第一章-結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)-第三課時(shí)-結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析

第一章結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)第三課時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析

第一章

結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

第三課時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析

【學(xué)習(xí)目標(biāo)】

1、

【課程導(dǎo)入】

我們

【學(xué)習(xí)過(guò)程】

一、教師：前一節(jié)課我們學(xué)習(xí)了結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)有了初步的認(rèn)識(shí)。大家知道結(jié)構(gòu)是無(wú)處不在的，（觀看幻燈片）注意觀察這些結(jié)構(gòu)，請(qǐng)同學(xué)回憶什么是結(jié)構(gòu)？

學(xué)生發(fā)言：結(jié)構(gòu)是指事物的各個(gè)組成部分之間的有序搭配和排列。

學(xué)生發(fā)言：從力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)是指可以承受一定力的架構(gòu)形態(tài)，它可以抵抗能引起形狀和大小改變的力。

教師：（觀看幻燈片）來(lái)看一下這些圖片，在日常生活中，我們時(shí)常會(huì)看到翻到在地的物體。是什么原因出現(xiàn)了圖上所示的現(xiàn)象？

學(xué)生發(fā)言：這些物體失去了平衡。

教師：在臺(tái)風(fēng)來(lái)之前它是穩(wěn)定的！是什么原因出現(xiàn)了不平衡狀態(tài)？

學(xué)生發(fā)言：是臺(tái)風(fēng)把它們吹倒了！

[引出問(wèn)題]：那到底什么樣的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，什么樣的結(jié)構(gòu)又是不穩(wěn)定的？

第二節(jié)

穩(wěn)固結(jié)構(gòu)的探析

二）、新課內(nèi)容：

結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是指結(jié)構(gòu)在負(fù)載的作用下，維持原有平衡狀態(tài)的能力。

臺(tái)風(fēng)過(guò)后，部分結(jié)構(gòu)卻完好無(wú)損，這又說(shuō)明，有的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

想一想：

結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與什么因素有關(guān)？

填表說(shuō)明下表中的物體有可能因受哪些力的作用而出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，并根據(jù)你的生活經(jīng)驗(yàn)，簡(jiǎn)要說(shuō)明原因。（P012）

物體

受到的外力

不穩(wěn)定的主要因素

廣告牌

重力、風(fēng)力

底座小、重心高、受風(fēng)面積大

落地?zé)?/p>

重力、撞擊力

底座小、重心高

底小口大的空竹簍

重力、撞擊力

底座小、重心高

（一）影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素：

[實(shí)驗(yàn)探究1]：

學(xué)生拿一本書(shū)，讓它直立在桌面上，它馬上傾倒了，顯然，其穩(wěn)定性不好。

同樣的一本書(shū)，把它的下端各書(shū)頁(yè)展開(kāi)一定的角度，仍舊將它直立在桌面上，它就能很好的挺立住。

因素一：支撐面積的大小

1.

穩(wěn)定性與支撐面積的大小有關(guān)

支撐面越大越穩(wěn)定，越小越不穩(wěn)定。

A.落地電風(fēng)扇或者賓館里的落地?zé)?，它們都有一個(gè)比較大的底座。

[引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論]：結(jié)構(gòu)的底座，結(jié)構(gòu)與地面接觸所形成的

B：為什么大壩的橫截面總是建成梯形？

生：思考回答

師：大壩需要承受很大的力的作用，如自身的重力，水的沖擊力、壓力等等，要起到防洪的作用，大壩必須要求非常穩(wěn)固。大壩建成梯形，增大了與地面接觸所形成的支撐面，支撐面越大越堅(jiān)實(shí)，穩(wěn)定性就越好。

c.為什么許多課桌椅的支撐腳要做成往外傾斜？

生：思考回答

師：這是為了進(jìn)一步增大與地面接觸所形成的支撐面積，增加穩(wěn)定性。從而引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與支撐面積大小有關(guān)。

