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多版本中學物理教材編入華中科技大學物理學院引力中心成果
發布時間:2019-09-12

2019年“兩會”召開,全國人大代表、湖北黃岡中學校長何蘭田等多名代表建議將我國科學家測量的萬有引力常數G的最新成果寫入中學教材。

201993日,教育部官網發布《對十三屆全國人大二次會議第4156號建議的答複》,成文于2019819日。答複稱,20181月教育部頒布了新修訂的《普通高中物理課程標准(2017年版)》,在必修2中要求學生“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萬有引力常數G的成果編入中學物理教材的建議”轉高中物理教材相關編寫出版單位,請他們認真研究,並按照教材編審工作有關規定和程序完善教材內容。

20198月人民教育出版社印刷的《物理》必修2教材中,第六章《萬有引力與航天》第3節《萬有引力定律》中提到:“引力常數G的精確測量對于深入研究引力相互作用規律具有重要意義。自卡文迪許之後,其他科學家相繼致力于這項工作。我國科學家在華中科技大學引力中心的山洞實驗室裏,曆時30多年,于2018年得到了當時最精確的G。”

                                             

20198月人民教育出版社印刷的《物理》必修第二冊教材中,第七章《萬有引力與宇宙航行》第2節《萬有引力定律》中提到:“引力常數G的精確測量對于深入研究引力相互作用規律具有重要意義。自卡文迪什之後,其他科學家相繼致力于這項工作。我國華中科技大學引力中心團隊在引力常量的測量中作出了突出貢獻,于2018年得到了當時最精確的引力常量G的值。”

萬有引力常數G是人類最早引入的基本物理學常數之一。早在1687年英國著名物理學家牛頓在《自然哲學的數學原理》中首次提出萬有引力定律。但萬有引力極其微弱,表征其強度的常數除了通過實驗測量外,無法通過理論計算等其它方法給出。曆史上第一個G值是從1798年卡文迪許的扭秤實驗得到的,精度1%。此後的200多年裏科學家們在這一領域付出了諸多努力,但G值的測量精度仍然是所有基本物理學常數中最差的。國際科技數據任務組(CODATA)最新公布的2014推薦值爲G=6.67408(31)×10-11 m3kg-1s-2,相對精度僅爲47 ppm1 ppm=百萬分之一),而且其收錄的14個測量結果中最小值和最大值偏差達到約550 ppm

1 利用扭秤實驗測量G值的实验简圖

以羅俊院士爲首的華中科技大學引力中心研究團隊,三十多年來一直在山洞實驗室從事引力相關的基礎物理科學前沿以及精密重力測量應用研究。通過每一個引力人十年如一日的堅持,引力常數的測量精度幾乎每十年會有一次更新。如今,在又一個十年的沈澱之後,羅俊團隊再次更新了G值,並于2018830日在《自然》雜志上刊發。爲增加測量結果的可靠性,研究團隊同時使用了扭秤周期法和扭秤角加速度法這兩種獨立的方法。兩種方法測量結果的相對精度均優于12 ppm,是目前G值測量的最高精度,吻合程度達45 ppm,使我國在基礎物理學領域有了更多的話語權,也爲獲得更高精度的引力常數G的推薦值做出了實質貢獻。美國國家標准與技術研究院物理學家斯蒂芬·斯拉明格在《自然》雜志發表評論文章《引力以破紀錄的精度被測量》,稱這項工作是“精確測量領域卓越工藝的典範”。201812月,“萬有引力常數G的精確測量”這一成果,被評選爲2018年中國高校十大科技進展以及中國科學十大進展。


2 《自然》雜志刊發測G結果

之前,中學物理教材通常只提及到卡文迪許所測的第一個G值,然而對其實驗方法的介紹基本是一片空白,且引用的數據過于陳舊,不能反映科學的發展與進步。通過在中學課本中增加對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,不仅可以增强學生对基础物理实验的兴趣,同时也让學生们体会到,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,萬有引力常數G的精確測量對于檢驗牛頓萬有引力定律和研究引力相互作用性質等基本問題都具有重要意義。另一方面,在測G過程中自主研發出的一批高端精密測量技術、方法和儀器在地球重力場的測量、資源勘探、基礎物理科學實驗中發揮著重要作用。“G值的測量並非一勞永逸,它需要有科學家持續爲它‘保鮮’。”美國國家標准與技術研究所JILA實驗室前主席、美國總統科技獎獲得者詹姆斯·法拉教授說道。有鑒于此,我們更要繼續沈下心來,爲發展中國的科學事業貢獻出自己的力量。


教育部鏈接:

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

搜狐網鏈接:

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


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