通過地震演示實驗揭示地球內部結構

馬騁宇

〔摘? ? 要〕? 青島五四版小學科學四年級下冊《地球的內部有什么》和《地震》兩課，揭示了地球的內部結構以及地震的簡單原理，對于學生了解地球本身以及地質自然現象具有重要意義。教材中有關地球構造的實驗只利用熟雞蛋的蛋殼、蛋白、蛋黃部分起到演示實驗的作用，在學習完上述課程后，可以利用已學地震知識對演示實驗進行補充。本文旨在探討運用學過的地震知識對已有的演示實驗進行拓展和改進，以期實現對前置實驗的遷移應用，提高小學生對地球科學的認識和興趣。

〔關鍵詞〕? 小學科學；地球內部結構；地震波傳播；演示實驗

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻標識碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號〕? 1674-6317? ? （2024）? 11? ? 055-057

一、相關背景介紹

莫霍面的發現：在地球物理學的羅曼史上，地球內部最重要的一個界面——莫霍面（地殼與地幔的分界面）的發現是科學史上的一個里程碑。1909年奧地利地震學家莫霍洛維奇在一次地震研究中，偶然發現地震波速在歐洲大陸下近35公里處的傳播速度突然發生跳躍性變化，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察到該深度處物質成分與性質應該發生了變化，也許存在一個不連續分界面。后經過科學分析，他于1910年提出了地球內部分層的學說，即地球內部存在一個分界面將地球分為內外兩層。內層和外層就是我們今天熟知的地幔與地殼，后來為了紀念這位奧地利科學家，這個分界面被命名為“莫霍洛維奇不連續面”（莫霍面），為人類利用地震波認識地球內部拉開了序幕。

精準確定的古登堡面與液態地核的發現：地震發生時，從震源發出的地震波會通過地球介質向各個方向傳播，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追蹤與觀測，在世界各地的地震臺站通過儀器都可以記錄到。但地震學家從地震數據中發現，大地震發生后，在距離地震震中103度～143度的范圍內記錄不到地震縱波信號，存在一個“P波陰影區”，于是他們猜想，這是由于地球內部還存在其他的分層結構扭曲了地震波場。

1914年，德國地震學家古登堡根據這一影區的存在確認了地核的存在，并測定了地幔與地核之間的不連續界面，即后來的“古登堡不連續面”，定位其深度約為2900千米。這個數據今天看來仍然非常準確，在此界面處，體波中的橫波分量突然消失，縱波分量發生了折射，且速度大幅下降，并且從橫波不能在液體介質中傳播這一特點，推斷出地核是液體。

地核內部分層結構是后來另一位女科學家萊曼通過地震觀測資料發現的。至此，地球內部最重要的幾個界面被確定，它們都是借助地震波觀測記錄進行推斷的。

在小學科學“地球的內部”這一單元中，《地球的內部有什么》一課與《地震》有很強的關聯性，且經過學習后可以利用后者的知識解釋前者，使理解更深刻，但缺少實驗探究。能否設計一個學生易懂的實驗對地球內部簡要說明？本實驗設計旨在利用已學的地震知識對小學科學課程中的地球內部結構演示實驗進行拓展和改進，以幫助學生更好地理解地球的內部構造和地震的原理。實驗采用了染色劑、沙子和水等材料，通過模擬地震波的傳播過程，讓學生直觀地觀察到地殼分層、地震波傳播速度與物質密度和彈性之間的關系。實驗結果證明，這種拓展實驗方法能夠有效增進學生對地球科學知識的理解和興趣。

二、實驗設計

（一）實驗目的

本實驗旨在通過觀察和解釋實驗現象，幫助學生通過地震理解地球的內部結構，包括地殼、地幔、外核和內核。同時，了解科學家利用地震波勘測地殼內部的物質，培養學生的觀察能力、思維方法和對科學知識的喜愛及探索精神。

（二）實驗原理

地球的內部結構是由地殼、地幔、外核和內核組成的。地殼是地球表面的最外層，由不同的礦物質組成；地震是由地殼運動產生的，會由震源向內外擴散地震波，地震波在經過不同的地內部分時會產生不同的速度，由此來區分地球內部的不同結構和物質。本實驗用敲擊透明塑料瓶底或者拍打桌面的方法模擬地震發生的震源位置，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下的物質，通過比較染色劑在不同物質之間的流動速度來探究地震波在地球內部不同狀態下傳遞的過程，進而可以幫助判斷地球內部的結構和地殼內的物質。（注：因為地震波的傳遞方式分為橫波、縱波和面波。其中僅縱波能在固液氣三態中傳播，因此本實驗所有模擬地震波型均以縱波為主，產生方法采用固定點敲擊透明塑料瓶底部或上下拍打桌子表面。）

（三）實驗材料（設備）和方法

實驗所需材料包括：幾個透明的塑料水瓶、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、報紙、計時器。

三、實驗過程

實驗一：探究地球內部的結構。

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，用尺子測量好層高，使之相等。模擬呈現不同狀態的地表、地殼、地幔、地核（外）、地核（內）等。

步驟2?分別向上述透明塑料瓶中倒入染色劑，并且開始敲擊瓶子底部，模擬地震波的產生。觀察染色劑在不同物質之間流動的速度以及各物質間的變化現象。

步驟3?用計時器記錄開始敲擊和染色劑到達每層底部的時間，分析地震波在不同物質間傳播的時間。

根據實驗現象，引導學生思考地球內部分層、地震波速度改變的結構特點。

對照實驗一（可選），為了確保嚴謹，可以設置對照實驗：將拍打桌子的力度（模擬地震強度）確定為單一變量，其他各實驗部分不變，重復步驟1，2，3，得出實驗結論。

實驗二：探究地球內部的物質。

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、沒有染色的沙子，使之達到分層效果，保持濕潤，用尺子測量好每一層的高度一致，模擬地殼中不同的礦物質的混合。