注意：支撐面≠接觸面。（接觸面是物體與地面接觸形成的面。支撐面是物體與地面接觸形成支撐點(diǎn)的連線與地面構(gòu)成的面。）

[實(shí)驗(yàn)探究2]：顯示落地扇的圖片

師：落地扇為什么不易傾倒？

生：思考回答

師：落地扇的底座采用較重的材料，風(fēng)扇比底座輕很多，使落地扇的重心降低。

因素二：重心位置

2．結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與重心位置有關(guān)。

物體重心越低，越穩(wěn)定。

A.不倒翁為什么不倒？如果在它脖子上掛上一定數(shù)量的鐵環(huán)，它還會(huì)不倒嗎？

師：研究不倒翁的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)不倒翁的重心很低，就在它與地面的接觸點(diǎn)上，所以不倒，如果往它的脖子掛上鐵環(huán)，它的重心位置升高了，當(dāng)鐵環(huán)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，不倒翁就不在是不倒翁了。

[引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論]：重心的高低影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。重心越低,穩(wěn)定性越好;重心越高,穩(wěn)定性越差。

B.以前的農(nóng)作物個(gè)子高，遭遇暴風(fēng)驟雨容易傾覆，造成減產(chǎn)；現(xiàn)在的農(nóng)作物普遍個(gè)子矮。就是利用了重心低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的原理。

c.屏幕顯示比薩斜塔的圖片，比薩斜塔為什么不倒塌？（簡(jiǎn)單介紹比薩斜塔。）

比薩斜塔其實(shí)是比薩教堂的一部份，整座教堂建筑分為主教堂、洗禮堂與鐘樓三大部份。主教堂采用了拉丁十字架式，有些設(shè)計(jì)高雅別致的柱子作裝飾；教堂的正面是洗禮堂，緊接著教堂而興建；在后方有一羅馬式的建筑，其圓頂部份是在百多年后才興建的，采歌德式的設(shè)計(jì)，像是一個(gè)圓球上的圓錐體，十分獨(dú)特。

據(jù)說(shuō)，大約在10紀(jì)，比薩王國(guó)打了一次勝仗，掠獲了大批財(cái)寶。為了炫耀功績(jī)，大公決定建筑一座大教堂，在教堂旁邊修一個(gè)鐘塔。鐘塔建到三層時(shí)就發(fā)現(xiàn)向南傾斜，被迫停工。94年之后，比薩人建塔之心不死，找來(lái)著名工程師皮薩諾反復(fù)測(cè)量，證實(shí)此塔雖斜，但無(wú)倒塌之虞；便又繼續(xù)修建并把每層南面的柱子略微加高一點(diǎn)。比薩斜塔離大教堂20多米，本是大教堂的鐘樓，外觀呈圓柱形，是由白色大理石砌成。

據(jù)說(shuō)比薩斜塔是用比薩艦隊(duì)運(yùn)來(lái)的六艘戰(zhàn)利品建成的。根據(jù)塔基上的碑文記載，它從1174年始建，1350年竣工，經(jīng)歷了176年。但由于塔身過(guò)重，地質(zhì)松軟，因此塔身仍以每年1．25毫米的速度向南傾斜。到1999年1月，塔頂比中軸線偏斜已達(dá)4．8米。意大利當(dāng)局為了拯救斜塔，已向全世界廣泛征求保護(hù)方案，同時(shí)在塔的北側(cè)加壓了830噸的鉛塊，并在塔身的三分之一處加了一圈銅纜，向北牽拉固定。不過(guò)斜有斜的好處，每天為“斜”而來(lái)的參觀者多達(dá)10余萬(wàn)人，扔下大把大把的銀子。如果它是一座正塔，比薩就不會(huì)有今天的風(fēng)光，也就不會(huì)有這么多便宜可占了。

比薩斜塔高54.5米，直徑16米，重約1.4萬(wàn)噸。斜塔共有八層，除底層和頂層有所不同外，其余六層結(jié)構(gòu)完全一樣。斜塔底層有15根圓柱，中間六層各有31根圓柱，頂層12根。沿石柱有寬4米的環(huán)行走道。斜塔每層都有拱門(mén)，總共有213個(gè)，斜塔底層墻壁上刻有浮雕，頂層有鐘亭。塔內(nèi)有螺旋臺(tái)階294級(jí)，供游人登塔，遠(yuǎn)眺全城風(fēng)光。

