林 曦（浙江省象山中學， 浙江 寧波 315700）

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

林 曦
（浙江省象山中學， 浙江 寧波 315700）

摘要：因地理與物理的學科思維存在差異，中學地理教師與物理教師以此為起點，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》的學習后，細心的同學可能會萌生疑問。在地震波傳播方向的教學中，很多地理教師都會舉一個十分典型的案例，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，然后發(fā)生左右晃動。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該地的時間差為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還是上下震動？答：先傳到的是縱波，所以左右晃動。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，一是兩種學科不同的考慮態(tài)度與教學重點，二是中學地理與物理在教學上存在斷層。而接受了兩種學科教育的學生，在面對地震波傳播的問題上便很難做出準確的判斷，這也造成了學生在考試解題中不同學科教學解題思維切換上的困難?？陀^事實是唯一的，不同學科思維存在相關(guān)性而非獨立存在，對該類問題可以分別從物理、地理兩方面進行剖析。

物理教師提出了兩個概念，一為近震區(qū)，一為遠震區(qū)。關(guān)于近震區(qū)，雙方達成一致意見，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方向一致，縱波到達后引起建筑物上下震動，橫波傳播方向與振動方向垂直，橫波到達后引起左右晃動，所以造成建筑物先上下震動再左右晃動。

圖1　近震區(qū)地震波傳播原理示意圖

而在遠震區(qū)問題的探討上，雙方大多存在對彼此觀點的質(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

物理組教師認為，地震發(fā)生后，地震波沿著水平方向傳播，在到達觀測站正下方后，由于縱波波速大，先到達，到達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。這就好比地基中的泥土突然鏤空，觀測站會馬上發(fā)生震動。

地理組隨即反駁，地震波為球面波，由波面到達觀測站，水平傳播是不合理的。而且，地殼巖層比較堅固，觀測站不會出現(xiàn)晃動，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，由于先到達的縱波傳播方向與振動方向相同，所以觀測站先引起水平震動。

盡管物理組與地理組在這一看法上達成了一致，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和左右震動的兩種形式狀態(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平面么？

帶著這些問題，筆者梳理了相關(guān)的專業(yè)知識。經(jīng)過整理，筆者發(fā)現(xiàn)，地震波是一種常見的機械波。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)費馬原理，兩點之間地震能量傳播的路徑是最小時間的射線路徑，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：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，又因為這個定律是根據(jù)光的波動概念導出的，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，近震區(qū)的建筑先上下震動后左右晃動。而在遠震區(qū)，則要復雜的多：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，或到達觀測站時縱波的能量足夠大，那么引起建筑物的震動狀況便是先上下后左右（當然震動方向與當?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為先上下后左右）；②在遠震區(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，所以說當?shù)氐挠^測站

先感覺到的應(yīng)該是左右震動；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的情況（理想狀態(tài)下）。

現(xiàn)在反觀當初物理組與地理組之間的爭論，或許不難發(fā)現(xiàn)，在地理教學中，由于偏重文科色彩，強調(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，地理學科多從實際出發(fā)，討論有價值的內(nèi)容與問題，很顯然在本次探討中，近震區(qū)的震動模式具有一定程度上的預警作用，而遠震區(qū)的震動模式便少有價值；而物理組提出的三個模型都存在著一定的客觀問題，或許物理教學只是將其作為一種模板、一種工具，用理工科的思維進行具體化、側(cè)重于量度化，多方面探討問題，培養(yǎng)論證的嚴密性，多種可能性，提高學生的嚴謹能力。所以正是由于地理教學、物理教學和本身態(tài)度的偏向性、側(cè)重點的不同，才造成這次激烈的談?wù)摗?/p>

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

致謝：筆者在創(chuàng)作過程中得到浙江省象山中學高一地理組、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！

（責任編校：李文田）