通過(guò)地震演示實(shí)驗(yàn)揭示地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)

馬騁宇

〔摘? ? 要〕? 青島五四版小學(xué)科學(xué)四年級(jí)下冊(cè)《地球的內(nèi)部有什么》和《地震》兩課，揭示了地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及地震的簡(jiǎn)單原理，對(duì)于學(xué)生了解地球本身以及地質(zhì)自然現(xiàn)象具有重要意義。教材中有關(guān)地球構(gòu)造的實(shí)驗(yàn)只利用熟雞蛋的蛋殼、蛋白、蛋黃部分起到演示實(shí)驗(yàn)的作用，在學(xué)習(xí)完上述課程后，可以利用已學(xué)地震知識(shí)對(duì)演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充。本文旨在探討運(yùn)用學(xué)過(guò)的地震知識(shí)對(duì)已有的演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展和改進(jìn)，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)前置實(shí)驗(yàn)的遷移應(yīng)用，提高小學(xué)生對(duì)地球科學(xué)的認(rèn)識(shí)和興趣。

〔關(guān)鍵詞〕? 小學(xué)科學(xué)；地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)；地震波傳播；演示實(shí)驗(yàn)

〔中圖分類號(hào)〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號(hào)〕? 1674-6317? ? （2024）? 11? ? 055-057

一、相關(guān)背景介紹

莫霍面的發(fā)現(xiàn)：在地球物理學(xué)的羅曼史上，地球內(nèi)部最重要的一個(gè)界面——莫霍面（地殼與地幔的分界面）的發(fā)現(xiàn)是科學(xué)史上的一個(gè)里程碑。1909年奧地利地震學(xué)家莫霍洛維奇在一次地震研究中，偶然發(fā)現(xiàn)地震波速在歐洲大陸下近35公里處的傳播速度突然發(fā)生跳躍性變化，縱波速度從7.0km/s突然變化到8.1km/s；橫波速度也從4.2km/s突然增加至4.4km/s。莫霍洛維奇敏銳地覺(jué)察到該深度處物質(zhì)成分與性質(zhì)應(yīng)該發(fā)生了變化，也許存在一個(gè)不連續(xù)分界面。后經(jīng)過(guò)科學(xué)分析，他于1910年提出了地球內(nèi)部分層的學(xué)說(shuō)，即地球內(nèi)部存在一個(gè)分界面將地球分為內(nèi)外兩層。內(nèi)層和外層就是我們今天熟知的地幔與地殼，后來(lái)為了紀(jì)念這位奧地利科學(xué)家，這個(gè)分界面被命名為“莫霍洛維奇不連續(xù)面”（莫霍面），為人類利用地震波認(rèn)識(shí)地球內(nèi)部拉開(kāi)了序幕。

精準(zhǔn)確定的古登堡面與液態(tài)地核的發(fā)現(xiàn)：地震發(fā)生時(shí)，從震源發(fā)出的地震波會(huì)通過(guò)地球介質(zhì)向各個(gè)方向傳播，其中體波分量，包括P波和S波，可以從比較小的角度距離范圍到比較大的角度距離范圍被連續(xù)追蹤與觀測(cè)，在世界各地的地震臺(tái)站通過(guò)儀器都可以記錄到。但地震學(xué)家從地震數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，大地震發(fā)生后，在距離地震震中103度～143度的范圍內(nèi)記錄不到地震縱波信號(hào)，存在一個(gè)“P波陰影區(qū)”，于是他們猜想，這是由于地球內(nèi)部還存在其他的分層結(jié)構(gòu)扭曲了地震波場(chǎng)。

1914年，德國(guó)地震學(xué)家古登堡根據(jù)這一影區(qū)的存在確認(rèn)了地核的存在，并測(cè)定了地幔與地核之間的不連續(xù)界面，即后來(lái)的“古登堡不連續(xù)面”，定位其深度約為2900千米。這個(gè)數(shù)據(jù)今天看來(lái)仍然非常準(zhǔn)確，在此界面處，體波中的橫波分量突然消失，縱波分量發(fā)生了折射，且速度大幅下降，并且從橫波不能在液體介質(zhì)中傳播這一特點(diǎn)，推斷出地核是液體。

