重力方向与竖直向下的逻辑澄清

邓先君

(湖北省孝感高级中学 湖北 孝感 432000)

人教版普通高中课程标准实验教科书《物理·必修1》第二章“自由落体运动”一节中关于重力加速度方向，这样表述：“重力加速度的方向竖直向下，它的大小可以通过多种方法实验测定”．这里自然暗自强调了既有大小又有方向的重力加速度的方向性．虽然矢量的完整概念在这里还没有提出，但是作为高中物理十分重要的知识能力要求，矢量的概念是亟需强化的．既然“它的大小可以通过多种方法实验测定”那么它的方向就有必要交代清楚，而“竖直向下”这样一个生活化的表述，明显不够严谨，如果问一句“竖直向下”如何呢？

接下来一节“伽利略对自由落体运动的研究”纠正了一个延绵几千年的错误，显示逻辑的力量，通过猜想与假说结合实验验证说明“自由落体是匀加速直线运动，所有物体下落的加速度都是一样”这样一个观点，即“两个铁球同时落地”．同样的疑问，自由落体的方向呢？这在伽利略时代该是有名的比萨斜塔实验更难理解的，可是在当今时代，在当下学生的理解能力范畴里，却不应回避．

在第三章相互作用的第1节“重力 基本相互作用”部分，重力的方向也不可避免的被提及，关于方向，“其中g就是前面学过的自由落体加速度．重力不仅有大小，而且有方向．平时所说的‘竖直向下的方向’，指的就是重力的方向．”同样，问题是这个“平时所说的‘竖直向下的方向’”的司空见惯的概念又到底是怎么说的呢？

以上提及的三节内容，在教材设置上安排的很近，在第三章“矢量的运算法则”也必然提及．方向问题务必谨慎处理，不能在逻辑展现其魅力的时候造成逻辑困惑，在教学中有必要从逻辑层面上打破常规认知．

在生活中，常见的竖直方向校准用的是铅垂线，在水平方向有水平校准仪．这些在建筑工程中经常用到，并不陌生，中学物理实验里也有所涉及，原理上是利用重力作用．也常说竖直向下和水平面(海平面)方向，二者相互垂直，这个实验很好验证．我们问两个问题：

(1)重力方向竖直向下，那么竖直向下是什么方向？

(2)如果竖直向下就是铅垂线方向，或者说竖直向下是垂直于海平面方向，那么为什么会这样，在理论上又如何解释？

教学反馈是：学生要么不多做思考，思考后的理解是 “重力方向就是竖直向下，竖直向下就是重力方向”，陷在一个“鸡和蛋”的矛盾里；教师教学中是模糊处理说“重力方向就是竖直向下”，会举例说铅垂线方向说垂直于海平面方向，多少有点儿顾左右而言其他．在教学深化以后甚至会强调“竖直向下”并不是指向地心，结合万有引力地球自转、地球形状来讨论．

教材上从重力的来源对重力界定：“由于地球的吸引而受到的力叫做重力”，并且下标注解“由于地球自转影响，引力与重力并不相同”，引力指向地心，自转向心力的存在导致重力方向和引力方向并不处处重合，排除了竖直向下是指向地心．由于自转，地球自然不是正球体的，地理里会说海平面也不是平的，也不是球面的．这样一看问题就更复杂了．

问题在哪里呢？其实这里主要是逻辑层次上的问题．“竖直向下”是一个融合了生活经验的常识化的表述，“重力方向”是力学原理层面的科学概念，生活必然先入为主，具有现象描述和大众属性，科学体系必然归于原理，科学原理和生活化表述之间的矛盾在于二者逻辑上的悖谬．首先，我们必须明确，是先有“重力方向”这样的一个物理科学事实，然后才有竖直向下这样的生活概念，所谓的“竖直向下”就是重力的方向；于是，对于重力的方向就不应该又回溯到所谓的竖直向下，而应该从重力的来源和性质层面分析，重力是万有引力的一个分力，制约于另外一个按效果命名的“圆周运动向心力”，其方向是随不同纬度的变化而变化的，重力方向就是重力方向！至于“竖直向下”还有海平面的概念，都是重力的作用效果，在逻辑上不能从效果定义本质！

逻辑上，是先有重力方向才有竖直向下的界定，重力方向是力学原理层面的概念，无需多做所谓“竖直向下”的解释，竖直向下是重力作用的效果体现．从现象看本质而言，生活中有很多重力方向的体现，如竖直向下，如海平面，如此而已．教学中务须避免这种由于生活常识导致的循环定义给学生带来困惑，给认知过程蒙上阴影．

基础教育阶段，物理知识常切合实际，常识给概念的理解带来了好处，同时先入为主常识性观念却也不可避免地会给知识理解带来一些逻辑上的困惑，在物理教学中应当留意说明，充分利用好这些看起来的盲点，展现物理知识解决实际问题的功用，帮助学生建立科学的知识结构体系，形成良好的认知习惯．毕竟，逻辑训练是产生我们想要的结果的最好方法．