展現(xiàn)不同學(xué)科思維方式的"混戰(zhàn)"——中學(xué)地理、物理關(guān)于地震傳波播問題　　　　　　　　的探討

林 曦（浙江省象山中學(xué)， 浙江 寧波 315700）

展現(xiàn)不同學(xué)科思維方式的"混戰(zhàn)"——中學(xué)地理、物理關(guān)于地震傳波播問題的探討

林 曦
（浙江省象山中學(xué)， 浙江 寧波 315700）

摘要：因地理與物理的學(xué)科思維存在差異，中學(xué)地理教師與物理教師以此為起點(diǎn)，交流探討了地震波的傳播問題，提出并逐步完善了地震波傳播原理的猜想模型。

關(guān)鍵詞：地震波；傳播原理；學(xué)科思維

在經(jīng)歷湘教版《地理必修Ⅰ》與人教版《物理選修3-4》的學(xué)習(xí)后，細(xì)心的同學(xué)可能會(huì)萌生疑問。在地震波傳播方向的教學(xué)中，很多地理教師都會(huì)舉一個(gè)十分典型的案例，地震來臨后，由于橫波與縱波在同一介質(zhì)中存在速度差，以及其各自獨(dú)特的傳播方式，造成的情況是，建筑物首先發(fā)生了上下震動(dòng)，然后發(fā)生左右晃動(dòng)。而在物理教師看來，這種情況或許是不全面的。例如：在一次地震中，某地觀測站記錄了縱波和橫波到達(dá)該地的時(shí)間差為5.4s，縱波和橫波在該介質(zhì)傳播速度分別為9.1km/s、3.7km/s。問觀察站所觀察到的是先左右震動(dòng)還是上下震動(dòng)？答：先傳到的是縱波，所以左右晃動(dòng)。本題的解答遭到了地理教師們的否定卻得到了物理教師們的肯定。這也就意味著中學(xué)地理、物理在“地震波傳播”的問題上存在著不同的觀念，而再追究這些觀念產(chǎn)生的原因，一是兩種學(xué)科不同的考慮態(tài)度與教學(xué)重點(diǎn)，二是中學(xué)地理與物理在教學(xué)上存在斷層。而接受了兩種學(xué)科教育的學(xué)生，在面對(duì)地震波傳播的問題上便很難做出準(zhǔn)確的判斷，這也造成了學(xué)生在考試解題中不同學(xué)科教學(xué)解題思維切換上的困難?？陀^事實(shí)是唯一的，不同學(xué)科思維存在相關(guān)性而非獨(dú)立存在，對(duì)該類問題可以分別從物理、地理兩方面進(jìn)行剖析。

物理教師提出了兩個(gè)概念，一為近震區(qū)，一為遠(yuǎn)震區(qū)。關(guān)于近震區(qū)，雙方達(dá)成一致意見，模型見圖1。

由圖1可見：由于建筑物大致位于震源上方，縱波與橫波傳播速度不同，且縱波速度大于橫波速度，縱波傳播方向與振動(dòng)方向一致，縱波到達(dá)后引起建筑物上下震動(dòng)，橫波傳播方向與振動(dòng)方向垂直，橫波到達(dá)后引起左右晃動(dòng)，所以造成建筑物先上下震動(dòng)再左右晃動(dòng)。

圖1　近震區(qū)地震波傳播原理示意圖

而在遠(yuǎn)震區(qū)問題的探討上，雙方大多存在對(duì)彼此觀點(diǎn)的質(zhì)疑。筆者再現(xiàn)物理教師與地理教師的討論過程，以此來展示不同種學(xué)科之間不同的思維方式：

首先，物理教師給出如圖2所示的猜想模型。

圖2　遠(yuǎn)震區(qū)地震波傳播原理示意圖·物理組猜想1

物理組教師認(rèn)為，地震發(fā)生后，地震波沿著水平方向傳播，在到達(dá)觀測站正下方后，由于縱波波速大，先到達(dá)，到達(dá)后引起觀測站下方土地介質(zhì)發(fā)生左右剪

切，于是上方的觀測站就能感受到下方的震動(dòng)。這就好比地基中的泥土突然鏤空，觀測站會(huì)馬上發(fā)生震動(dòng)。

地理組隨即反駁，地震波為球面波，由波面到達(dá)觀測站，水平傳播是不合理的。而且，地殼巖層比較堅(jiān)固，觀測站不會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)，即便是真的出現(xiàn)了，也一定是以波的形式傳遞造成的。

遭到地理組教師的否定后，物理組教師經(jīng)過討論，提出了比較理想的模型（如圖3）。

圖3　遠(yuǎn)震區(qū)地震波傳播原理示意圖·物理組猜想2

如上模型中，由于震源發(fā)出的地震波是球面波，所以最直接的傳播途徑是震源與觀測站的連線，與水平線夾角為θ。由于發(fā)生地震大多為淺源地震，豎直距離遠(yuǎn)小于水平距離，圖中的θ很小以至于趨近于零。做了以上的近似處理后，由于先到達(dá)的縱波傳播方向與振動(dòng)方向相同，所以觀測站先引起水平震動(dòng)。