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，沙子的上方鋪一層濕紙巾，模擬地表的環境，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，模擬地球內部不同結構。讓學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的分布規律。

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生傳播，可以利用輕重不同力度模擬不同地震強度的大小。讓學生觀察地震波傳播時染色劑的移動情況和彩沙的變化。地震波傳播的速度與物質的密度和彈性有關，旨在讓學生了解地殼分層的現象。

步驟5?在進行步驟4時，用計時器記錄開始敲擊和染色劑到達每層底部的時間，計算地震波傳播的時間，讓學生觀察不同物質（沙子和水）中染色劑的移動速度。解釋地殼中不同物質的密度和狀態（如固體和液體）對地震波傳播速度的影響。

根據實驗現象，引導他們理解地殼分層、地震波傳播速度與物質密度和彈性之間的關系。

對照實驗二（可選），為了確保嚴謹，可以設置對照實驗：將拍打桌子的力度（模擬地震強度）確定為單一變量，其他各組組成部分不變，重復實驗二步驟1，2，3，4，5，得出實驗結論。

四、實驗結果與分析

實驗結果：在實驗一中，染色后的沙子混合后呈現出類似地殼中各種礦物質的分布情況。學生直觀地看到了地殼是由不同的物質組成的，這些物質在地殼中分布是不均勻的。不同物質代表了地球內部不同的結構。開始敲擊塑料瓶時，可以發現染色劑在不同物質間的流動速度不同，在水和膠水中較慢，在鵝卵石和沙子中較快。這說明地震波在經過不同狀態（液體、固體、半流體等）的物體時會出現速度的變化，因此科學家可以通過此結論探明地球內部的結構狀態。

在實驗二中，彩沙、鵝卵石、水等模擬地殼間的礦產石油等物質。在開始敲擊桌子或者塑料瓶時，彩沙層出現波浪條紋，表明地震波已到達，而且部分層面之間、層面內部出現了混合，這說明縱波到來時主要在豎直方向傳播，上下方向運動。染色劑受到震動的影響首先從水面向下移動，但速度緩慢，但是在經過彩沙部分時，速度明顯加快。因此科學家也可以通過分析傳到地表的地震波變化規律，推測潛在的礦藏資源等。

實驗分析：在模擬地震的產生傳播過程中，學生觀察到地震波的傳播導致了染色劑的移動（實驗一），且速度變化，說明地球內部存在不同結構。地震波在只改變拍打桌子力度大小的單一變量時，發現染色劑在水和沙子中流動速度與之前并無差異（對照實驗一、二）。這說明了地震波在地殼中傳播時遇到不同物質會產生速度差異，而與地震大小強度無關。同時，他們也觀察到地震波在沙子和水中傳播的速度是不同的，這說明傳播速度還與地殼中不同物質的密度和彈性有關。

通過計時器記錄的時間，學生可以清楚地看到染色劑在沙子和水中移動的速度差異。這讓他們理解了地殼中不同物質的密度和狀態會影響地震波的傳播速度。

在引導學生思考地球內部的結構特點時，我們可以看到實驗結果讓他們更好地理解了地殼分層的現象，以及地幔上涌與地震波傳播速度之間的關系。

總的來說，這個實驗讓學生通過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象。通過親手操作和觀察實驗結果，學生能夠更好地理解和記憶這些知識點。同時，實驗也激發了他們對地球科學的好奇心和探索欲望。

五、總結與改進

本實驗通過觀察和解釋實驗現象的方法，幫助學生理解了地球的內部結構。在實驗過程中，要引導學生善于發現和提出問題，比如學生會有疑問，認為是拍桌子力度的大小（強度）導致了地震波傳遞速度的變化，可以以此為契機，給學生灌輸對比的科學思想，巧設對照。在實驗中要善于發現并抓住學生萌發的對比思維，予以肯定和鼓勵，對學生的疑問拓展講解。

本試驗仍然存在不足。比如利用振動臺代替拍打課桌的步驟，可以確保震源產生的位置保持一致，呈點狀，更加符合現實情境使實驗結果準確；染色劑本身具有黏性，在不同物體表面的流動速度上可能會有所不同；地震多位于地殼層，而實驗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；實驗二中的染色劑模擬地震波路徑，應該是從震源位置（敲擊位置）向四周同時擴散，但考慮到染色劑難以從水底釋放影響實驗結果而從固定點釋放。同時，上述所有實驗數據、物品受到地球重力的制約，即使未敲打桌面也可能會慢速流動影響實驗準確性等。因此，本實驗是不完美的，僅向學生展示基本實驗思路，尚有完善空間，有待于繼續探究深挖。

實驗課程的不可或缺和歷久彌新是科學探索和實踐的靈魂，但不能墨守成規，而應革故鼎新。尤其是在小學的科學課程中，本身實驗課程較少，學生對于課堂知識的理解不足，因此更需要另辟蹊徑。此實驗結果表明，小學實驗教學在地球科學教學中具有積極的效果。通過實驗教學，不僅可以提高小學生的學習興趣和參與度，還能培養他們的觀察能力、動手能力和科學思維方法。因此，筆者建議在小學科學教學中積極開展實驗教學，提高師生科學素養，激發學習科學的興趣。

參考文獻

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