第二十二章
質量與重量
質量是物體的一種基本屬性，與物體的狀態、形狀、溫度、所處的空間位置變化無關。最早提出質量概念的是弗蘭西斯·培根。他在1620年出版的《新工具》一書中，把質量定義為“物體所含物質之量”，並提出“作用力依賴於質量”，從而把質量與作用力聯係起來。
質量是物理學中的七個基本量綱之一，符號M。
在國際單位製中，質量的基本單位是千克，符號kg。最初規定1000cm^3(即1dm^3)的純水，在4℃時的質量1kg。1779年，人們據此用鉑銥合金製成一個標準千克原器，存放在法國巴黎國際計量局中。
重量是物體受萬有引力作用後力的度量，重量和質量不同，單位是牛頓。
由於地心吸引力作用，而使物體具有向下的力，叫做重力，也叫重量。因地心吸引力強弱，在地球上的緯度和高度大小各有不同，物體重量也微有差別，在兩極比在赤道大，在高處比在低處小。同一地區，吸引力同，物體重量亦同。
密度
密度的物理意義,是物質的一種特性，不隨質量和體積而變化。某種物質的質量和其體積的比值，即單位體積的某種物質的質量,叫作這種物質密度。
密度是物質的一種特性，它隻與物質的種類和物質的狀態有關，與質量、體積等因素無關，不同的物質，密度一般是不相同的，同種物質的密度則是相同的 。因此我們可以利用密度來鑒別物質。其辦法是是測定待測物質的密度，把測得的密度和密度表中各種物質的密度進行比較，就可以鑒別物體是什麼物質做成的。
重力與重心
重力，是由於地球的吸引而使物體受到的力，叫做重力，生活中常把物體所受重力的大小簡稱為物重。重力的單位是N，但是表示符號為 G.公式為：G=mg。m是物體的質量，g一般取9.8N/kg。在一般使用上，常把重力近似看作等於萬有引力。
重心，是在重力場中，物體處於任何方位時所有各組成質點的重力的合力都通過的那一點。規則而密度均勻物體的重心就是它的幾何中心。不規則物體的重心，可以用懸掛法來確定。物體的重心，不一定在物體上。另外，重心可以指事情的中心或主要部分。
中心位置在工程上有相當重要的意義。例如起重機在工作時，重心位置不合適，就容易反倒；高速旋轉的輪子，若重心不在轉軸上，就會引起激烈的振動。增大物體的支撐麵，降低它的重心，有助於提高物體的穩定程度。
力
物體之間的相互作用稱為“力”。當物體受其他物體的作用後，能使物體獲得加速度（速度或動量發生變化）或者發生形變的都稱為“力”。它是物理學中重要的基本概念。
國際單位：牛頓，簡稱牛，符號是N。這是為了紀念英國科學家伊薩克·牛頓而命名的。
力的分類：
1）根據力的性質可分為重力（萬有引力）、彈力、摩擦力、分子力、電磁力、核力等。
2）根據力的效果可分為拉力、張力、壓力、支持力、動力、阻力、向心力、回複力等。
3）根據研究對象可分為外力和內力。
16世紀到17世紀間，力學開始發展為一門獨立的、係統的學科。伽利略通過對拋體和落體的研究，提出慣性定律並用以解釋地麵上的物體和天體的運動。17世紀末牛頓提出力學運動的三條基本定律，使經典力學形成係統的理論。1905年，愛因斯坦提出狹義相對論，對於高速運動物體，必須用相對力學來代替經典力學，因為經典力學不過是物體速度遠小於光速的近似理論。20世紀20年代量子力學得到發展，它根據實物粒子和光子具有粒子和波動的雙重性解釋了經典力學不能解釋的微觀現象，並且在微觀領域給經典力學限定了適用範圍。
熱量
熱量，指的是由於溫差的存在而導致的能量轉化過程中所轉移的能量。而該轉化過程稱為熱交換或熱傳遞。熱量的公製為焦耳。
熱量的單位與功、能量的單位相同，在國際單位製中熱量的單位為焦耳(簡稱焦，縮寫為J)，曆史上曾定義熱量單位為卡路裏(簡稱卡，縮寫為cal)，目前隻作為能量的輔助單位，1卡=4.184焦。
注意：1千卡=1000卡=1000卡路裏=4184焦耳=4.184千焦
某一區域在某一時段內吸收的熱量與釋放、儲存的熱量所維持的均衡關係。
