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作者按

这个系列是写给自己也是写给女儿的科普文。前面我们搞清楚了质量,接下来我们看看测量质量的仪器与原理。

天平与曹冲称象

“原来体重秤称的是重力,然后再变换成质量的啊,那有没有能够直接称量质量的秤呢?”想想问到。

“当然有啦,想想你瞧,这个是什么?”克拉拉小姐拿出一个精致的天平和一套砝码。

天平与砝码

“这两个托盘是干什么的呢?还有这许多金属块是干什么用的呢?”

“这个仪器叫做天平,其实天平就是直接测量质量的仪器,在天平两端的托盘上,一边放上需要测量的物体,一边放上等质量的若干砝码,当天平平衡时,我们可以通过计算这些砝码的质量和,就可以直接得到被测物体的质量了。想想,你瞧,这些砝码上都刻有质量大小,把这些数相加就可以了。”

天平测量


“原来这么简单啊!”想想开心的说到。

“是啊,看起来这个方法很简单,但其实前人总结出这种方法也不容易呢,想想我给你讲两个有趣的小故事吧!”

“好啊,好啊,我最爱听故事了!”

在华夏国的古时候,吴国的孙权送给魏国的曹操一只大象。曹操十分高兴,问他的下属们有没有办法将这只大象的体重称出来?有的臣子说,造一杆巨大的秤来称,有的说只有把它宰了切成块儿才行,大臣们的主意都不能让曹操满意。

曹冲称象

这时,曹操的小儿子曹冲走出来说:把象牵到船上,把船推进水里,等船身稳定了,在船舷上齐水面的地方刻一道标记,再把象牵到岸上往船上装石头,使船身慢慢下沉到和刚才刻的那道标记一样的位置。称出这些石头的总重量,得出的数就是大象的体重。这么一来,问题就解决了。

“曹冲称象”在华夏是妇孺皆知的故事,后世的人们认为“曹冲称象”所用到的原理是著名的“阿基米德定律”,即浸在液体中的物体受到向上的浮力,浮力的大小等于该物体排开的液体所受的重力。

阿基米德原理

这条定律是古希腊的哲学家阿基米德发现的,因此用他的名字命名。可是啊,阿基米德发现这一定律的时候是公元前250年左右,直到1627年阿基米德定律才传入华夏。也就是说,公元200年时的曹冲根本不可能知道这个定律。实际上,聪明的曹冲所用的方法是等量替换法,即用“许多石头”替代“一个大象”,在船舷上刻划记号是让大象与石头产生等量的效果。再称出一个个石头的重量,使大转化为小,分而治之,这一难题就得到圆满的解决了。

大象=石头

等量替换法是一种常用到的科学思维方法,这里再讲一个漂亮国大发明家爱迪生的小故事。爱迪生有一位数学基础相当好的助手,叫阿普顿。有一次,爱迪生把一只电灯泡的玻璃壳交给阿普顿,要他计算一下灯泡的容积。阿普顿看着梨子形状的灯泡壳,思索了好久之后,尝试通过画图、列算式等各种方法,经过几个小时的紧张计算,还是没得出结果,爱迪生看后很不满意。只见爱迪生在灯泡壳里装满水,再把水倒进量杯,不到一分钟就把灯泡的容积算出来了。这里,爱迪生用倒入量杯里的水的体积替代了灯泡壳的容积,用的也是等量替换法。

爱迪生的电灯

“曹冲和爱迪生真聪明!”想想赞叹到。

“是的,如今人们测量质量的仪器大多采用的正是这种“等量替代”的方法,通过平衡的关系,用‘已知’去替代‘未知’,用‘小’去替代‘大’,才能解决许许多多的实际问题,进行准确的质量测量。”克拉拉小姐继续说道,“除了天平,人们还发明了台秤、电子天平、地上衡、轨道衡、皮带秤等等,因为这些仪器都是利用平衡原理测定物体质量的仪器,所以人们把这类仪器统称为‘衡器’。”

各种衡器&砝码

“哇,厄斯星的人类真是太聪明了,人人都是曹冲和爱迪生啊!”想想不禁赞叹到。“克拉拉姐姐,我知道了什么是质量,也知道了测量质量的工具,但还有一个问题没有解决啊,就是为什么我的质量是30kg,这个千克(kg)的大小是怎么来的呢?”

“这个可就说来话长了……”克拉拉小姐回答道。(未完待续)

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