не всегда можно с уверенностью сказать, что именно они измеряют.Недавно в моей физической лаборатории у студентов возникли трудности с тем, чтобы
отличить вес от массы. У меня были готовые ответы: эту тему я объяснял сотни раз. Но после того, как я объяснил, что
масса - это то, что важно в задачах на ускорение, один из студентов задал вопрос о цифровых весах, которыми мы пользовались в лаборатории. "Они измеряют массу или вес?"
Ой-ой-ой. Вот это меня подловили. Я ответил студенту, что инструмент показывает результат в граммах, единице массы, то есть... измеряет массу. Иными словами, я солгал. Позже я
признался в этом в твиттере.
В лаборатории один студент говорил "вес", хотя должен был сказать "масса". Я ответил: "Ты хотел сказать "масса", правильно?"
А потом, чуть позже, он спросил меня, что измеряют весы, массу или вес. Я ответил... блин. Он загнал меня в угол. Мне кажется, формально весы измеряют вес.
В самом деле, не стоит укорять студентов, что они путаются в этом вопросе. Во-первых, даже те, кто знают разницу, обычно используют термины
вес и
масса как синонимы. Во-вторых, не всегда ясно, что именно на самом деле измеряют наши лабораторные инструменты.
Что интересно, люди часто относятся к концепции "массы" с опаской, но всегда считают, что точно знают, что такое вес. На самом деле масса - это более прямолинейная концепция, по крайней мере, в теории. Масса - это внутреннее свойство предметов, а вот весом предметы не "обладают" - он у них есть только по отношению к другим предметам. Что, совсем запутались? Отлично! Это
первая стадия обучения.
читать дальшеМасса и вес
Давайте начнем с определений.
Масса определяет, сколько всего вещества в предмете. Если бы все было сделано из кубиков Lego 2х2, то мы могли бы измерить массу любого предмета, подсчитав, сколько в нем кубиков. Если все сделано из электронов, протонов и нейтронов, то мы "просто" подсчитываем количество этих частиц. Базовая единица массы - килограмм.
Вес - это прижимная сила, с которой предмет действует на опору. Все предметы, имеющие массу, взаимодействуют с другими предметами, имеющими массу - это называется гравитационным взаимодействием. Если я стою на Земле, то сила притяжения между мной и Землей будет "моим весом". Но на самом деле это мера того, насколько сильно меня тянет к себе Земля.
Но почему, если масса и вес - это разные вещи, они используются как синонимы? Причина проста: в повседневной жизни, если говорить с практической точки зрения, зная одно, вы всегда знаете другое. Вот взаимоотношение между весом (W) в ньютонах и массой (m) в килограммах:
Символ g означает гравитационное поле Земли, которое на поверхности планеты практически постоянно и равно 9.8 ньютонам на килограмм. Поскольку мы проводим подавляюще большую часть времени на земной поверхности, масса и вес прямо пропорциональны. Удваивается масса - удваивается и вес. Это не одно и то же, но одно выводится из другого.
Конечно, это все придется забыть, если человечество освоит межпланетные перелеты. Но на данном этапе легко понять, почему два этих измерения часто объединяют.
Проверьте свои инструменты
Это еще не все. Как показал вопрос проницательного студента, многие инструменты, которые мы используем в лаборатории для измерения массы, на самом деле измеряют вес. Более того, они измеряют даже не истинный, а "кажущийся вес". Кажущийся вес - это, по сути, сила, с которой весы давят ВВЕРХ на предмет, лежащий на них. Эта сила может меняться, если пол движется с ускорением вверх или вниз. Кроме того, именно кажущийся вес вы "ощущаете", и именно поэтому космонавты на орбите кажутся невесомыми (спойлер: на самом деле нет).
Вот вам небольшая проверка для работы инструментов. Возьмите простые рычажные весы - вроде тех, на которых в старых вестернах взвешивали золотые самородки, - и безмен, чтобы измерить массу определенного предмета.
Рычажные весы работают следующим образом: на одну чашу вы кладете предметы известной массы до тех пор, пока они не уравновешивают предмет на других весах. Безмен действует иначе: вы подвешиваете предмет на крюк, прикрепленный к калиброванной пружине, и определяете массу, смотря, насколько сильно растянулась пружина.
А теперь возьмите два этих измерительных устройства и зайдите с ними в лифт. Когда лифт поедет вверх, пружине безмена придется растягиваться с БОЛЬШЕЙ силой, чем гравитация, и поэтому его показания увеличатся. А вот с рычажными весами не случится ничего. Движущийся лифт, конечно, оказывает влияние на массу предмета, которую мы хотим измерить, но точно такое же действие он будет оказывать и на гирьки.