比薩斜塔是世界建筑史上的一大奇跡。由于塔身壓力過(guò)重和地質(zhì)松軟，南面的地基比北面約低2米。在施工期間塔身既出現(xiàn)輕微傾斜，隨著工程的進(jìn)度，傾斜度不斷增加。到塔身建到第三層時(shí)，可明顯看出傾斜，曾一度停工。一百多年以后，經(jīng)工程師托馬索·皮薩諾精心測(cè)量和計(jì)算，證明比薩斜塔雖傾斜，但不會(huì)倒塌，使工程繼續(xù)按原設(shè)計(jì)繼續(xù)施工，直到竣工。

比薩斜塔位于意大利中部比薩古城內(nèi)的教堂廣場(chǎng)上，是一組古羅馬建筑群中的鐘樓，這座堪稱(chēng)世界建筑史奇跡的斜塔，不僅以它“斜而不倒”聞名天下，還因?yàn)?590年，意大利的偉大科學(xué)家伽俐略，曾在斜塔的頂層做過(guò)自由落體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，讓兩個(gè)重量相差10倍的鐵球，同時(shí)從塔頂落下，結(jié)果，兩球同時(shí)著地，一舉推翻了束縛人們思想近XX年的希臘著名學(xué)者亞里士多德關(guān)于重量不同的物體其下落的速度也不相同的“物體下落速度與重量成正比”的理論。伽俐略開(kāi)創(chuàng)了實(shí)驗(yàn)物理的新時(shí)代，被人們稱(chēng)為“近代科學(xué)之父”，而他用來(lái)做實(shí)驗(yàn)的斜塔也因而更加遐邇聞名。

通過(guò)分析長(zhǎng)方體重心的垂線位置與穩(wěn)定性示意圖，使學(xué)生容易理解，比薩斜塔不倒的原因是它的重心所在點(diǎn)的垂線落在塔的底面的范圍內(nèi)。當(dāng)塔傾斜到一定程度，重心的垂線不再落在塔的底面時(shí)，塔就會(huì)傾倒。

[引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論]：結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與重心位置有關(guān)。

結(jié)構(gòu)重心的位置：結(jié)構(gòu)重心所在點(diǎn)的垂線是否落在結(jié)構(gòu)底面的范圍內(nèi)，落在就是穩(wěn)定的，沒(méi)有就是不穩(wěn)定的。

例如：一摞書(shū)，整齊放置時(shí)的穩(wěn)如泰山；另一種放法：每本都往一邊慢慢往外放置，到一定程度時(shí)一摞書(shū)就全倒了。

小資料（中國(guó)的斜塔）：遼寧瑞州古塔，現(xiàn)存塔身高10米，塔身向東北方向傾斜12度，塔尖水平位移1.7米。該塔建成之后雖幾經(jīng)地震與洪水破壞，卻始終斜而不倒，堪稱(chēng)奇跡。

3、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與它的幾何形狀有關(guān)。

A、A字形梯為什么載人時(shí)能夠保持穩(wěn)定？如果沒(méi)有梯子中間的

生：思考回答

師：一般情況下，梯子打開(kāi)的時(shí)候，梯面與地面組成三角形，梯子本身就能站得穩(wěn)。當(dāng)連接兩個(gè)梯面的橫桿拉直時(shí)，兩個(gè)梯面的上半部分就與橫桿構(gòu)成了穩(wěn)定的三角形，這就進(jìn)一步加強(qiáng)了梯子的穩(wěn)定性，保證梯子能承受人體的壓力。如果沒(méi)有梯子中間的拉桿，載人時(shí)就不能保持穩(wěn)定。

B、照相機(jī)的支撐架為什么常使用三腳架而不用其他形狀？

生：思考回答

師：分析，因?yàn)槿侵Ъ芘c地面有三個(gè)接觸點(diǎn)，形成的三角形結(jié)構(gòu)使照相機(jī)的支撐架更容易穩(wěn)定。

師：通過(guò)上面的分析，我們知道，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與它的幾何形狀有關(guān)。

