把科学带回家
2017-11-02
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把科学带回家
把科学带回家
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给孩子最好的科学教育
音频在哪里？音频在这里。
今天是王木头讲科学的第
25
期节目。
来自北京大学的
木头哥哥
木头哥哥
是把科学带回家的明星主持人，他最擅长给孩子
讲有趣的科学。
▼
用听的
用听的
▼
用看的
用看的
▼
同样一个东西，用天平和弹簧秤先在地球上称出来它是
1
公斤。那么在跑到月球上再去称一下，这两种秤称出
来的分别会有多重呢？我们在上一次内容的最后留下了这个问题。它让我想起来一个很有趣的脑筋急转弯，
就是一斤的棉花和一斤的铁块相比，哪一个更重一些？肯定是一样重的，对吧。你想啊，都是
1
斤，肯定重量
一样。只不过棉花因为疏松，所以
1
斤棉花会是很大一块，而铁块只有很小一块。
这个脑经急转弯是难不住我们的，那我们再想想刚才那个问题。同一个东西分别用两种秤在月球上去称，称
出来肯定应该和地球是一样的，要是
1
公斤都是
1
公斤。除非秤坏了，否则哪里称都应该是
1
公斤，别说是在
月球了，在火星也应该是一样的。我们上次还讲过，质量是一个物体含有物质的多少，那这个东西含有多少
物质肯定不会因为它在不同地方而有差别，所以不论是在月球还是在地球，甚至在火星，应该是多少还是多
少。所以两个秤称出来的结果应该都是
1
公斤，这个绝对不可能错。
真的是这样子的吗？我们就一步一步来想想看吧。先来看看天平和弹簧秤它们都是如何来称重量的，或者说
他们是如何称质量的。先来看天平，它是下面这个样子的。
用它来称一个东西的质量，那必须是两边都放东西，只要天平是平衡的，那么左右的质量就一定相等。我们
只要知道一边的质量是多少那么另一边也就知道了。所以，这样的天平都需要配一些已知重量的小铁块，也
被成为砝码。称重的时候，需要不断地调整托盘中的砝码，直到两边平衡，只要把一边所有砝码的质量加起
来，就知道另一边物体的质量了。这样的天平，在物理和化学实验室里面会经常用到。
另一种秤呢，是下面的这种弹簧秤了。在秤的里面有一根弹簧，只要下面挂上重的东西，弹簧就被拉长了。
弹簧被拉长了多少，就代表这个东西有多重。那么这个弹簧的长度和质量到底什么关系呢？是拉长了
1
厘米代
表一公斤呢？还是
1
毫米代表一公斤呢？
这个问题的解决就会和天平比较像了，也是需要一个已经知道质量的东西，在弹簧秤本生产出来出厂之前先
挂在上面看看被拉长了多少，那么这个长度就代表了这个质量。把这个长度记下来，以后只要是弹簧被拉拽
到了这个长度，就代表这个东西的质量是这么多。
好，两个秤可以秤出物体质量的原理我们已经知道了，那么大家想想看如果在月球上称同一个物体会发生什
么呢？我先告诉大家结果吧，天平称出来的质量大小会和地球一样，而弹簧秤称出来的会小。同一个东西，
质量肯定是不会变的，那么弹簧秤在月球上称出来的却不同呢？大家能想出为什么吗？
我们来假想这样一个环境，通过这个环境来帮助大家找到这个更深层的原理吧。想象一下，这两个秤现在既
不在地球也不在月球了，而是被我们带到了太空飞船上，就是那种人会在里面飘来飘去的无重力环境。这样
的环境下，你觉得这两个秤还可以称出物体的质量吗？
在这样的环境下，不论多重的东西，放在天平上天平都不会倾斜，因为这个东西是飘在空中的，根本不会下
沉。同样，如果挂在弹簧秤上，里面的弹簧也不会有任何反应，原因也是一样的，因为它是飘在空中不受任
何重力，也就不会把弹簧给拉开。所以，在没有重力的情况下，这两个秤都没有办法称出物体的质量。
这一次不自觉地我们又用了一次思维实验的方法，就像我们之前假设看看时间停止之后会发生什么，然后通
过这样的假设来了解一下时间的重要性。这以次，是假设重力不存在之后发生什么。通过这样的假设我们可
以发现了原来测量质量是和重力息息相关的，如果没有做这样的假设的话，还真的很容易忽略掉这一点，毕
竟重力太常见了。
天平可以测量出质量，是因为地球吸引着托盘上的东西，两边的东西哪个受到的引力大，那它就会把托盘压
下来。如果是保持平衡了，那代表着质量是一样的。弹簧秤呢，也是一样，里的弹簧和地球的吸引力就像是
在拔河。弹簧被拉开的越长弹力就越大，直到变到和地球的吸引力一样大了，就不会继续被拉长了。质量相
同的东西，受到地球吸引力的大小肯定是一样的，所以弹簧被拉长的长度也是一样的，也就是通过这样的方
法弹簧秤可以测出物体的质量。
知道了弹簧秤的这个原理，我们在想想看，到了月球上，是不是月球的吸引力就比较小了，大家还记得小多
少吗？只相当于地球的六分之一。所以，如果用同样的弹簧秤去称同样的东西，因为月球上的吸引力更小，
所以被弹簧拉开的长度也肯定会变短。以前一公斤的东西，假如说可以被拉开
1
厘米，现在只有原来的六分之
一。所以如果一个人要是不知道这一点，他还是用弹簧秤去称质量，那么他肯定是会犯错的。看着弹簧秤拉
开的长度，还是拉伸到
1
公斤的位置。他还以为下面的东西是一公斤呢，其实下面挂着的那个东西，质量要已
经有
6
公斤了。
如果是用天平呢？天平就不会有这个问题，因为天平两边的东西同时受到重力的影响，一边的重力减少了，
另一边也会减少，还是同时减少。所以在月球上还想称质量的话，用天平还是可以的，弹簧秤就不行了。不
过，如果真的想要在其他星球上也用弹簧秤，不是不可以，不过需要多操作一步。那就是，重新完成一下出
厂前的工作，在上面先挂上一个已经知道质量的东西，看看弹簧被拉长到多少了，然后再以这个长度为新标
准去测量其他东西，这样子就可以保证没问题了。
所以，不论是天平还是弹簧秤，只要有重力，那么总是有办法测量出质量来的，可是如果真的像我们刚才讲
到的那样，在没有重力的飞船上，又该如何知道一个东西的质量呢？或者一个东西太大了，比如一颗星球，
没有办法直接用秤去量，又该如何知道一个东西的质量呢？
很多时候是靠速度，准确的说是靠速度的变化程度。用同样的力量，质量越大的东西，改变它运动的状态就
越难。不知道大家有没有奇怪，我们明明是在讨论相对论，为什么会大段大段的讲质量啊、重量啊这些内容
呢？现在到这里，我们其实应该能想到了，前面我们讲到过，时间、距离和速度，是一组相关的物理量。这
一次呢，好像又出来了这么一组，就是力量、质量和速度的变化程度。速度因为不能超光速，对时间和距离
的影响，我们已经见识过了，那么又会对力量和质量有什么影响呢？下次我们就来聊一聊吧。
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