Итак, если инструмент дает то же самое значение массы в ускоряющейся системе отсчета, то он на самом деле измеряет массу. В ином случае он измеряет кажущийся вес (например, как безмен). Таким образом, цифровые весы и безмен на неподвижной раме на самом деле измеряют вес, а не массу.
Кроме рычажных весов, именно массу измеряют стержневые весы и инерционные весы (см. ссылку). Частота осцилляции инерционных весов зависит от массы, и, зная эту частоту, вы сможете косвенно измерить массу.
Измеряем измерения
Но подождите, сейчас все станет еще хуже. Да, у нас есть инструменты, которые не измеряют вес как "заменитель" массы. Но на самом ли деле они измеряют массу? Нет - на самом деле они измеряют расстояние или напряжение.
Стоп, что?
На самом деле до изобретения цифрового вольтметра практически все инструменты, с помощью которых мы хоть что-то измеряли, на самом деле измеряли расстояние, которое с помощью определенных уравнений переводилось в единицу измерения, интересную нам. Сами подумайте:
- Термометр. Жидкость расширяется с повышением температуры. Старые термометры изменяли высоту столба жидкости (спирта или ртути), и из этого выводилась температура.
- Барометр. То же самое: атмосферное давление измеряется путем измерения высоты ртутного столба.
- Динамометр. Внутри него спрятана пружина. Длина, на которую растягивается пружина, пропорциональна силе.
- Градуированный цилиндр. Измеряет объем, основываясь на высоте жидкости.
- Аналоговый вольтметр. Напряжение определяется путем измерения расстояния, на которое отклоняется стрелка в магнитном поле, когда по проводу течет ток.
- Часы. Аналоговые часы измеряют время, основываясь на расстоянии, пройденном секундной стрелкой.
Все изменилось после изобретения цифрового вольтметра. Я попытался понять, как же работает цифровой вольтметр, но еще не разобрался. Это как-то связано с аналого-цифровым преобразователем и осциллятором. Но вся штука в том, что теперь мы часто измеряем напряжение, чтобы рассчитать какую-то другую величину:
- Цифровые весы. Один из вариантов цифровых весов работает на пьезоэлектрическом устройстве. Пьезоэлектрик вырабатывает ток при сдавливании. Так что, по сути, это эквивалент пружинных весов, только измеряется при этом напряжении. Так же работает и цифровой динамометр.
- Цифровой термометр. Здесь главный элемент - термоэлектрическое устройство. Это сочетание нескольких металлов, в котором вырабатывается ток при перепаде температур.
- Световой сенсор. В самых простых сенсорах используются фотоэлементы. Вырабатываемое напряжение зависит от количества света, попавшего на сенсор.
- Сенсор магнитного поля. Также известен как сенсор эффекта Холла. Он измеряет "боковое" напряжение, когда электрический ток проходит через тот или иной материал. Да, да, я сильно упрощаю - вот более подробное объяснение.
Так, подождите. Я соврал (снова). Есть еще один способ измерения величин - подсчет. Если подумать, некоторые приборы просто очень круто считают. Цифровые часы подсчитывают осцилляции. Счетчик Гейгера считает "попадания". Но, насколько я могу судить, этими тремя способами можно выполнить все измерения начального курса физики.
О, кстати, как насчет всех этих цифровых детекторов движения? Они очень полезны для изучения кинематики и прочего такого. Детектор движения выпускает звуковой импульс. Импульс отражается от предмета и возвращается к сенсору, который подсчитывает время прохождения импульса. Зная время и скорость звука, он может подсчитать расстояние. Поскольку сенсор может подсчитать 50 расстояний в секунду, с помощью повторных измерений расстояния можно вычислить также скорость и ускорение. Но в конечном итоге он просто измеряет время - то есть "считает".
Уверен, что есть какие-то инструменты измерения, в которых не используется ни расстояние, ни напряжение, ни подсчет - но я что-то ни одного найти не могу. Докажите, что я неправ!
-
-
08.11.2019 в 23:15Спасибо))
-
-
08.11.2019 в 23:50Спасибо
-
-
09.11.2019 в 20:27Вопрос: какое значение покажут рычажные весы, если производить измерения в состоянии невесомости. Например, на борту космической станции?
-
-
24.02.2020 в 16:30