摘要:近几年来,地震灾害频繁,对人类社会危害很大,在校园内利用第二课堂进行科普宣传,从物理学角度解释和分析地震,学生既扩大知识视野又增强防震自救意识。
关键词:物理学;地震;灾害;前兆;自救
中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6148(2010)7(S)-0056-3
2008年5月12日北京时间14时28分04秒,中国大地上灾难降临,地球表面北纬30.95度,东经103.40度的四川省汶川县境内,地球内部的力量开始横行肆虐,随之而来的是山摇地动,塌陷崩裂,建筑物被摧毁,人员有巨大伤亡。在进入2010年,4月14日北京时间07时49分,灾难又降,我国青海省玉树县又发生了7.1级地震……。为此,我们物理教师应该撩开地震灾害的神秘面纱,以便寻找对策。
1 地震形成中的物理学观点
物理学认为世间万物都是运动的,有些物体的静止是相对的,生活在地球上的人们感到自己的住所是静止的,然而貌似静止的住所却要随着地球绕地轴做自转运动,还要绕着太阳做公转运动(开普勒三大定律就很好的解释了这种运动的规律)。地球的地壳之下充满高温高压的熔岩。貌似静止的地壳内还存在着地球板块的运动,地球板块的运动变化是多种多样的,这些板块相互分离,碰撞,挤压,伴随着相互摩擦而将动能转化为内能,并寻找机会进行释放。板块边界往往是地震、火山活动的活跃地带。由于地球板块的不断运动和变化,地壳的某些脆弱地带出现岩层突然断裂和扭转断裂,或者引发原有断层进行错位,地球自转速度的变化,导致地壳不同部分受力不均衡,而出现挤压、拉伸、扭转等,引起地壳某些部位出现瓦解、崩裂,断裂处断裂时的运动,错位处错位时的搔动、崩裂处崩裂时的扰动等,形成地震的震源,振动从振源发出在地球中向各个方向传播,从而形成地震,简单的说:地震就是地壳某些部分的快速颤动,通过地震释放地球内部聚集的巨大能量,使地球内部获得新的暂时平衡。根据地震本身的大小等级,有地震震级之称,震级与震源释放的能量大小有关。
大地震动是地震最直观、最普遍的表现,在海底或海滨地区发生的强烈地震,能引起巨大的海浪,又称为海啸。地震极其频繁,2008年5月12日四川大震以来,我国又发生的较强地震已超过100次。全球每年发生的地震约300万次,对人们的生命财产造成巨大的损失,对人类社会有很大的影响。根据地震所造成的破坏程度又有地震烈度之称,破坏程度越大地震烈度越大。
2 地震传播中的物理学浅说
地球这个大球体,由外至内分为地壳、地幔、地核三个构成部分,地震时来自地下震源的纵波(振动方向与传播方向相同的波叫纵波)引起地面上下起伏振动,来自地下震源的横波(振动方向与传播方向互相垂直的波叫横波)能引起地面前后左右的水平摇摆晃动,横波的破坏性较强,是造成建筑物破坏的主要原因。
由于纵波在地球内部的传播速度(每秒5.5千米至7.0千米)大于横波在地球内部的传播速度(每秒3.2千米至4.0千米)所以地震发生时总是纵波先到达地面,横波后到达地面,因此发生较大地震时,人们常常首先感到地面或建筑物上下起伏颤动,过数秒到十几秒后才感到有很强的前后、左右的水平晃动。这一点十分重要,这是地震纵波告诉我们破坏性较大的地震横波马上就要到了,赶快作好紧急防备,不能迟缓。
地球内部引起地震的地方叫震源。从震源垂直向上到地球表面的距离叫震源深度。把震源深度在60公里以内的地震称浅源地震,震源深度在60公里至300公里范围的称中源地震,震源深度在300公里以下的称深源地震,目前有记录的深源地震的最大深度为720公里。
震源上方正对着的地面称为震中。震源的振动首先传播到震中,故震中是地面上最早开始振动的部位,震中及其附近的地方称为震中区或称极震区。震中把接受到的振动很快的主要以横波的形式迅速向震中区扩散传播,故震中区不同地点的人几乎同时感到地震。
震中到地面上任何一点距离叫震中距离,简称震中距。震中距在100公里以内的称为地方震,在1000公里以内的称为近震,在1000公里以外的称为远震,震中把获得的振动能量向周围扩散传播时,振动要衰减,即振动能量要损耗。故地面震感强度随地方震、近震、远震而逐步变小。
3 地震发生中的物理学问题
由震源发出的地震波(纵波与横波),以地球内部各种物质为媒介,同时向各个方向立体发散快速传播扩散。
题1 某地居民在一次地震中先感到上下颠簸,其后10s钟又开始左右摇晃,已知纵波传播速度是5km/s,横波传播速度是3 km/s,问该地距震源有多远。
设纵波从震源到该地所用时间为t1横波从震源到该地所用时间为t2,震源到该地的距离为S。
由题意有:5km/s×t1=3km/s×t2①
t2-t1=10s②
得:t1=15s,t2=25s
解得S=3km/s×15s=75km或S=3km/s×25s=75km
地震发生时同一地方的建筑物有的振幅较大,有的振幅较小,这种现象是共振现象。因为每种物体都有自己的固有振动频率,这个频率由它的长度、形状、材料等决定,建筑物也有它的固有振动频率,当地震来临时,如果某个建筑物的固有频率碰巧接近或相同于这次地震波的频率,那么它的振幅就较大,振动就最为强烈,即发生了共振。
题2 某钢混建筑物的固有频率与其高度的平方成正比,比例系数为0.5,某次地震波的频率为50H2,那么何种高度的钢混建筑物振动最厉害?
