通过地震演示实验揭示地球内部结构

马骋宇

〔摘    要〕  青岛五四版小学科学四年级下册《地球的内部有什么》和《地震》两课，揭示了地球的内部结构以及地震的简单原理，对于学生了解地球本身以及地质自然现象具有重要意义。教材中有关地球构造的实验只利用熟鸡蛋的蛋壳、蛋白、蛋黄部分起到演示实验的作用，在学习完上述课程后，可以利用已学地震知识对演示实验进行补充。本文旨在探讨运用学过的地震知识对已有的演示实验进行拓展和改进，以期实现对前置实验的迁移应用，提高小学生对地球科学的认识和兴趣。

〔关键词〕  小学科学；地球内部结构；地震波传播；演示实验

〔中图分类号〕  G424                〔文献标识码〕  A         〔文章编号〕  1674-6317    （2024）  11    055-057

一、相关背景介绍

莫霍面的发现：在地球物理学的罗曼史上，地球内部最重要的一个界面——莫霍面（地壳与地幔的分界面）的发现是科学史上的一个里程碑。1909年奥地利地震学家莫霍洛维奇在一次地震研究中，偶然发现地震波速在欧洲大陆下近35公里处的传播速度突然发生跳跃性变化，纵波速度从7.0km/s突然变化到8.1km/s；横波速度也从4.2km/s突然增加至4.4km/s。莫霍洛维奇敏锐地觉察到该深度处物质成分与性质应该发生了变化，也许存在一个不连续分界面。后经过科学分析，他于1910年提出了地球内部分层的学说，即地球内部存在一个分界面将地球分为内外两层。内层和外层就是我们今天熟知的地幔与地壳，后来为了纪念这位奥地利科学家，这个分界面被命名为“莫霍洛维奇不连续面”（莫霍面），为人类利用地震波认识地球内部拉开了序幕。

精准确定的古登堡面与液态地核的发现：地震发生时，从震源发出的地震波会通过地球介质向各个方向传播，其中体波分量，包括P波和S波，可以从比较小的角度距离范围到比较大的角度距离范围被连续追踪与观测，在世界各地的地震台站通过仪器都可以记录到。但地震学家从地震数據中发现，大地震发生后，在距离地震震中103度～143度的范围内记录不到地震纵波信号，存在一个“P波阴影区”，于是他们猜想，这是由于地球内部还存在其他的分层结构扭曲了地震波场。

1914年，德国地震学家古登堡根据这一影区的存在确认了地核的存在，并测定了地幔与地核之间的不连续界面，即后来的“古登堡不连续面”，定位其深度约为2900千米。这个数据今天看来仍然非常准确，在此界面处，体波中的横波分量突然消失，纵波分量发生了折射，且速度大幅下降，并且从横波不能在液体介质中传播这一特点，推断出地核是液体。

地核内部分层结构是后来另一位女科学家莱曼通过地震观测资料发现的。至此，地球内部最重要的几个界面被确定，它们都是借助地震波观测记录进行推断的。

在小学科学“地球的内部”这一单元中，《地球的内部有什么》一课与《地震》有很强的关联性，且经过学习后可以利用后者的知识解释前者，使理解更深刻，但缺少实验探究。能否设计一个学生易懂的实验对地球内部简要说明？本实验设计旨在利用已学的地震知识对小学科学课程中的地球内部结构演示实验进行拓展和改进，以帮助学生更好地理解地球的内部构造和地震的原理。实验采用了染色剂、沙子和水等材料，通过模拟地震波的传播过程，让学生直观地观察到地壳分层、地震波传播速度与物质密度和弹性之间的关系。实验结果证明，这种拓展实验方法能够有效增进学生对地球科学知识的理解和兴趣。

二、实验设计

（一）实验目的

本实验旨在通过观察和解释实验现象，帮助学生通过地震理解地球的内部结构，包括地壳、地幔、外核和内核。同时，了解科学家利用地震波勘测地壳内部的物质，培养学生的观察能力、思维方法和对科学知识的喜爱及探索精神。