地核內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)是后來(lái)另一位女科學(xué)家萊曼通過(guò)地震觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)的。至此，地球內(nèi)部最重要的幾個(gè)界面被確定，它們都是借助地震波觀測(cè)記錄進(jìn)行推斷的。

在小學(xué)科學(xué)“地球的內(nèi)部”這一單元中，《地球的內(nèi)部有什么》一課與《地震》有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，且經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)后可以利用后者的知識(shí)解釋前者，使理解更深刻，但缺少實(shí)驗(yàn)探究。能否設(shè)計(jì)一個(gè)學(xué)生易懂的實(shí)驗(yàn)對(duì)地球內(nèi)部簡(jiǎn)要說(shuō)明？本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)旨在利用已學(xué)的地震知識(shí)對(duì)小學(xué)科學(xué)課程中的地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展和改進(jìn)，以幫助學(xué)生更好地理解地球的內(nèi)部構(gòu)造和地震的原理。實(shí)驗(yàn)采用了染色劑、沙子和水等材料，通過(guò)模擬地震波的傳播過(guò)程，讓學(xué)生直觀地觀察到地殼分層、地震波傳播速度與物質(zhì)密度和彈性之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，這種拓展實(shí)驗(yàn)方法能夠有效增進(jìn)學(xué)生對(duì)地球科學(xué)知識(shí)的理解和興趣。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

本實(shí)驗(yàn)旨在通過(guò)觀察和解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，幫助學(xué)生通過(guò)地震理解地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括地殼、地幔、外核和內(nèi)核。同時(shí)，了解科學(xué)家利用地震波勘測(cè)地殼內(nèi)部的物質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、思維方法和對(duì)科學(xué)知識(shí)的喜愛(ài)及探索精神。

（二）實(shí)驗(yàn)原理

地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由地殼、地幔、外核和內(nèi)核組成的。地殼是地球表面的最外層，由不同的礦物質(zhì)組成；地震是由地殼運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，會(huì)由震源向內(nèi)外擴(kuò)散地震波，地震波在經(jīng)過(guò)不同的地內(nèi)部分時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的速度，由此來(lái)區(qū)分地球內(nèi)部的不同結(jié)構(gòu)和物質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)用敲擊透明塑料瓶底或者拍打桌面的方法模擬地震發(fā)生的震源位置，染色劑模擬地震波的傳播路徑，用鵝卵石、沙子、泥土和水模擬不同狀態(tài)下的物質(zhì)，通過(guò)比較染色劑在不同物質(zhì)之間的流動(dòng)速度來(lái)探究地震波在地球內(nèi)部不同狀態(tài)下傳遞的過(guò)程，進(jìn)而可以幫助判斷地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和地殼內(nèi)的物質(zhì)。（注：因?yàn)榈卣鸩ǖ膫鬟f方式分為橫波、縱波和面波。其中僅縱波能在固液氣三態(tài)中傳播，因此本實(shí)驗(yàn)所有模擬地震波型均以縱波為主，產(chǎn)生方法采用固定點(diǎn)敲擊透明塑料瓶底部或上下拍打桌子表面。）

（三）實(shí)驗(yàn)材料（設(shè)備）和方法

實(shí)驗(yàn)所需材料包括：幾個(gè)透明的塑料水瓶、不同顏色的染色劑、鵝卵石若干、沙子、泥土、水、棉花、課桌、紙巾、膠水、報(bào)紙、計(jì)時(shí)器。

三、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)一：探究地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

步驟1?將松散的泥土、水、沙子、鵝卵石、膠水等放入不同的透明塑料瓶中，用尺子測(cè)量好層高，使之相等。模擬呈現(xiàn)不同狀態(tài)的地表、地殼、地幔、地核（外）、地核（內(nèi)）等。

步驟2?分別向上述透明塑料瓶中倒入染色劑，并且開(kāi)始敲擊瓶子底部，模擬地震波的產(chǎn)生。觀察染色劑在不同物質(zhì)之間流動(dòng)的速度以及各物質(zhì)間的變化現(xiàn)象。

步驟3?用計(jì)時(shí)器記錄開(kāi)始敲擊和染色劑到達(dá)每層底部的時(shí)間，分析地震波在不同物質(zhì)間傳播的時(shí)間。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生思考地球內(nèi)部分層、地震波速度改變的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