设钢混建筑物的高度为H物、频率为f物、某次地震频率为f震,有f物=0.5h2,当f震=f物时,即50=0.5h2时钢混建筑物振动最厉害。解得H物=10m。
地震震中在海洋里时会引起不同程度的海啸,海啸时的海浪(横波)给沿海地区的人们造成各种破坏,有时是灭绝性的损毁。
题3 在二十一世纪太平洋发生的一次海啸中海浪的速度达到800km/h,海面振动的周期是12分钟,求海浪的波长。
设海浪的波长为入,知海浪的波速v=800km/h=8000m/36s,横波的周期T=121min=12×60s
解得λ=vt=8000m/36s×12×60s=1.6×105m
4 地震原因的物理学分类
地震产生中或爆发时往往伴有很多物理过程及物理现象,引起地震的原因很多,根据地震的形成原因可分为以下几种;
4.1 构造地震
由于地下深处的岩层错动、扭曲、迁移摩擦所引起的地震称为构造地震。这类地震发生的次数最多、破坏力最大,约占全世界地震总次数的90%以上,我国西部地区也是构造地震的多发区。
4.2 火山地震
由于地下部分的岩浆活动或喷发、气体膨胀或爆炸等引起的地震称为火山地震。只有在火山活动区才可能发生火山地震,这类地震只占全世界地震总数的7%左右,我国尚未听说有火山地震的活动区。
4.3 塌陷地震
由于地下岩洞或矿井顶部塌陷而引起的地震称为塌陷地震,这类地震的破坏程度较小,次数也很少,即使发生,也往往是在溶洞密布的石灰岩地区或大规模地下开采的各种矿区。
4.4 诱发地震
由于水库蓄水、湖泊增水、油田注水或矿井注水等人为活动引发的地震称为诱发地震,这类地震仅仅发生在某些特定的水库库区或油田或矿井地区。我国也有诱发地震的记录。
4.5 人工地震
由于地下核试验爆炸,地下核泄漏爆炸,地下炸药爆破,地下工业爆破等人为作用引发的地震。
开山取石、钻洞打孔时的爆破所引起的地面振动,重型车辆、列车行驶时引起的地面振动,暂不列入地震分类。
5 物理教师的责任[1-2]
兼做地震测报工作,适时也做些地震科普宣传,故常有人问“我地区何时有地震,若有地震请提前告知,以便及时逃命”。面对这样的问题,笔者无法直接回答,只能告诉他们:“我地区暂无地震,没必要惊慌惧怕,校园内的壁报栏内有防震减灾的科普知识,你们看了也许会找到答案”。事实上地震预测依然是世界难题,我们不得不承认,今天人类对地震之源的认识,即对大地深处的秘密的认识仍然很少,至今人类探地的最深点不过12千米,而地球的半径是6.4×103Km ,如果把地球比作乒乓球,那么我们连乒乓球壳还没有钻透呢。
目前我们的防震抗震工作只能是经常监测,留心观察,注意有无地震前兆或有无地震前的异常现象。最重要的方法还是把建筑物修得结实些。平时留意学习、收集防震、抗震的科普知识,提前做些地震时的避难逃生演练,熟悉避难逃生的方法技巧,当真有大地震来临时才能临震不乱,想方设法保住师生们珍贵的生命。
参考文献:
[1]赵林轩.地震(Earthquakes)的多媒体教学.物理教学探讨.2008(6):5255
[2](中国地震局网址)
(栏目编辑 王柏庐)