王書香 郭金

摘? ?要：對比了不同版本教材關(guān)于重力方向的表述，并從科學(xué)性和操作性兩方面對“豎直向下”進(jìn)行了解讀和表述，這有助于引領(lǐng)初中物理教學(xué)更好地闡釋和解讀重力的方向問題。

關(guān)鍵詞：初中物理;重力方向;豎直向下;指向地心

中圖分類號：G633.7? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1009-010X（2020）11-0009-03

無論在高中還是初中，力學(xué)都是物理學(xué)中重要的基礎(chǔ)知識。初高中物理學(xué)科體系的關(guān)聯(lián)性和知識螺旋上升的特點(diǎn)，以及學(xué)生在初中階段對物理的興趣和學(xué)習(xí)習(xí)慣，還有對知識的學(xué)習(xí)程度，這些都會直接影響到學(xué)生在高中階段進(jìn)一步學(xué)習(xí)物理。

重力是與人類生活密切相關(guān)，學(xué)生在實(shí)際生活中經(jīng)常接觸，比較熟悉的一種力。因此在進(jìn)行“重力”的教學(xué)時(shí)，要注重聯(lián)系實(shí)際，以此培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

但無論是現(xiàn)行的初中物理教材，還是日常的初中物理課堂教學(xué)實(shí)踐，總感覺其對重力方向的說明和解釋很難盡如人意，即沒有那么嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范地表述出重力方向的準(zhǔn)確內(nèi)涵。基于此，本文針對重力方向的表述和解讀，談一些筆者自己的看法和建議。

筆者翻閱了現(xiàn)行不同版本的初中物理教材后發(fā)現(xiàn)，這些教材都是依據(jù)教育部《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》編寫的，即現(xiàn)行的教材大都把力學(xué)中重力的學(xué)習(xí)放在八年級下學(xué)期（只有滬科版將重力放在八年級上學(xué)期）。關(guān)于重力的方向，下面是不同版本教材的表述：

人教版：“用細(xì)線把物體懸掛起來，線的方向跟物體所受重力的方向一致，這個(gè)方向就是我們常說的‘豎直向下方向。”

教科版：“用一根線把物體懸掛起來，當(dāng)物體靜止時(shí)，重力的方向跟線的方向一致。由此可以看出，重力的方向總是豎直向下的?！?/p>

北師大版：“由于地球的吸引而使地面附近的物體受到的力，叫做重力。重力的方向總是豎直向下的?！薄爸亓Φ姆较蚴俏矬w自由下落時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向，也是用輕軟線懸掛物體靜止時(shí)懸線下垂的方向?！?/p>

蘇科版：“由實(shí)驗(yàn)和分析可知：重力的方向是豎直向下的?！?/p>

滬科版：“在重力的作用下，任何物體從空中由靜止下落的方向都是豎直向下的，而且下落的速度越來越大，這表明重力的方向總是豎直向下的?！?/p>

滬科粵教版：“物體由靜止開始自由下落的方向，或者是將物體懸掛起來靜止時(shí)懸線的方向，就是重力的方向。重力的方向總是豎直向下的，即垂直于水平面。”

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》2.2.3條目中對“力”的要求是：“通過常見事例或?qū)嶒?yàn)，了解重力?！彼邪姹镜慕滩膶σI(lǐng)學(xué)生認(rèn)識重力及其方向的內(nèi)容，都和課程標(biāo)準(zhǔn)的要求是一致的，且都通過學(xué)生熟悉的生活實(shí)例，比如空中的物體從靜止開始自由下落，或者是用懸線將物體懸掛起來靜止等等，引入對重力及其方向的認(rèn)識。而且所有教材對重力方向的表述也是基本相同的——重力的方向總是豎直向下。

在此需要注意的是，在所有版本的教材中，都沒有明確指出“豎直向下”就是“指向地心”！

對究竟什么是“豎直向下”，有三個(gè)版本的教材利用不同的方式給出了簡要說明：

①在滬科粵教版教材中，對此做了進(jìn)一步說明：“重力方向總是豎直向下的，即垂直于水平面?！?/p>

②在蘇科版教材中，利用旁批“信息快遞”對此做了說明：“豎直方向就是與水平面垂直的方向?！?/p>

③人教版教材在之后的“想想議議”中，提出了這樣一個(gè)問題：“我們站在地面上，腳朝下，站得很穩(wěn)。但地球是球形的，在我們腳“下”的南美洲居民，好像是腳朝“上”的（如圖1所示），他們?yōu)槭裁匆舱镜煤芊€(wěn)呢？想想看，通常所說的“下”，到底指的是什么方向？”

人教版在初中物理教材教師用書中對“想想議議”的解讀是這樣的：

通過討論“想想議議”中的問題，使學(xué)生明確：可以認(rèn)為地球是一個(gè)質(zhì)地均勻的球體，重力的方向是指向地心的。通常把指向地心的方向叫做向下，背離地心的方向叫做向上。

從人教版教材“想想議議”設(shè)置的問題和教師用書中的解釋可以看出，編者的意圖很明顯就是將“豎直向下”解釋為“指向地心的方向”。這種處理便于初中生粗淺認(rèn)知和大致理解重力的方向，符合科學(xué)認(rèn)知的階段性規(guī)律。

基于人教版教材中的“想想議議”及其教師用書中的解讀，不少教師在實(shí)際教學(xué)中就明確甚至反復(fù)強(qiáng)調(diào)：“豎直向下”就是“指向地心的方向”。但很明顯，這樣的表述或者說解釋是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，甚至可以說是錯(cuò)誤的。

