展现不同学科思维方式的"混战"——中学地理、物理关于地震传波播问题 的探讨

林 曦（浙江省象山中学， 浙江 宁波 315700）

展现不同学科思维方式的"混战"——中学地理、物理关于地震传波播问题的探讨

林 曦
（浙江省象山中学， 浙江 宁波 315700）

摘要：因地理与物理的学科思维存在差异，中学地理教师与物理教师以此为起点，交流探讨了地震波的传播问题，提出并逐步完善了地震波传播原理的猜想模型。

关键词：地震波；传播原理；学科思维

在经历湘教版《地理必修Ⅰ》与人教版《物理选修3-4》的学习后，细心的同学可能会萌生疑问。在地震波传播方向的教学中，很多地理教师都会举一个十分典型的案例，地震来临后，由于横波与纵波在同一介质中存在速度差，以及其各自独特的传播方式，造成的情况是，建筑物首先发生了上下震动，然后发生左右晃动。而在物理教师看来，这种情况或许是不全面的。例如：在一次地震中，某地观测站记录了纵波和横波到达该地的时间差为5.4s，纵波和横波在该介质传播速度分别为9.1km/s、3.7km/s。问观察站所观察到的是先左右震动还是上下震动？答：先传到的是纵波，所以左右晃动。本题的解答遭到了地理教师们的否定却得到了物理教师们的肯定。这也就意味着中学地理、物理在“地震波传播”的问题上存在着不同的观念，而再追究这些观念产生的原因，一是两种学科不同的考虑态度与教学重点，二是中学地理与物理在教学上存在断层。而接受了两种学科教育的学生，在面对地震波传播的问题上便很难做出准确的判断，这也造成了学生在考试解题中不同学科教学解题思维切换上的困难。客观事实是唯一的，不同学科思维存在相关性而非独立存在，对该类问题可以分别从物理、地理两方面进行剖析。

物理教师提出了两个概念，一为近震区，一为远震区。关于近震区，双方达成一致意见，模型见图1。

由图1可见：由于建筑物大致位于震源上方，纵波与横波传播速度不同，且纵波速度大于横波速度，纵波传播方向与振动方向一致，纵波到达后引起建筑物上下震动，横波传播方向与振动方向垂直，横波到达后引起左右晃动，所以造成建筑物先上下震动再左右晃动。

图1　近震区地震波传播原理示意图

而在远震区问题的探讨上，双方大多存在对彼此观点的质疑。笔者再现物理教师与地理教师的讨论过程，以此来展示不同种学科之间不同的思维方式：

首先，物理教师给出如图2所示的猜想模型。

图2　远震区地震波传播原理示意图·物理组猜想1

物理组教师认为，地震发生后，地震波沿着水平方向传播，在到达观测站正下方后，由于纵波波速大，先到达，到达后引起观测站下方土地介质发生左右剪

切，于是上方的观测站就能感受到下方的震动。这就好比地基中的泥土突然镂空，观测站会马上发生震动。

地理组随即反驳，地震波为球面波，由波面到达观测站，水平传播是不合理的。而且，地壳岩层比较坚固，观测站不会出现晃动，即便是真的出现了，也一定是以波的形式传递造成的。

遭到地理组教师的否定后，物理组教师经过讨论，提出了比较理想的模型（如图3）。

图3　远震区地震波传播原理示意图·物理组猜想2

如上模型中，由于震源发出的地震波是球面波，所以最直接的传播途径是震源与观测站的连线，与水平线夹角为θ。由于发生地震大多为浅源地震，竖直距离远小于水平距离，图中的θ很小以至于趋近于零。做了以上的近似处理后，由于先到达的纵波传播方向与振动方向相同，所以观测站先引起水平震动。

尽管物理组与地理组在这一看法上达成了一致，然笔者发现，仍存在某些问题。物理组给出的模型中，是基于θ接近于零而做的近似处理。若存在的θ不为零，那么是不是意味着地震不只是有上下震动和左右震动的两种形式状态？在近震区中，用微元思想可以把地球表面看做是水平的，而在长路程的传播下，还能将地球表面看成一个平面么？

带着这些问题，笔者梳理了相关的专业知识。经过整理，笔者发现，地震波是一种常见的机械波。根据惠更斯原理（人教版《物理选修3-4》有过简单介绍），便让笔者猜想是否是地球内部并不均匀的介质所引起的地震波传播的折射。根据费马原理，两点之间地震能量传播的路径是最小时间的射线路径，在多层介质中，它通常是折线或曲线，而不是最短直线。根据这一类的解释原理需求，笔者找到了相应的图“地震波传播速度和距离地表深度的关系”（图4）。

图4　地震波传播速度和距离地表深度的关系来源：湘教版 地理必修Ⅰ

从图4中不难得出以下两点：①在地壳与古登堡面之间，纵波速度大于横波速度，且在距地表深度越深的地方，纵波与横波的速度都越快；②在古登堡面以下，横波的速度突然为零，也就意味着横波无法在古登堡面以下的部位传播。根据荷兰数学家斯涅耳总结的光的折射定律（人教版《物理选修3-4》有过介绍，又因为这个定律是根据光的波动概念导出的，所以同样适用于地震波的传播过程）做出猜想，假定由浅源地震震源发出的其中某一条能最终且最先到达观测站的射线为入射光线，地球内部是不均匀的介质，便将其看做是无数层不同折射率的介质的组合体，那么由折射定律不难发现，由上向下（趋势）的过程中，入射角小于折射角，由下向上（趋势）的过程中，入射角大于折射角。

所以，笔者得出如图4的模型：

图5　远震区地震波传播原理示意图·笔者猜想

于是根据这样的传播路径，便能够更加贴近现实的反应地震波在地球内部的传播过程。探讨至今，便能得出大致结论：地震来临时，近震区的建筑先上下震动后左右晃动。而在远震区，则要复杂的多：①若不考虑纵波在地壳中发生反射和折射后纵波较横波能量衰减的快，或到达观测站时纵波的能量足够大，那么引起建筑物的震动状况便是先上下后左右（当然震动方向与当地水平方向和竖直方向可能存在着某一夹角，但人体感觉到的大致方向为先上下后左右）；②在远震区，由于地壳中纵波和横波发生反射和折射后，纵波能量衰减的快，人体往往感觉不到上下震动，所以说当地的观测站

先感觉到的应该是左右震动；③若考虑横波无法在古登堡面下传播的话，也存在着只引起建筑物上下震动的情况（理想状态下）。

现在反观当初物理组与地理组之间的争论，或许不难发现，在地理教学中，由于偏重文科色彩，强调文科思维，记背为主，浅度分析为辅，所以就造成了很难从理科面思维角度去看待这一问题，再者，地理学科多从实际出发，讨论有价值的内容与问题，很显然在本次探讨中，近震区的震动模式具有一定程度上的预警作用，而远震区的震动模式便少有价值；而物理组提出的三个模型都存在着一定的客观问题，或许物理教学只是将其作为一种模板、一种工具，用理工科的思维进行具体化、侧重于量度化，多方面探讨问题，培养论证的严密性，多种可能性，提高学生的严谨能力。所以正是由于地理教学、物理教学和本身态度的偏向性、侧重点的不同，才造成这次激烈的谈论。

注：由于地震波的传播极为复杂，本文只局限于中学物理、地理关于地震波传播教学上的探讨方向之一，只是起到教学警示作用。

致谢：笔者在创作过程中得到浙江省象山中学高一地理组、高三物理组各位教师；南京地质博物馆（官方微博）提供技术帮助与疑惑解答，特此感谢！

（责任编校：李文田）