Что такое масса, как ее вычислить, и чем она отличается от веса?

Понятие, с которым мы знакомы с самого раннего детства, - масса. И все же в курсе физики с ее изучением связаны некоторые трудности. Поэтому нужно четко определить, что такое масса. Как ее можно узнать? И почему она не равна весу?

Определение массы

Естественнонаучный смысл этой величины в том, что она определяет количество вещества, которое содержится в теле. Для ее обозначения принято использовать латинскую букву m. Единицей измерения в стандартной системе является килограмм. В задачах и повседневной жизни часто используются и внесистемные: грамм и тонна.

В школьном курсе физики ответ на вопрос: «Что такое масса?» дается при изучении явления инерции. Тогда она определяется, как способность тела сопротивляться изменению скорости своего движения. Поэтому массу еще называют инертной.

Что такое вес?

Во-первых, это сила, то есть вектор. Масса же является скалярной величиной. Вектор веса всегда приложен к опоре или подвесу и направлен в ту же сторону, что и сила тяжести, то есть вертикально вниз.

Формула для вычисления веса зависит от того, движется ли эта опора (подвес). В случае покоя системы используется такое выражение:

Р = m * g, где Р (в английских источниках используется буква W) — вес тела, g — ускорение свободного падения. Для земли g принято брать равным 9,8 м/с².

Из нее может быть выведена формула массы: m = Р / g.

При движении вниз, то есть в направлении действия веса, его значение уменьшается. Поэтому формула принимает вид:

Р = m (g - а). Здесь «а» — это ускорение движения системы.

То есть при равенстве этих двух ускорений наблюдается состояние невесомости, когда вес тела равен нулю.

Когда тело начинает двигаться вверх, то говорят об увеличении веса. В этой ситуации возникает состояние перегрузки. Потому что вес тела увеличивается, а формула его будет выглядеть так:

Р = m (g + а).

Как масса связана с плотностью?

Очень просто. Чем больше плотность вещества, из которого состоит тело, тем большее значение будет иметь его масса. Ведь плотность определяется, как отношение двух величин. Первой из них является масса, объем — вторая. Чтобы обозначить эту величину выбрали греческую букву ρ. Единицей измерения оказывается отношение килограмма к кубическому метру.

Исходя из всего выше сказанного, формула массы принимает такой вид:

m = ρ * V, в которой буквой V обозначен объем тела.

Занимательные задачи

После разъяснения вопроса о том, что такое масса, можно приступить к решению задач. Те из них, которые имеют занимательное содержание, больше заинтересуют учащихся.

Задача № 1. Условие: Вини Пуху подарили два одинаковых литровых горшочка. В одном из них мед, в другом масло. Как узнать, в котором мед, не открывая их?

Решение. Плотность меда больше, чем у масла. Первая имеет значение 1430 кг/м³, а вторая — 920 кг/м³. Поэтому при одинаковом объеме горшочков тот, что с медом будет тяжелее.

Чтобы точнее ответить на вопрос задачи, потребуется рассчитать массу меда и масла в горшочках. Объем их известен — это 1 литр. Но в расчетах потребуется значение в кубических метрах. Поэтому сначала нужно выполнить перевод. В одном м³ содержится 1000 литров. Поэтому при подсчете результата потребуется брать значение объема, равным 0,001 м³.

Теперь может быть использована формула массы, в которой плотность умножается на объем. После простых вычислений получаются такие значения масс: 1,43 кг и 0,92 кг, для меда и масла соответственно.

Ответ: горшочек с медом тяжелее.

Задача № 2. Условие: Клоун без проблем поднимает гирю, на которой написано, что ее масса равна 500 килограммам. Какова реальная масса гири, если ее объем равен 5 литрам, а вещество, из которого она сделана, — пробка?

Решение. В таблице необходимо найти значение плотности пробки. Она равна 240 кг/м³. Теперь нужно перевести значение объема, получится 0,005 м³.

Зная эти величины не сложно воспользоваться уже известной формулой, чтобы сосчитать массу бутафорской гири. Она получается равной 1,2 кг. Теперь понятно, почему клоуну совсем не тяжело.

Ответ. Реальная масса гири равна 1,2 кг.

Задача № 3. Условие: Джинн сидел в лампе, объем которой неизвестен. Зато его плотность в этот момент была 40000 кг/м³. Когда его выпустили из бутылки, он стал иметь параметры обычного человеческого тела: объем 0,08 м³, плотность 1000 кг/м³. Каков объем лампы?

Решение. Сначала нужно узнать его массу в нормальном состоянии. Она будет равна 80 кг. Теперь можно перейти к нахождению объема лампы. Будем считать, что Джин занимает все пространство внутри нее. Тогда потребуется разделить массу на плотность, то есть 80 на 40000. Получится значение 0,002 м³. Что равно двум литрам.

Ответ. Объем лампы равен 2 л.

Задачи на вычисление массы

Продолжением разговора о том, что такое масса, должно быть решение заданий, связанных с жизнью. Здесь приведены две ситуации, которые наглядно продемонстрируют применение знаний на практике.

Задача № 4. Условие: В 1979 году произошла авария танкера, в результате которой в залив попала нефть. Ее пятно имело диаметр 640 м и толщину около 208 см. Какова масса разлившейся нефти?

Решение. Плотность нефти 800 кг/м³. Для того чтобы воспользоваться уже известной формулой, нужно знать объем пятна. Его легко вычислить, если принять пятно за цилиндр. Тогда формула объема будет такой:

V = π * r² * h.

Причем r — это радиус, а h — высота цилиндра. Тогда объем получится равным 668794,88 м³. Теперь можно сосчитать массу. Она получится такой: 535034904 кг.

Ответ: масса нефти приблизительно равна 535036 т.

Задача № 5. Условие: Длина самого длинного телефонного кабеля равна 15151 км. Чему равна масса меди, которая пошла на его изготовление, если сечение проводов равно 7,3 см²?

Решение. Плотность меди равна 8900 кг/м³. Объем находится по формуле, которая содержит произведение площади основания на высоту (здесь длину кабеля) цилиндра. Но сначала нужно перевести эту площадь в квадратные метры. То есть разделить данное число на 10000. После расчетов получается, что объем всего кабеля приблизительно равен 11000 м³.

Теперь нужно перемножить значения плотности и объема, чтобы узнать, чему равна масса. Результатом оказывается число 97900000 кг.

Ответ: масса меди равна 97900 т.

Еще одна задача, связанная с массой

Задача № 6. Условие: Самая большая свеча массой 89867 кг была диаметром 2,59 м. Какой была ее высота?

Решение. Плотность воска — 700 кг/м³. Высоту потребуется найти из формулы объема. То есть V нужно разделить на произведение π и квадрата радиуса.

А сам объем вычисляется по массе и плотности. Он оказывается равным 128,38 м³. Высота же составила 24,38 м.

Ответ: высота свечи равна 24,38 м.