物理學的發現
光的反射和折射（圖499）
光的反射：一種光學現象，指光在傳播到不同物質時，在分界麵上改變傳播方向又返回原來物質中的現象。
光的折射定律：反射光線與入射光線、法線在同一平麵上；反射光線和入射光線分居在法線的兩側；反射角等於入射角 。可歸納為：“三線共麵，兩線分居，兩角相等”。
光的反射定律由法國法國土木工程兼物理學家菲涅耳(1788－1827)提出。他發現了反射/折射與視點角度之間的關係。因此，光的反射又稱為菲涅爾反射。
如果你站在湖邊，低頭看腳下的水，你會發現水是透明的，反射不是特別強烈；如果你看遠處的湖麵，你會發現水並不是透明的，但反射非常強烈。這就是“菲涅爾效應”。
光的折射：光由一種介質斜射入另一種介質或在同一種不均勻介質中傳播時,方向發生偏折的現象叫做光的折射。例如：池水變淺、鋼筆錯位、魚插以及鉛筆經過水麵而斷，等等。
光的折射定律：折射光線和入射光線分居法線兩側。折射光線、入射光線、法線在同一平麵內。（三線兩點一麵）當光線從空氣斜射入其它介質時，角的性質：折射角(密度大的一方)小於入射角（密度小的一方）；當光線從其他介質射入空氣時，折射角大於入射角。在相同的條件下，入射角越大（越小），折射角越大（越小）。
透鏡成像（圖500）
透鏡分凸透鏡和凹透鏡。凸透鏡成像規律就是：物體放在焦點之外，在凸透鏡另一側成倒立的實像，實像有縮小、等大、放大三種。物距越小，像距越大，實像越大。物體放在焦點之內，在凸透鏡同一側成正立放大的虛像。物距越大，像距越大，虛像越大。
平麵鏡、凸麵鏡和凹透鏡所成的三種虛像，都是正立的；而凹麵鏡和凸透鏡所成的實像，以及小孔成像中所成的實像，無一例外都是倒立的。當然，凹麵鏡和凸透鏡也可以成虛像，而它們所成的兩種虛像，同樣是正立的狀態。
那麼人類的眼睛所成的像，是實像還是虛像呢？我們知道，人眼的結構相當於一個凸透鏡，那麼外界物體在視網膜上所成的像，一定是實像。
凹透鏡對光線起發散作用, 它的成像規律則要複雜得多。近視眼鏡是凹透鏡。凹透鏡對光線起發散作用,成一個正立、縮小的虛像,像物同側，v 交流電和直流電
如果電壓的大小及方向都不隨時間變化，則稱之為穩恒電壓或恒定電壓，簡稱為直流電壓，用大寫字母U表示。如果電壓的大小及方向隨時間變化，則稱為變動電壓。對電路分析來說，一種最為重要的變動電壓是正弦交流電壓(簡稱交流電壓)，其大小及方向均隨時間按正弦規律作周期性變化。交流電壓的瞬時值要用小寫字母u或u(t)表示。在電路中提供電壓的裝置是電源。
測量直流電路中電流、電壓、電阻、電源電動勢等物理量的儀表稱為直流儀表。常用的有靈敏電流表（G表），電流表，伏特計，電橋，電勢差計等。直流電源有化學電池，燃料電池，溫差電池，太陽能電池，直流發電機等。直流電主要應用於各種電子儀器，電解，電鍍，直流電力拖動等方麵。利用直流電,還可以進行水的電解實驗。將負極插入水中，可以使水電解為氫氣，正極則使水電解為氧氣。
交流電也稱“交變電流”，簡稱“交流”。一般指大小和方向隨時間作周期性變化的電壓或電流。它的最基本的形式是正弦電流。
現在使用的交流電，一般頻率是50Hz 。我們常見的電燈、電動機等用的電都是交流電。
導體和絕緣體
導體是容易導電的物體，即是能夠讓電流通過材料；不容易導電的物體叫絕緣體。
導體依其導電性還能夠細分為超導體、導體、半導體、及絕緣體。我們通常把導電性和導電導熱性差或不好的材料，如金剛石、人工晶體、琥珀、陶瓷,橡膠等等，稱為絕緣體。而把導電、導熱都比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導體。
可以簡單的把介於導體和絕緣體之間的材料稱為半導體。與金屬和絕緣體相比，半導體材料的發現是最晚的，直到20世紀30年代，當材料的提純技術改進以後，半導體的存在才真正被學術界認可。
發電機和發動機