對(duì)照實(shí)驗(yàn)一（可選），為了確保嚴(yán)謹(jǐn)，可以設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)：將拍打桌子的力度（模擬地震強(qiáng)度）確定為單一變量，其他各實(shí)驗(yàn)部分不變，重復(fù)步驟1，2，3，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)二：探究地球內(nèi)部的物質(zhì)。

步驟1?先將鵝卵石、不同彩沙加水混合攪拌后裝入塑料瓶，再依次放入泥土、棉花、沒(méi)有染色的沙子，使之達(dá)到分層效果，保持濕潤(rùn)，用尺子測(cè)量好每一層的高度一致，模擬地殼中不同的礦物質(zhì)的混合。

步驟2?將剩余沙子平鋪在桌面上，注意表面要均勻平整，再倒上適量水，使之混合濕潤(rùn)，沙子的上方鋪一層濕紙巾，模擬地表的環(huán)境，再將塑料瓶放在紙巾上。

步驟3?在塑料瓶中加入不同顏色的染色劑，模擬地球內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)。讓學(xué)生觀察染色劑在沙子上方的分布情況，了解地殼中不同礦物質(zhì)的分布規(guī)律。

步驟4?將塑料瓶放置在課桌上，用手拍打課桌或者敲擊塑料瓶的底部模擬地震的產(chǎn)生傳播，可以利用輕重不同力度模擬不同地震強(qiáng)度的大小。讓學(xué)生觀察地震波傳播時(shí)染色劑的移動(dòng)情況和彩沙的變化。地震波傳播的速度與物質(zhì)的密度和彈性有關(guān)，旨在讓學(xué)生了解地殼分層的現(xiàn)象。

步驟5?在進(jìn)行步驟4時(shí)，用計(jì)時(shí)器記錄開(kāi)始敲擊和染色劑到達(dá)每層底部的時(shí)間，計(jì)算地震波傳播的時(shí)間，讓學(xué)生觀察不同物質(zhì)（沙子和水）中染色劑的移動(dòng)速度。解釋地殼中不同物質(zhì)的密度和狀態(tài)（如固體和液體）對(duì)地震波傳播速度的影響。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，引導(dǎo)他們理解地殼分層、地震波傳播速度與物質(zhì)密度和彈性之間的關(guān)系。

對(duì)照實(shí)驗(yàn)二（可選），為了確保嚴(yán)謹(jǐn)，可以設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)：將拍打桌子的力度（模擬地震強(qiáng)度）確定為單一變量，其他各組組成部分不變，重復(fù)實(shí)驗(yàn)二步驟1，2，3，4，5，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在實(shí)驗(yàn)一中，染色后的沙子混合后呈現(xiàn)出類似地殼中各種礦物質(zhì)的分布情況。學(xué)生直觀地看到了地殼是由不同的物質(zhì)組成的，這些物質(zhì)在地殼中分布是不均勻的。不同物質(zhì)代表了地球內(nèi)部不同的結(jié)構(gòu)。開(kāi)始敲擊塑料瓶時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)染色劑在不同物質(zhì)間的流動(dòng)速度不同，在水和膠水中較慢，在鵝卵石和沙子中較快。這說(shuō)明地震波在經(jīng)過(guò)不同狀態(tài)（液體、固體、半流體等）的物體時(shí)會(huì)出現(xiàn)速度的變化，因此科學(xué)家可以通過(guò)此結(jié)論探明地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

在實(shí)驗(yàn)二中，彩沙、鵝卵石、水等模擬地殼間的礦產(chǎn)石油等物質(zhì)。在開(kāi)始敲擊桌子或者塑料瓶時(shí)，彩沙層出現(xiàn)波浪條紋，表明地震波已到達(dá)，而且部分層面之間、層面內(nèi)部出現(xiàn)了混合，這說(shuō)明縱波到來(lái)時(shí)主要在豎直方向傳播，上下方向運(yùn)動(dòng)。染色劑受到震動(dòng)的影響首先從水面向下移動(dòng)，但速度緩慢，但是在經(jīng)過(guò)彩沙部分時(shí)，速度明顯加快。因此科學(xué)家也可以通過(guò)分析傳到地表的地震波變化規(guī)律，推測(cè)潛在的礦藏資源等。

