重力方向與豎直向下的邏輯澄清

鄧先君

(湖北省孝感高級中學 湖北 孝感 432000)

人教版普通高中課程標準實驗教科書《物理·必修1》第二章“自由落體運動”一節中關于重力加速度方向，這樣表述：“重力加速度的方向豎直向下，它的大小可以通過多種方法實驗測定”．這里自然暗自強調了既有大小又有方向的重力加速度的方向性．雖然矢量的完整概念在這里還沒有提出，但是作為高中物理十分重要的知識能力要求，矢量的概念是亟需強化的．既然“它的大小可以通過多種方法實驗測定”那么它的方向就有必要交代清楚，而“豎直向下”這樣一個生活化的表述，明顯不夠嚴謹，如果問一句“豎直向下”如何呢？

接下來一節“伽利略對自由落體運動的研究”糾正了一個延綿幾千年的錯誤，顯示邏輯的力量，通過猜想與假說結合實驗驗證說明“自由落體是勻加速直線運動，所有物體下落的加速度都是一樣”這樣一個觀點，即“兩個鐵球同時落地”．同樣的疑問，自由落體的方向呢？這在伽利略時代該是有名的比薩斜塔實驗更難理解的，可是在當今時代，在當下學生的理解能力范疇里，卻不應回避．

在第三章相互作用的第1節“重力 基本相互作用”部分，重力的方向也不可避免的被提及，關于方向，“其中g就是前面學過的自由落體加速度．重力不僅有大小，而且有方向．平時所說的‘豎直向下的方向’，指的就是重力的方向．”同樣，問題是這個“平時所說的‘豎直向下的方向’”的司空見慣的概念又到底是怎么說的呢？

以上提及的三節內容，在教材設置上安排的很近，在第三章“矢量的運算法則”也必然提及．方向問題務必謹慎處理，不能在邏輯展現其魅力的時候造成邏輯困惑，在教學中有必要從邏輯層面上打破常規認知．

在生活中，常見的豎直方向校準用的是鉛垂線，在水平方向有水平校準儀．這些在建筑工程中經常用到，并不陌生，中學物理實驗里也有所涉及，原理上是利用重力作用．也常說豎直向下和水平面(海平面)方向，二者相互垂直，這個實驗很好驗證．我們問兩個問題：

(1)重力方向豎直向下，那么豎直向下是什么方向？

(2)如果豎直向下就是鉛垂線方向，或者說豎直向下是垂直于海平面方向，那么為什么會這樣，在理論上又如何解釋？

教學反饋是：學生要么不多做思考，思考后的理解是 “重力方向就是豎直向下，豎直向下就是重力方向”，陷在一個“雞和蛋”的矛盾里；教師教學中是模糊處理說“重力方向就是豎直向下”，會舉例說鉛垂線方向說垂直于海平面方向，多少有點兒顧左右而言其他．在教學深化以后甚至會強調“豎直向下”并不是指向地心，結合萬有引力地球自轉、地球形狀來討論．

教材上從重力的來源對重力界定：“由于地球的吸引而受到的力叫做重力”，并且下標注解“由于地球自轉影響，引力與重力并不相同”，引力指向地心，自轉向心力的存在導致重力方向和引力方向并不處處重合，排除了豎直向下是指向地心．由于自轉，地球自然不是正球體的，地理里會說海平面也不是平的，也不是球面的．這樣一看問題就更復雜了．

問題在哪里呢？其實這里主要是邏輯層次上的問題．“豎直向下”是一個融合了生活經驗的常識化的表述，“重力方向”是力學原理層面的科學概念，生活必然先入為主，具有現象描述和大眾屬性，科學體系必然歸于原理，科學原理和生活化表述之間的矛盾在于二者邏輯上的悖謬．首先，我們必須明確，是先有“重力方向”這樣的一個物理科學事實，然后才有豎直向下這樣的生活概念，所謂的“豎直向下”就是重力的方向；于是，對于重力的方向就不應該又回溯到所謂的豎直向下，而應該從重力的來源和性質層面分析，重力是萬有引力的一個分力，制約于另外一個按效果命名的“圓周運動向心力”，其方向是隨不同緯度的變化而變化的，重力方向就是重力方向！至于“豎直向下”還有海平面的概念，都是重力的作用效果，在邏輯上不能從效果定義本質！

邏輯上，是先有重力方向才有豎直向下的界定，重力方向是力學原理層面的概念，無需多做所謂“豎直向下”的解釋，豎直向下是重力作用的效果體現．從現象看本質而言，生活中有很多重力方向的體現，如豎直向下，如海平面，如此而已．教學中務須避免這種由于生活常識導致的循環定義給學生帶來困惑，給認知過程蒙上陰影．

基礎教育階段，物理知識常切合實際，常識給概念的理解帶來了好處，同時先入為主常識性觀念卻也不可避免地會給知識理解帶來一些邏輯上的困惑，在物理教學中應當留意說明，充分利用好這些看起來的盲點，展現物理知識解決實際問題的功用，幫助學生建立科學的知識結構體系，形成良好的認知習慣．畢竟，邏輯訓練是產生我們想要的結果的最好方法．