在高中一年級下學(xué)期，我們學(xué)習(xí)了萬有引力以后就會知道：由于地球自轉(zhuǎn)，地球表面的物體需要一定的向心力（如圖2所示）。其所需的向心力是由萬有引力的一個(gè)分力提供的（占比很?。?，萬有引力的另一個(gè)分力（占比很大）等于對水平支持面的壓力或者等于對懸掛物（比如彈簧測力計(jì)）的拉力，由此可知重力只是萬有引力的一個(gè)分力。假如把地球看成是質(zhì)量分布均勻或者看成是中心對稱分布的規(guī)則球體，那么重力就是指向地球中心的。但很顯然，源于萬有引力分力的重力，一般情況下是不指向地心的，只有在地球南北兩個(gè)極點(diǎn)或赤道上，重力方向才是指向地心的。

盡管物體在赤道上時(shí)的重力方向指向地心，與萬有引力的方向相同，但其重力大小與萬有引力大小卻不相等，而且比物體在地球表面的其他位置時(shí)差異更大。這是因?yàn)槲矬w在赤道上時(shí)隨地球自轉(zhuǎn)的線速度比物體在地球表面的其他位置時(shí)更大，所以所需的向心力更大。正是由于這個(gè)原因，一般教材對重力定義的表述是：“由于地球的吸引而使地面附近的物體受到的力，叫做重力”，而不能說“地球?qū)ξ矬w的吸引力叫重力”或者“重力就是萬有引力”等。

綜上所述，把重力方向“豎直向下”解釋為“指向地心”是不妥的。如果教材編者或者授課教師明知是錯(cuò)誤的，卻以認(rèn)知階段論或者真理相對性來搪塞，筆者覺得不是科學(xué)的做法。

人類對客觀規(guī)律的認(rèn)識是有階段性和局限性的，真理也只在一定范圍內(nèi)才是真理。就像哥白尼提出的日心說，這在當(dāng)時(shí)有很大的進(jìn)步意義，可以說是近代科學(xué)革命的起點(diǎn)。但日心說認(rèn)為太陽是宇宙的中心，這個(gè)觀點(diǎn)在今天顯然就具有歷史的局限性。因?yàn)檎麄€(gè)太陽系也在繞著餅狀的銀河系的中心公轉(zhuǎn)，而且銀河系之外還有更廣袤的河外星系，所以脫離了太陽系，放到更廣泛的空間范圍內(nèi)，日心說就成為了謬誤。

所以比較穩(wěn)妥的方法是在初中階段認(rèn)識重力時(shí)，對重力方向“豎直向下”的含義有一個(gè)盡量明晰而準(zhǔn)確的界定和表述。

筆者認(rèn)為滬科粵教版和蘇科版教材對重力方向的說明是比較科學(xué)的：“豎直向下”就是“垂直于水平面向下。” 學(xué)生對這樣的表述是容易理解和把握的，而且“垂直于水平面”的標(biāo)準(zhǔn)很明確，辨別和判斷時(shí)的操作也很具體，這有利于學(xué)生對重力方向的準(zhǔn)確認(rèn)知和理解，也有利于學(xué)生對重力方向相關(guān)問題的處理和解決。

在各種版本的教材中，對重力方向“豎直向下”的表述主要通過以下兩個(gè)實(shí)例進(jìn)行說明：一個(gè)是空中的物體由靜止開始自由下落時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向就是豎直向下;另一個(gè)是用細(xì)線把物體懸掛起來，當(dāng)物體靜止時(shí)，線的方向就是豎直方向。也就是說，所有教材已經(jīng)通過實(shí)例準(zhǔn)確給出了“豎直向下”的含義。

基于以上分析，筆者建議在初中物理實(shí)際教學(xué)中，教師要明確“豎直向下”的含義就是“垂直于水平面向下。”并在此基礎(chǔ)上，對什么是“上”，什么是“下”也給出明確的定義和判定標(biāo)準(zhǔn)：

與重力方向一致叫“下”， 與重力方向相反叫“上”（這與現(xiàn)行教材描述的自由落體方向或懸掛靜物的方向是一致的）。

垂直于水平面向下，叫“下”;垂直于水平面向上，叫“上”（這與現(xiàn)行的滬科粵教版和蘇科版教材的處理基本一致）。

與重垂線方向一致，叫“下”;與重垂線方向相反，叫“上”（與實(shí)際應(yīng)用關(guān)聯(lián)，便于判斷）。

或者將“豎直向下”粗略解釋為“大致指向地心”或者“指向地心附近”等等（為將來高一階段的學(xué)習(xí)做鋪墊）。

這樣既可以方便教學(xué)，保證知識的科學(xué)性和連貫性，避免給學(xué)生的認(rèn)知帶來混亂，又可以比較方便地解釋人教版教材中“想想議議”提出的問題，同時(shí)這也有助于有關(guān)重力方向問題的判斷和解決。

例如：“假如沿著重垂線方向向下鉆探，能到達(dá)地心嗎？”遇到類似的問題，教師可以引領(lǐng)學(xué)生從萬有引力和地球自轉(zhuǎn)的角度做一些簡單分析?；蛘呙鞔_告知學(xué)生受所學(xué)知識的限制，暫時(shí)還不能解決這些問題，等到了高一年級學(xué)了萬有引力后就可以了。這樣給學(xué)生留有懸念，可順勢為學(xué)生將來的學(xué)習(xí)做鋪墊，進(jìn)而可在一定程度上激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣和欲望，讓學(xué)生對未來充滿期待。