電能是現代社會最主要的能源之一。發電機是將其它形式的能源轉換成電能的機械設備，最早產生於第二次工業革命時期，由德國工程師西門子於1866年製成，它由水輪機、汽輪機、柴油機或其它動力機械驅動，將水流，氣流，燃料燃燒或原子核裂變產生的能量轉化為機械能傳給發電機，再由發電機轉換為電能。發電機在工農業生產，國防，科技及日常生活中有廣泛的用途。
有人把引擎稱為發動機，其實，發動機是一整套動力輸出設備，包括變速齒輪、引擎和傳動軸等等，可見引擎隻是整個發動機的一個部分，但卻是整個發動機的核心部分，因此把引擎稱為發動機也不為過。
回顧發動機產生和發展的曆史，它經曆了外燃機和內燃機兩個發展階段。
世界著名的物理學家及物理發現
牛頓與萬有引力定律、力學三大定律（圖501）
艾薩克·牛頓爵士，英國物理學家、數學家、科學家和哲學家，同時是英國當時煉金術熱衷者。他在1687年7月5日發表的《自然哲學的數學原理》裏提出的萬有引力定律以及他的牛頓運動定律是經典力學的基石。牛頓還和萊布尼茨各自獨立地發明了微積分。他總共留下了50多萬字的煉金術手稿和100多萬字的神學手稿。
牛頓把地球上物體的力學和天體力學統一到一個基本的力學體係中，創立了經典力學理論體係。正確地反映了宏觀物體低速運動的宏觀運動規律，實現了自然科學的第一次大統一。這是人類對自然界認識的一次飛躍。
萬有引力：
牛頓是萬有引力定律的發現者。他在1665－1666年開始考慮這個問題。萬有引力定律是艾薩克·牛頓在1687年於《自然哲學的數學原理》上發表的。1679年，R·胡克在寫給他的信中提出，引力應與距離平方成反比，地球高處拋體的軌道為橢圓，假設地球有縫，拋體將回到原處，而不是像牛頓所設想的軌道是趨向地心的螺旋線。牛頓沒有回信，但采用了胡克的見解。在開普勒行星運動定律以及其他人的研究成果上，他用數學方法導出了萬有引力定律。
牛頓力學三大定律：
牛頓第一定律：任何物體在不受外力或所受外力的合力為零時，保持原有的運動狀態不變，即原來靜止的繼續靜止，原來運動的繼續作勻速直線運動。
牛頓第二定律：任何物體在外力作用下，運動狀態發生改變，其動量隨時間的變化率與所受的合外力成正比。通常可表述為：物體的加速度與所受的合外力成正比，與物體的質量成反比，加速度的方向與合外力的方向一致。
牛頓第三定律：當物體甲給物體乙一個作用力時，物體乙必然同時給物體甲一個反作用力，作用力和反作用力大小相等，方向相反，而且在同一直線上。這三個非常簡單的物體運動定律，為力學奠定了堅實的基礎，並對其他學科的發展產生了巨大影響。
杠杆原理（圖502）
阿基米德在《論平麵圖形的平衡》一書中最早提出了杠杆原理。
“給我一個支點，我就能撬起地球！”，相傳這是古代發現杠杆原理的阿基米德說的話。
杠杆原理亦稱“杠杆平衡條件”。要使杠杆平衡，作用在杠杆上的兩個力（用力點、支點和阻力點）的大小跟它們的力臂成反比。動力×動力臂=阻力×阻力臂，用代數式表示為F1· L1=F2·L2。式中，F1表示動力，L1表示動力臂，F2表示阻力，L2表示阻力臂。從上式可看出，欲使杠杆達到平衡，動力臂是阻力臂的幾倍，動力就是阻力的幾分之一。
在我們的日常生活中，杠杆原理應用非常廣。譬如，你每天開車用的方向盤，就運用了杠杆原理。
愛因斯坦與相對論（圖503）
愛因斯坦，美籍德國猶太裔，理論物理學家，相對論的創立者，現代物理學奠基人。他提出相對論及質能方程、解釋光電效應、推動量子力學的發展。
十九世紀末期是物理學的大變革時期，愛因斯坦從實驗事實出發，重新考查了物理學的基本概念，在理論上作出了根本性的突破。他的一些成就大大推動了天文學的發展。
他的廣義相對論對天體物理學、特別是理論天體物理學有很大的影響。
愛因斯坦的狹義相對論成功地揭示了能量與質量之間的關係，堅守著“上帝擲骰子”的量子論詮釋（微粒子振動與平動的矢量和）的決定論陣地，解決了長期存在的恒星能源來源的難題。