（二）实验原理

地球的内部结构是由地壳、地幔、外核和内核组成的。地壳是地球表面的最外层，由不同的矿物质组成；地震是由地壳运动产生的，会由震源向内外扩散地震波，地震波在经过不同的地内部分时会产生不同的速度，由此来区分地球内部的不同结构和物质。本实验用敲击透明塑料瓶底或者拍打桌面的方法模拟地震发生的震源位置，染色剂模拟地震波的传播路径，用鹅卵石、沙子、泥土和水模拟不同状态下的物质，通过比较染色剂在不同物质之间的流动速度来探究地震波在地球内部不同状态下传递的过程，进而可以帮助判断地球内部的结构和地壳内的物质。（注：因为地震波的传递方式分为横波、纵波和面波。其中仅纵波能在固液气三态中传播，因此本实验所有模拟地震波型均以纵波为主，产生方法采用固定点敲击透明塑料瓶底部或上下拍打桌子表面。）

（三）实验材料（设备）和方法

实验所需材料包括：几个透明的塑料水瓶、不同颜色的染色剂、鹅卵石若干、沙子、泥土、水、棉花、课桌、纸巾、胶水、报纸、计时器。

三、实验过程

实验一：探究地球内部的结构。

步骤1 将松散的泥土、水、沙子、鹅卵石、胶水等放入不同的透明塑料瓶中，用尺子测量好层高，使之相等。模拟呈现不同状态的地表、地壳、地幔、地核（外）、地核（内）等。

步骤2 分别向上述透明塑料瓶中倒入染色剂，并且开始敲击瓶子底部，模拟地震波的产生。观察染色剂在不同物质之间流动的速度以及各物质间的变化现象。

步骤3 用计时器记录开始敲击和染色剂到达每层底部的时间，分析地震波在不同物质间传播的时间。

根据实验现象，引导学生思考地球内部分层、地震波速度改变的结构特点。

对照实验一（可选），为了确保严谨，可以设置对照实验：将拍打桌子的力度（模拟地震强度）确定为单一变量，其他各实验部分不变，重复步骤1，2，3，得出实验结论。

实验二：探究地球内部的物质。

步骤1 先将鹅卵石、不同彩沙加水混合搅拌后装入塑料瓶，再依次放入泥土、棉花、没有染色的沙子，使之达到分层效果，保持湿润，用尺子测量好每一层的高度一致，模拟地壳中不同的矿物质的混合。

步骤2 将剩余沙子平铺在桌面上，注意表面要均匀平整，再倒上适量水，使之混合湿润，沙子的上方铺一层湿纸巾，模拟地表的环境，再将塑料瓶放在纸巾上。

步骤3 在塑料瓶中加入不同颜色的染色剂，模拟地球内部不同结构。让学生观察染色剂在沙子上方的分布情况，了解地壳中不同矿物质的分布规律。

步骤4 将塑料瓶放置在课桌上，用手拍打课桌或者敲击塑料瓶的底部模拟地震的产生传播，可以利用轻重不同力度模拟不同地震强度的大小。让学生观察地震波传播时染色剂的移动情况和彩沙的变化。地震波传播的速度与物质的密度和弹性有关，旨在让学生了解地壳分层的现象。

步骤5 在进行步骤4时，用计时器记录开始敲击和染色剂到达每层底部的时间，计算地震波传播的时间，让学生观察不同物质（沙子和水）中染色剂的移动速度。解释地壳中不同物质的密度和状态（如固体和液体）对地震波传播速度的影响。

根据实验现象，引导他们理解地壳分层、地震波传播速度与物质密度和弹性之间的关系。

对照实验二（可选），为了确保严谨，可以设置对照实验：将拍打桌子的力度（模拟地震强度）确定为单一变量，其他各组组成部分不变，重复实验二步骤1，2，3，4，5，得出实验结论。