盡管物理組與地理組在這一看法上達(dá)成了一致，然筆者發(fā)現(xiàn)，仍存在某些問題。物理組給出的模型中，是基于θ接近于零而做的近似處理。若存在的θ不為零，那么是不是意味著地震不只是有上下震動(dòng)和左右震動(dòng)的兩種形式狀態(tài)？在近震區(qū)中，用微元思想可以把地球表面看做是水平的，而在長路程的傳播下，還能將地球表面看成一個(gè)平面么？

帶著這些問題，筆者梳理了相關(guān)的專業(yè)知識(shí)。經(jīng)過整理，筆者發(fā)現(xiàn)，地震波是一種常見的機(jī)械波。根據(jù)惠更斯原理（人教版《物理選修3-4》有過簡單介紹），便讓筆者猜想是否是地球內(nèi)部并不均勻的介質(zhì)所引起的地震波傳播的折射。根據(jù)費(fèi)馬原理，兩點(diǎn)之間地震能量傳播的路徑是最小時(shí)間的射線路徑，在多層介質(zhì)中，它通常是折線或曲線，而不是最短直線。根據(jù)這一類的解釋原理需求，筆者找到了相應(yīng)的圖“地震波傳播速度和距離地表深度的關(guān)系”（圖4）。

圖4　地震波傳播速度和距離地表深度的關(guān)系來源：湘教版 地理必修Ⅰ

從圖4中不難得出以下兩點(diǎn)：①在地殼與古登堡面之間，縱波速度大于橫波速度，且在距地表深度越深的地方，縱波與橫波的速度都越快；②在古登堡面以下，橫波的速度突然為零，也就意味著橫波無法在古登堡面以下的部位傳播。根據(jù)荷蘭數(shù)學(xué)家斯涅耳總結(jié)的光的折射定律（人教版《物理選修3-4》有過介紹，又因?yàn)檫@個(gè)定律是根據(jù)光的波動(dòng)概念導(dǎo)出的，所以同樣適用于地震波的傳播過程）做出猜想，假定由淺源地震震源發(fā)出的其中某一條能最終且最先到達(dá)觀測站的射線為入射光線，地球內(nèi)部是不均勻的介質(zhì)，便將其看做是無數(shù)層不同折射率的介質(zhì)的組合體，那么由折射定律不難發(fā)現(xiàn)，由上向下（趨勢）的過程中，入射角小于折射角，由下向上（趨勢）的過程中，入射角大于折射角。

所以，筆者得出如圖4的模型：

圖5　遠(yuǎn)震區(qū)地震波傳播原理示意圖·筆者猜想

于是根據(jù)這樣的傳播路徑，便能夠更加貼近現(xiàn)實(shí)的反應(yīng)地震波在地球內(nèi)部的傳播過程。探討至今，便能得出大致結(jié)論：地震來臨時(shí)，近震區(qū)的建筑先上下震動(dòng)后左右晃動(dòng)。而在遠(yuǎn)震區(qū)，則要復(fù)雜的多：①若不考慮縱波在地殼中發(fā)生反射和折射后縱波較橫波能量衰減的快，或到達(dá)觀測站時(shí)縱波的能量足夠大，那么引起建筑物的震動(dòng)狀況便是先上下后左右（當(dāng)然震動(dòng)方向與當(dāng)?shù)厮椒较蚝拓Q直方向可能存在著某一夾角，但人體感覺到的大致方向?yàn)橄壬舷潞笞笥遥?；②在遠(yuǎn)震區(qū)，由于地殼中縱波和橫波發(fā)生反射和折射后，縱波能量衰減的快，人體往往感覺不到上下震動(dòng)，所以說當(dāng)?shù)氐挠^測站

先感覺到的應(yīng)該是左右震動(dòng)；③若考慮橫波無法在古登堡面下傳播的話，也存在著只引起建筑物上下震動(dòng)的情況（理想狀態(tài)下）。

現(xiàn)在反觀當(dāng)初物理組與地理組之間的爭論，或許不難發(fā)現(xiàn)，在地理教學(xué)中，由于偏重文科色彩，強(qiáng)調(diào)文科思維，記背為主，淺度分析為輔，所以就造成了很難從理科面思維角度去看待這一問題，再者，地理學(xué)科多從實(shí)際出發(fā)，討論有價(jià)值的內(nèi)容與問題，很顯然在本次探討中，近震區(qū)的震動(dòng)模式具有一定程度上的預(yù)警作用，而遠(yuǎn)震區(qū)的震動(dòng)模式便少有價(jià)值；而物理組提出的三個(gè)模型都存在著一定的客觀問題，或許物理教學(xué)只是將其作為一種模板、一種工具，用理工科的思維進(jìn)行具體化、側(cè)重于量度化，多方面探討問題，培養(yǎng)論證的嚴(yán)密性，多種可能性，提高學(xué)生的嚴(yán)謹(jǐn)能力。所以正是由于地理教學(xué)、物理教學(xué)和本身態(tài)度的偏向性、側(cè)重點(diǎn)的不同，才造成這次激烈的談?wù)摗?/p>

注：由于地震波的傳播極為復(fù)雜，本文只局限于中學(xué)物理、地理關(guān)于地震波傳播教學(xué)上的探討方向之一，只是起到教學(xué)警示作用。

致謝：筆者在創(chuàng)作過程中得到浙江省象山中學(xué)高一地理組、高三物理組各位教師；南京地質(zhì)博物館（官方微博）提供技術(shù)幫助與疑惑解答，特此感謝！

（責(zé)任編校：李文田）