中学物理教材中质量概念的形成与发展

在中学物理教材中，质量概念的形成与发展贯穿教材的始终，由浅人深、由表及里、层层推进，符合学生认识规律，也符合科学概念的发展历程。
　　
　　1朴素质量概念
　　
　　学生在进人课堂前已经获得了许多日常概念，教育心理学把这些概念称为朴素概念，又称为前概念。对于质量的概念，学生在教学前已有了一些朴素的看法。在生活中通常用重量来衡量东西的多少，这样学生可能就会形成错误的认识，认为重量就是质量。事实上重量和质量是两个不同的概念，教学中要让学知道：日常生活中我们常说的物品重量是多少斤或公斤，这里所说的重量实际上是质量；还有台秤或杆秤测量的是质量而不是重量。
　　
　　2静质量概念
　　
　　在初中教材中对质量的概念讲得很浅显，只是说：物体是由物质组成的，物体中含有物质的多少叫做质量；质量是物体本身的一种属性，它不随物体的形状、状态和位置而改变。事实上，这种定义是沿用了牛顿关于质量的定义，反映的是静质量的概念。牛顿在《自然哲学之数学原理》中明确定义了物体的静质量，即质量是“物质之量”，是由其密度和大小（体积）共同量度，也即质量是指物体含有物质的多少。按照牛顿这种定义，说明物质是由不变的、不可分割和具有惯性的原子组成的。
　　
　　3惯性质量概念
　　
　　在高中教材中对质量的概念可以从许多不同的角度进行理解，教材是先从物体惯性的角度认识质量的。牛顿第一定律表明，物体具有保持匀速直线运动状态或静止状态的性质，或者说，它们受到相同的作用力时，决定它们运动状态变化难易程度的惟一因素就是它们的质量，所以说“质量是物体惯性大小的量度”。这就是惯性质量的概念。继后，牛顿第二定律指出F=ma，表明在相同作用力的情况下，物体的质量越大，加速度就越小，也就是物体的运动状态就改变的越慢，物体抵抗运动状态变化的“本领”就越强。
　　
　　教学中要注意引导学生掌握惯性质量的概念，要明确一切物体都具有惯性，惯性的表现形式又因物体的运动形式的不同而不同。对于质点的运动和低速情况下的物体的平动来说，惯性可以用质量的大小来量度。但是，当物体作转动时，就不能单一地用质量来量度物体惯性的大小了，这时需要用所谓“转动惯量”来描述惯性的大小。而转动惯量除与物体质量的大小有关外，还与物体的转轴的选取和质量的分布有关。对于高速运动的物体，其惯性表现得就更为复杂，此时需要用“惯性张量”来描述。因此质量并不能完善地描述所有情况下惯性的大小，只有在特定的情况下（作低还平动），才可以作为惯性的量度。
　　
　　4引力质量概念
　　
　　质量不仅可以量度惯性的大小，而且还可以量度物体引力作用的大小，具有这一属性的质量通常称为引力质量。引力质量的概念是牛顿在发现万有引力定律的过程中形成与建立起来的，从万有引力定律出发可定义引力质量。根据牛顿的万有引力定律，任何两物体之间都有引力作用着，引力的方向沿两物体（视为质点）的连线上，大小与两物体的质量m1、m2的乘积成正比，与两者距离二的平方成反比，即：F=Gm1m2/r2,其中G为万有引力常量，质量m1、m2反映了物体引力作用的大小，称为“引力质量”。根据万有引力定律，如果把m1作为引力源，则m2越大，引力就越大，因此，引力质量是产生引力场的作用能力的量度。另一方面，以越大时，引力也越大，所以从这个角度看，质量又是受引力作用的量度。因此，可以引人“引力质量”的概念来定义物体产生引力与受引力场作用的能力大小的量度。鉴于引力质量的性质，可用地球引力的大小来量度该物体的引力质量的大小。例如天平量度质量就是基于这种思想，因而天平所量度的就是物体的引力质量。再如台秤量度质量的原理是G=mg，所以台秤所量度的也是物体的引力质量。
　　
　　5质能方程中的质量概念
　　
　　在很长的时期内，人们认为物体的质量是物体本身的属性，跟其运动无关，认为只有实物粒子组成的物体才具有质量，而另一种场物质（如电场、磁场、电磁场）是没有质量的。直至爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，它们之间的关系是E=mc2，这就是著名的爱因斯坦质能方程。这个方程一方面阐明了质量和能量存在一种对应关系，凡是具有能量的物体一定具有质量，凡是具有质量的物体也一定具有能量；因此，具有能量的场物质也一定具有质量。另一方面说明物体的质量不是一成不变的，而是相对的，在任何物质的能量发生转化或转移的过程中总会伴随着质量的“亏损”或质量的“增加、反之，任何物质的质量变化都将伴随着相应的能量变化。
　　
　　6相对论质量（动质量）概念
　　
　　在牛顿经典力学中，物体的质量是个不变的量，而在爱因斯坦相对论力学中，物体的质量不是一个恒量，物体以速度v运动时的质量m与它静止时的质量m0之间有如下关系：

。这就是相对论的质速关系，m0称为静质量，m称为相对论质量，又称为动质量。质速关系式表明，物体的速度愈大，其质量愈大，速度为零时质量最小，这时的质量就是静质量。m与m0的差别只在物体运动速度很大、与光速可比时才显示出来。
　　
　　7惯性质量与引力质量的关系
　　
　　物体所受的引力与物体的质量成正比，物体所受的惯性力也与物体的质量成正比，我们分别把这两种质量叫做引力质量和惯性质量。惯性质量是出现在牛顿第二定律中，引力质量是出现在万有引力定律中，这二者是分别出现在两个基本的而且相互独立的定律中，显然，它们在物理本性上是完全不同的。