馬騁宇

〔摘? ? 要〕? 青島五四版小學(xué)科學(xué)四年級下冊《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)以及地震的簡單原理，對于學(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(xué)習(xí)完上述課程后，可以利用已學(xué)地震知識對演示實驗進行補充。本文旨在探討運用學(xué)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(xiàn)對前置實驗的遷移應(yīng)用，提高小學(xué)生對地球科學(xué)的認識和興趣。

〔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(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，也許存在一個不連續(xù)分界面。后經(jīng)過科學(xué)分析，他于1910年提出了地球內(nèi)部分層的學(xué)說，即地球內(nèi)部存在一個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，后來為了紀念這位奧地利科學(xué)家，這個分界面被命名為“莫霍洛維奇不連續(xù)面”（莫霍面），為人類利用地震波認識地球內(nèi)部拉開了序幕。

精準確定的古登堡面與液態(tài)地核的發(fā)現(xiàn)：地震發(fā)生時，從震源發(fā)出的地震波會通過地球介質(zhì)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(xù)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(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，存在一個“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。

1914年，德國地震學(xué)家古登堡根據(jù)這一影區(qū)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(xù)界面，即后來的“古登堡不連續(xù)面”，定位其深度約為2900千米。這個數(shù)據(jù)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(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，推斷出地核是液體。

地核內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)是后來另一位女科學(xué)家萊曼通過地震觀測資料發(fā)現(xiàn)的。至此，地球內(nèi)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(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》有很強的關(guān)聯(lián)性，且經(jīng)過學(xué)習(xí)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(shè)計一個學(xué)生易懂的實驗對地球內(nèi)部簡要說明？本實驗設(shè)計旨在利用已學(xué)的地震知識對小學(xué)科學(xué)課程中的地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)演示實驗進行拓展和改進，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(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。實驗結(jié)果證明，這種拓展實驗方法能夠有效增進學(xué)生對地球科學(xué)知識的理解和興趣。

二、實驗設(shè)計

（一）實驗?zāi)康?/p>

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

（二）實驗原理

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；地震是由地殼運動產(chǎn)生的，會由震源向內(nèi)外擴散地震波，地震波在經(jīng)過不同的地內(nèi)部分時會產(chǎn)生不同的速度，由此來區(qū)分地球內(nèi)部的不同結(jié)構(gòu)和物質(zhì)。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(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)，通過比較染色劑在不同物質(zhì)之間的流動速度來探究地震波在地球內(nèi)部不同狀態(tài)下傳遞的過程，進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(tài)中傳播，因此本實驗所有模擬地震波型均以縱波為主，產(chǎn)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(shè)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(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)之間流動的速度以及各物質(zhì)間的變化現(xiàn)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(zhì)間傳播的時間。

根據(jù)實驗現(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。

對照實驗一（可選），為了確保嚴謹，可以設(shè)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(fù)步驟1，2，3，得出實驗結(jié)論。

實驗二：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(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，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度的大小。讓學(xué)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(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(xué)生觀察不同物質(zhì)（沙子和水）中染色劑的移動速度。解釋地殼中不同物質(zhì)的密度和狀態(tài)（如固體和液體）對地震波傳播速度的影響。

根據(jù)實驗現(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。

對照實驗二（可選），為了確保嚴謹，可以設(shè)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(fù)實驗二步驟1，2，3，4，5，得出實驗結(jié)論。

四、實驗結(jié)果與分析

實驗結(jié)果：在實驗一中，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)。開始敲擊塑料瓶時，可以發(fā)現(xiàn)染色劑在不同物質(zhì)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(jīng)過不同狀態(tài)（液體、固體、半流體等）的物體時會出現(xiàn)速度的變化，因此科學(xué)家可以通過此結(jié)論探明地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

在實驗二中，彩沙、鵝卵石、水等模擬地殼間的礦產(chǎn)石油等物質(zhì)。在開始敲擊桌子或者塑料瓶時，彩沙層出現(xiàn)波浪條紋，表明地震波已到達，而且部分層面之間、層面內(nèi)部出現(xiàn)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(jīng)過彩沙部分時，速度明顯加快。因此科學(xué)家也可以通過分析傳到地表的地震波變化規(guī)律，推測潛在的礦藏資源等。

實驗分析：在模擬地震的產(chǎn)生傳播過程中，學(xué)生觀察到地震波的傳播導(dǎo)致了染色劑的移動（實驗一），且速度變化，說明地球內(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，發(fā)現(xiàn)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(zhì)會產(chǎn)生速度差異，而與地震大小強度無關(guān)。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(zhì)的密度和彈性有關(guān)。

通過計時器記錄的時間，學(xué)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(zhì)的密度和狀態(tài)會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)特點時，我們可以看到實驗結(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。

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

五、總結(jié)與改進

本實驗通過觀察和解釋實驗現(xiàn)象的方法，幫助學(xué)生理解了地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在實驗過程中，要引導(dǎo)學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)和提出問題，比如學(xué)生會有疑問，認為是拍桌子力度的大小（強度）導(dǎo)致了地震波傳遞速度的變化，可以以此為契機，給學(xué)生灌輸對比的科學(xué)思想，巧設(shè)對照。在實驗中要善于發(fā)現(xiàn)并抓住學(xué)生萌發(fā)的對比思維，予以肯定和鼓勵，對學(xué)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(chǎn)生的位置保持一致，呈點狀，更加符合現(xiàn)實情境使實驗結(jié)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(yīng)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(jié)果而從固定點釋放。同時，上述所有實驗數(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慢速流動影響實驗準確性等。因此，本實驗是不完美的，僅向?qū)W生展示基本實驗思路，尚有完善空間，有待于繼續(xù)探究深挖。

實驗課程的不可或缺和歷久彌新是科學(xué)探索和實踐的靈魂，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，本身實驗課程較少，學(xué)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(jié)果表明，小學(xué)實驗教學(xué)在地球科學(xué)教學(xué)中具有積極的效果。通過實驗教學(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)中積極開展實驗教學(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

[1]中華人民共和國教育部.關(guān)于加強和改進中小學(xué)實驗教學(xué)的意見[S]北京：教基〔2019〕16號，2019.11.

[2]周義欽.地震是照亮地球內(nèi)部的一盞明燈[J].地理教學(xué)，2014（7）：11-13，6