Masę i wagę łatwo pomylić. Różnica jest czymś więcej niż czymś, co dręczy uczniów odrabiających pracę domową – jest na czele nauki. Możesz pomóc dzieciom w zrozumieniu tego, analizując jednostki i omawiając grawitację, skąd bierze się masa i jak działa masa i waga w różnych sytuacjach.
Masa a waga
Ważną różnicą między masą a wagą jest to, że ciężar jest siłą, podczas gdy masa nie. Prosta definicja wagi dla dzieci brzmi: waga odnosi się do siły, jaką grawitacja działa na przedmiot. Prosta definicja masy dla dzieci brzmi: masa odzwierciedla ilość materii (tj. elektronów, protonów i neutronów), jaką zawiera obiekt. Możemy umieścić wagę na księżycu i zważyć tam przedmiot. Waga będzie inna, ponieważ siła grawitacji jest inna. Ale masa będzie taka sama.
Niektóre masowe przykłady dla dzieci mogą zawierać różne ilości gliny; w miarę usuwania kawałków gliny masa przedmiotu maleje. Masę można dodać do kolejnej kulki gliny, zwiększając jej masę.
W Stanach Zjednoczonych wagi domowe i handlowe mierzą wagę w funtach, miarę siły, podczas gdy w prawie w każdym innym kraju na świecie wagi mierzone są w jednostkach metrycznych, takich jak gramy lub kilogramy (1000 gramy). Nawet jeśli można powiedzieć, że coś „waży” 10 kilogramów, tak naprawdę mówimy o jego masie, a nie wadze. W nauce wagę mierzy się w Newtonach, jednostce siły, ale nie jest to używane w życiu codziennym.
Waga: siła z powodu grawitacji
Waga to siła, z jaką grawitacja działa na obiekt. Aby przeliczyć masę na wagę, użyj wartości przyspieszenia grawitacyjnego g = 9,81 metra na sekundę do kwadratu. Aby obliczyć wagę W w Newtonach, mnożymy masę m w kilogramach razy g: W = mg. Aby uzyskać masę z masy, dzielimy masę przez g: m = W/g. Skala metryczna wykorzystuje to równanie do określenia masy, chociaż wewnętrzne działanie skali reaguje na siłę.
W przypadku dzieci warto porozmawiać o wadze na innej planecie, księżycu lub asteroidzie. Wartość g jest inna, ale zasada jest taka sama. Jednak wzory mają zastosowanie tylko w pobliżu powierzchni, gdzie przyspieszenie grawitacyjne niewiele się zmienia wraz z położeniem. Daleko od powierzchni musisz użyć wzoru Newtona na siłę grawitacji między dwoma odległymi obiektami. Jednak nie nazywamy tej siły ciężarem.
Prawa dynamiki Newtona
Pierwsza zasada ruchu Newtona mówi, że obiekty w spoczynku mają tendencję do pozostawania w spoczynku, podczas gdy obiekty w ruchu mają tendencję do pozostawania w ruchu. Drugie prawo Newtona mówi, że przyspieszenie a obiektu jest równe działającej na niego sile wypadkowej F podzielonej przez jego masę: a = F/m. Przyspieszenie to zmiana w ruchu, więc aby zmienić stan ruchu obiektu, należy zastosować siłę. Bezwładność lub masa obiektu opiera się zmianie.
Ponieważ przyspieszenie jest właściwością ruchu, a nie materii, możesz je mierzyć bez martwienia się o siłę lub masę. Załóżmy, że przykładasz do obiektu znaną siłę mechaniczną, mierzysz jego przyspieszenie i na tej podstawie obliczasz jego masę. To jest masa bezwładna obiektu. Następnie aranżujesz sytuację, w której jedyną siłą działającą na obiekt jest grawitacja i ponownie mierzysz jego przyspieszenie i obliczasz jego masę. Nazywa się to masą grawitacyjną obiektu.
Fizycy od dawna zastanawiali się, czy masa grawitacyjna i bezwładna są rzeczywiście identyczne. Pomysł, że są one identyczne, nazywa się zasadą równoważności i ma ważne konsekwencje dla praw fizyki. Przez setki lat fizycy przeprowadzali czułe eksperymenty, aby przetestować zasadę równoważności. W 2008 roku najlepsze eksperymenty potwierdziły to w jednej części na 10 bilionów.