實(shí)驗(yàn)分析：在模擬地震的產(chǎn)生傳播過(guò)程中，學(xué)生觀察到地震波的傳播導(dǎo)致了染色劑的移動(dòng)（實(shí)驗(yàn)一），且速度變化，說(shuō)明地球內(nèi)部存在不同結(jié)構(gòu)。地震波在只改變拍打桌子力度大小的單一變量時(shí)，發(fā)現(xiàn)染色劑在水和沙子中流動(dòng)速度與之前并無(wú)差異（對(duì)照實(shí)驗(yàn)一、二）。這說(shuō)明了地震波在地殼中傳播時(shí)遇到不同物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生速度差異，而與地震大小強(qiáng)度無(wú)關(guān)。同時(shí)，他們也觀察到地震波在沙子和水中傳播的速度是不同的，這說(shuō)明傳播速度還與地殼中不同物質(zhì)的密度和彈性有關(guān)。

通過(guò)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間，學(xué)生可以清楚地看到染色劑在沙子和水中移動(dòng)的速度差異。這讓他們理解了地殼中不同物質(zhì)的密度和狀態(tài)會(huì)影響地震波的傳播速度。

在引導(dǎo)學(xué)生思考地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)時(shí)，我們可以看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓他們更好地理解了地殼分層的現(xiàn)象，以及地幔上涌與地震波傳播速度之間的關(guān)系。

總的來(lái)說(shuō)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生通過(guò)直觀的方式了解了地殼的組成、地震波的傳播以及地殼分層等現(xiàn)象。通過(guò)親手操作和觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生能夠更好地理解和記憶這些知識(shí)點(diǎn)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)也激發(fā)了他們對(duì)地球科學(xué)的好奇心和探索欲望。

五、總結(jié)與改進(jìn)

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)觀察和解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的方法，幫助學(xué)生理解了地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要引導(dǎo)學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)和提出問(wèn)題，比如學(xué)生會(huì)有疑問(wèn)，認(rèn)為是拍桌子力度的大小（強(qiáng)度）導(dǎo)致了地震波傳遞速度的變化，可以以此為契機(jī)，給學(xué)生灌輸對(duì)比的科學(xué)思想，巧設(shè)對(duì)照。在實(shí)驗(yàn)中要善于發(fā)現(xiàn)并抓住學(xué)生萌發(fā)的對(duì)比思維，予以肯定和鼓勵(lì)，對(duì)學(xué)生的疑問(wèn)拓展講解。

本試驗(yàn)仍然存在不足。比如利用振動(dòng)臺(tái)代替拍打課桌的步驟，可以確保震源產(chǎn)生的位置保持一致，呈點(diǎn)狀，更加符合現(xiàn)實(shí)情境使實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確；染色劑本身具有黏性，在不同物體表面的流動(dòng)速度上可能會(huì)有所不同；地震多位于地殼層，而實(shí)驗(yàn)一中的模擬震源有的在模擬地幔、模擬地核的下方，位置不對(duì)；實(shí)驗(yàn)二中的染色劑模擬地震波路徑，應(yīng)該是從震源位置（敲擊位置）向四周同時(shí)擴(kuò)散，但考慮到染色劑難以從水底釋放影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果而從固定點(diǎn)釋放。同時(shí)，上述所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、物品受到地球重力的制約，即使未敲打桌面也可能會(huì)慢速流動(dòng)影響實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性等。因此，本實(shí)驗(yàn)是不完美的，僅向?qū)W生展示基本實(shí)驗(yàn)思路，尚有完善空間，有待于繼續(xù)探究深挖。

實(shí)驗(yàn)課程的不可或缺和歷久彌新是科學(xué)探索和實(shí)踐的靈魂，但不能墨守成規(guī)，而應(yīng)革故鼎新。尤其是在小學(xué)的科學(xué)課程中，本身實(shí)驗(yàn)課程較少，學(xué)生對(duì)于課堂知識(shí)的理解不足，因此更需要另辟蹊徑。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在地球科學(xué)教學(xué)中具有積極的效果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅可以提高小學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度，還能培養(yǎng)他們的觀察能力、動(dòng)手能力和科學(xué)思維方法。因此，筆者建議在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中積極開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高師生科學(xué)素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣。

參考文獻(xiàn)

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