四、实验结果与分析

实验结果：在实验一中，染色后的沙子混合后呈现出类似地壳中各种矿物质的分布情况。学生直观地看到了地壳是由不同的物质组成的，这些物质在地壳中分布是不均匀的。不同物质代表了地球内部不同的结构。开始敲击塑料瓶时，可以发现染色剂在不同物质间的流动速度不同，在水和胶水中较慢，在鹅卵石和沙子中较快。这说明地震波在经过不同状态（液体、固体、半流体等）的物体时会出现速度的变化，因此科学家可以通过此结论探明地球内部的结构状态。

在实验二中，彩沙、鹅卵石、水等模拟地壳间的矿产石油等物质。在开始敲击桌子或者塑料瓶时，彩沙层出现波浪条纹，表明地震波已到达，而且部分层面之间、层面内部出现了混合，这说明纵波到来时主要在竖直方向传播，上下方向运动。染色剂受到震动的影响首先从水面向下移动，但速度缓慢，但是在经过彩沙部分时，速度明显加快。因此科学家也可以通过分析传到地表的地震波变化规律，推测潜在的矿藏资源等。

实验分析：在模拟地震的产生传播过程中，学生观察到地震波的传播导致了染色剂的移动（实验一），且速度变化，说明地球内部存在不同结构。地震波在只改变拍打桌子力度大小的单一变量时，发现染色剂在水和沙子中流动速度与之前并无差异（对照实验一、二）。这说明了地震波在地壳中传播时遇到不同物质会产生速度差异，而与地震大小强度无关。同时，他们也观察到地震波在沙子和水中传播的速度是不同的，这说明传播速度还与地壳中不同物質的密度和弹性有关。

通过计时器记录的时间，学生可以清楚地看到染色剂在沙子和水中移动的速度差异。这让他们理解了地壳中不同物质的密度和状态会影响地震波的传播速度。

在引导学生思考地球内部的结构特点时，我们可以看到实验结果让他们更好地理解了地壳分层的现象，以及地幔上涌与地震波传播速度之间的关系。

总的来说，这个实验让学生通过直观的方式了解了地壳的组成、地震波的传播以及地壳分层等现象。通过亲手操作和观察实验结果，学生能够更好地理解和记忆这些知识点。同时，实验也激发了他们对地球科学的好奇心和探索欲望。

五、总结与改进

本实验通过观察和解释实验现象的方法，帮助学生理解了地球的内部结构。在实验过程中，要引导学生善于发现和提出问题，比如学生会有疑问，认为是拍桌子力度的大小（强度）导致了地震波传递速度的变化，可以以此为契机，给学生灌输对比的科学思想，巧设对照。在实验中要善于发现并抓住学生萌发的对比思维，予以肯定和鼓励，对学生的疑问拓展讲解。

本试验仍然存在不足。比如利用振动台代替拍打课桌的步骤，可以确保震源产生的位置保持一致，呈点状，更加符合现实情境使实验结果准确；染色剂本身具有黏性，在不同物体表面的流动速度上可能会有所不同；地震多位于地壳层，而实验一中的模拟震源有的在模拟地幔、模拟地核的下方，位置不对；实验二中的染色剂模拟地震波路径，应该是从震源位置（敲击位置）向四周同时扩散，但考虑到染色剂难以从水底释放影响实验结果而从固定点释放。同时，上述所有实验数据、物品受到地球重力的制约，即使未敲打桌面也可能会慢速流动影响实验准确性等。因此，本实验是不完美的，仅向学生展示基本实验思路，尚有完善空间，有待于继续探究深挖。

实验课程的不可或缺和历久弥新是科学探索和实践的灵魂，但不能墨守成规，而应革故鼎新。尤其是在小学的科学课程中，本身实验课程较少，学生对于课堂知识的理解不足，因此更需要另辟蹊径。此实验结果表明，小学实验教学在地球科学教学中具有积极的效果。通过实验教学，不仅可以提高小学生的学习兴趣和参与度，还能培养他们的观察能力、动手能力和科学思维方法。因此，笔者建议在小学科学教学中积极开展实验教学，提高师生科学素养，激发学习科学的兴趣。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.关于加强和改进中小学实验教学的意见[S]北京：教基〔2019〕16号，2019.11.

[2]周义钦.地震是照亮地球内部的一盏明灯[J].地理教学，2014（7）：11-13，6