補(bǔ)充（三角形穩(wěn)定性的應(yīng)用）：建筑中廣泛運(yùn)用了三角形的穩(wěn)定性。房子、橋梁的桁架大多都是由多個(gè)三角形構(gòu)成的；鋼架結(jié)構(gòu)的十字梁同樣是運(yùn)用這一原理，在四邊形的框架中用兩條桿件作對(duì)角線，形成多個(gè)三角形，既節(jié)省了材料，減輕了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，又有效地加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。十字鋼梁也是建筑中常用的構(gòu)件，如在高壓輸電的鐵塔、懸索橋的塔架，以及摩天大樓鋼架結(jié)構(gòu)中都被普遍地采用。

[案例分析]：靜止?fàn)顟B(tài)的單車(chē)如何保持穩(wěn)定（課本：P14）

（2）單腿支撐

探究

1.調(diào)整單腳支撐位置，研究何時(shí)最易倒下，何時(shí)最平衡？自行車(chē)騎起來(lái)時(shí)，只有兩個(gè)支撐點(diǎn)，為什么不會(huì)倒下呢？

[試驗(yàn)]：學(xué)生騎自行車(chē)

[教師講述]：在靜止情況下，自行車(chē)本身不能自我平衡，需要加一支撐腳。當(dāng)由騎車(chē)人和自行車(chē)構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)起來(lái)之后，騎車(chē)人為系統(tǒng)注入動(dòng)力，從而在自行車(chē)前進(jìn)的時(shí)候，通過(guò)人的不斷調(diào)節(jié)，自行車(chē)和騎車(chē)人與地面垂直，使自行車(chē)的重心落在車(chē)輪與地面接觸的面積內(nèi)。因此，在沒(méi)有明顯的外力干涉時(shí)，這一動(dòng)態(tài)系統(tǒng)能夠表現(xiàn)出一種穩(wěn)定。

2.走鋼絲的人為什么要拿一條長(zhǎng)棒？

注意:運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下與靜止?fàn)顟B(tài)下物體的穩(wěn)定條件有所不同。

這個(gè)謎，直到本世紀(jì)八十年代初才解開(kāi)。一位美國(guó)的物理系研究生，通過(guò)電腦進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，終于從理論上解決了。問(wèn)題就出在旋轉(zhuǎn)速度和摩擦上了。陀螺在旋轉(zhuǎn)起來(lái)時(shí)，支持點(diǎn)周?chē)膊幻馀c支持面（桌面）產(chǎn)生摩擦，而這種旋轉(zhuǎn)的物體總是使運(yùn)動(dòng)趨向于摩擦更小的狀態(tài)。當(dāng)陀螺搖搖晃晃地立起來(lái)，終于使一個(gè)尖端著地時(shí)，就逐漸達(dá)到了支持點(diǎn)面積最小，穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，水平的能量轉(zhuǎn)化成為繞對(duì)稱(chēng)軸旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作。當(dāng)然，由于摩擦，它的轉(zhuǎn)速又會(huì)慢慢減小。然后開(kāi)始搖晃，最后，倒下來(lái)，因?yàn)檫@時(shí)它要趨向重心更低，更穩(wěn)定的狀態(tài)。

馬上行動(dòng)：摩托車(chē)的支撐架（課本：P14）

[教師總結(jié)]：運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下與靜止?fàn)顟B(tài)下物體的穩(wěn)定條件有所不同。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，一方面人們利用穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)抵抗外力、承受負(fù)載，另一方面又利用不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)某些功能。

