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多版本中学物理教材编入华中科技大学物理学院引力中心成果
发布时间:2019-09-12

2019年“两会”召开,全国人大代表、湖北黄冈中学校长何兰田等多名代表建议将我国科学家测量的万有引力常数G的最新成果写入中学教材。

201993日,教育部官网发布《对十三届全国人大二次会议第4156号建议的答复》,成文于2019819日。答复称,20181月教育部颁布了新修订的《普通高中物理课程标准(2017年版)》,在必修2中要求学生“通过史实,了解万有引力定律的发现过程。知道万有引力定律。认识发现万有引力定律的重要意义”。且表明,教育部已将“关于将我国科学家测出国际最精确万有引力常数G的成果编入中学物理教材的建议”转高中物理教材相关编写出版单位,请他们认真研究,并按照教材编审工作有关规定和程序完善教材内容。

20198月人民教育出版社印刷的《物理》必修2教材中,第六章《万有引力与航天》第3节《万有引力定律》中提到:“引力常数G的精确测量对于深入研究引力相互作用规律具有重要意义。自卡文迪许之后,其他科学家相继致力于这项工作。我国科学家在华中科技大学引力中心的山洞实验室里,历时30多年,于2018年得到了当时最精确的G。”

                                             

20198月人民教育出版社印刷的《物理》必修第二册教材中,第七章《万有引力与宇宙航行》第2节《万有引力定律》中提到:“引力常数G的精确测量对于深入研究引力相互作用规律具有重要意义。自卡文迪什之后,其他科学家相继致力于这项工作。我国华中科技大学引力中心团队在引力常量的测量中作出了突出贡献,于2018年得到了当时最精确的引力常量G的值。”

万有引力常数G是人类最早引入的基本物理学常数之一。早在1687年英国著名物理学家牛顿在《自然哲学的数学原理》中首次提出万有引力定律。但万有引力极其微弱,表征其强度的常数除了通过实验测量外,无法通过理论计算等其它方法给出。历史上第一个G值是从1798年卡文迪许的扭秤实验得到的,精度1%。此后的200多年里科学家们在这一领域付出了诸多努力,但G值的测量精度仍然是所有基本物理学常数中最差的。国际科技数据任务组(CODATA)最新公布的2014推荐值为G=6.67408(31)×10-11 m3kg-1s-2,相对精度仅为47 ppm1 ppm=百万分之一),而且其收录的14个测量结果中最小值和最大值偏差达到约550 ppm

1 利用扭秤实验测量G值的实验简图

以罗俊院士为首的华中科技大学引力中心研究团队,三十多年来一直在山洞实验室从事引力相关的基础物理科学前沿以及精密重力测量应用研究。通过每一个引力人十年如一日的坚持,引力常数的测量精度几乎每十年会有一次更新。如今,在又一个十年的沉淀之后,罗俊团队再次更新了G值,并于2018830日在《自然》杂志上刊发。为增加测量结果的可靠性,研究团队同时使用了扭秤周期法和扭秤角加速度法这两种独立的方法。两种方法测量结果的相对精度均优于12 ppm,是目前G值测量的最高精度,吻合程度达45 ppm,使我国在基础物理学领域有了更多的话语权,也为获得更高精度的引力常数G的推荐值做出了实质贡献。美国国家标准与技术研究院物理学家斯蒂芬·斯拉明格在《自然》杂志发表评论文章《引力以破纪录的精度被测量》,称这项工作是“精确测量领域卓越工艺的典范”。201812月,“万有引力常数G的精确测量”这一成果,被评选为2018年中国高校十大科技进展以及中国科学十大进展。


2 《自然》杂志刊发测G结果

之前,中学物理教材通常只提及到卡文迪许所测的第一个G值,然而对其实验方法的介绍基本是一片空白,且引用的数据过于陈旧,不能反映科学的发展与进步。通过在中学课本中增加对G值测量原理和研究过程的介绍,以及我国科学家最新研究成果,不仅可以增强学生对基础物理实验的兴趣,同时也让学生们体会到,通过我国科学家们甘坐冷板凳的不懈精神也能做出世界上最好的基础研究。

作为一个与理论物理、天体物理、地球物理、计量学等学科密切相关的基础物理学常数,万有引力常数G的精确测量对于检验牛顿万有引力定律和研究引力相互作用性质等基本问题都具有重要意义。另一方面,在测G过程中自主研发出的一批高端精密测量技术、方法和仪器在地球重力场的测量、资源勘探、基础物理科学实验中发挥着重要作用。“G值的测量并非一劳永逸,它需要有科学家持续为它‘保鲜’。”美国国家标准与技术研究所JILA实验室前主席、美国总统科技奖获得者詹姆斯·法拉教授说道。有鉴于此,我们更要继续沉下心来,为发展中国的科学事业贡献出自己的力量。


教育部链接:

http://www.moe.gov.cn/jyb_xxgk/xxgk_jyta/jyta_jiaocaiju/201909/t20190903_397204.html

搜狐网链接:

http://www.sohu.com/a/338570624_260616


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