拓展：不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)應(yīng)用

學(xué)生舉例：如移動(dòng)門(mén)、折疊椅等等。

１.倒置的啤酒瓶可以預(yù)報(bào)地震。

２.在打水的桶口邊掛一重物，在水面時(shí)能自動(dòng)翻倒打水。

[學(xué)生快速閱讀案例]：

虎丘是蘇州兩千五百倉(cāng)桑的見(jiàn)證。高高聳立在山頂?shù)幕⑶鹚呀?jīng)成了蘇州的標(biāo)志。

虎丘斜塔日益著名，并且因?yàn)樗蛥峭跄箵渌访噪x的關(guān)系令科學(xué)家和游客興致倍增。

到了公元1512年，唐伯虎、王鏊等人因池水干涸，發(fā)現(xiàn)墓門(mén)，留下石刻。1955年人民政府清理劍池時(shí)確時(shí)找到了一條長(zhǎng)約10米的石胡同，盡頭呈喇叭狀，容四人并立，并有一橫三豎四塊青石琢成的長(zhǎng)方形石板，顯然均為人工所為。根據(jù)墓門(mén)的形制和朝向，完全符合春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的墓制。因此推測(cè)可能為吳王墓。但因墓恰巧在塔底下，且規(guī)模宏大，一旦開(kāi)挖必影響塔，因而作罷，未打開(kāi)墓門(mén)，留下千古之謎?，F(xiàn)在的情況是虎丘后山為土堆砌，前山為巨石，因而推測(cè)后山為人工所堆。如果是這樣，就和虎丘塔的傾斜有關(guān)。因?yàn)榈鼗焕?，?000噸的塔便傾向土堆的一邊。所以，我們不妨認(rèn)為，是吳王墓的建造引起了虎丘塔的傾斜，

而虎丘塔的傾斜又保護(hù)了底下的吳王墓，使之不能開(kāi)挖，成了一只真正保護(hù)吳王墓的白虎。就就是塔與墓兩個(gè)重要古跡之間的關(guān)系。

虎丘塔是全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位?；⑶鹚?7.7米，比意大利比薩斜塔矮6米；塔尖偏離中心2.34米，是比薩塔的一半；虎丘塔建于961年，比比薩塔早完工390年。請(qǐng)大家注意右側(cè)塔身呈弧型曲線。因此，由此推測(cè)，和意大利比薩塔

一樣，虎丘塔在建塔時(shí)就開(kāi)始傾斜。最后一層塔似乎偏向左邊，這是因?yàn)?638年遭雷擊失火燒毀，重建時(shí)為改變重心、糾正傾斜的結(jié)果。

我們知道，與虎丘塔同期的杭州雷峰塔在三十年代倒塌。到五十年代，虎丘塔岌岌可危，不僅傾斜嚴(yán)重，而且周身裂縫遍布，最寬處達(dá)80厘米。1956年采用鐵箍噴漿法，如箍桶一般，每層塔內(nèi)用鋼筋箍起來(lái)，地基灌澆水泥，有效地消除了裂縫。關(guān)于56年修塔，有一段有趣的歷史。當(dāng)年開(kāi)會(huì)討論修塔方案時(shí)，有一老工人坐在墻角微微地笑，主持會(huì)議的人見(jiàn)他胸有成竹的樣子，便請(qǐng)他發(fā)言。老工人再三推辭后，終于提出了箍桶匠修桶的原理和方案，引起全場(chǎng)哄堂大笑。此事便擱淺。不久，來(lái)了一位蘇聯(lián)專(zhuān)家?？赐昊⑶鹚律铰飞?，陪同人員講了上面這段故事，蘇聯(lián)專(zhuān)家十分感興趣，重又上山，于是外國(guó)專(zhuān)家發(fā)的話，便開(kāi)始具體制定修塔方案。

1981年開(kāi)始用五年時(shí)間加固地基。在塔基下人工打44個(gè)孔，灌鋼筋水泥，在44個(gè)樁下做水泥殼體，地下防水，更換部分磚體，制止了塔身的繼續(xù)傾斜。

[學(xué)生分組討論]：為什么傾斜而不倒塌？（其重心向地面引垂線仍舊落在底座范圍內(nèi)）

補(bǔ)充：比薩斜塔

[練習(xí)]:

在擁擠的公共汽車(chē)上已沒(méi)有座位，你必須站著，而扶手你讓給了旁邊的老人，你在公共汽車(chē)上要如何才能保持自己的沒(méi)摔倒？

人的身體的穩(wěn)定性取決于支撐面的大小和人體姿勢(shì)重心的高低，在一定范圍內(nèi)，兩腳分得越開(kāi)，則重心越低，支撐面變大，越穩(wěn)定！

貨物應(yīng)盡量放在船艙里還是甲板上？為什么？

在我國(guó)四川的廣漢三星堆出土的器具有許多都是尖底的。怎么擺放才穩(wěn)定呢？

P023頁(yè)第1題

教師