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1、第一章 結(jié)構(gòu)與設(shè)計 第三課時 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析 第一 結(jié)構(gòu)與設(shè)計 第三時 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1、 【程導(dǎo)入】 我們 【學(xué)習(xí)過程】 一、教師：前一節(jié)我們學(xué)習(xí)了結(jié)構(gòu)的基本知識，對結(jié)構(gòu)有了初步的認(rèn)識。大家知道結(jié)構(gòu)是無處不在的，（觀看幻燈片）注意觀察這些結(jié)構(gòu)，請同學(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)角度說，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）看一下這些圖片，在日常生活中，我們時常會看到翻到在地的物體。是

2、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：在臺風(fēng)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：是臺風(fēng)把它們吹倒了！ [引出問題]：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。 臺風(fēng)過后，部分結(jié)構(gòu)卻完好無損，這又說明，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

3、的生活經(jīng)驗(yàn)，簡要說明原因。（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)? 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，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，把它

4、的下端各書頁展開一定的角度，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，支撐面越大越堅實(shí)，穩(wěn)定性就越好。

5、 為什么許多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

6、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，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)作物普遍個子矮。就是利用了重心低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的原理。 屏幕顯示比薩斜塔的圖片，比薩斜塔為什么不倒塌？（簡單介紹比薩斜塔。） 比薩斜塔(apanile di Pisa)其實(shí)是比薩教堂(Du

7、)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，像是一個圓球上的圓錐體，十分獨(dú)特。 據(jù)說，大約在10紀(jì)，比薩王國打了一次勝仗，掠獲了大批財寶。為了炫耀功績，大公決定建筑一座大教堂，在教堂旁邊修一個鐘塔。鐘塔建到三層時就發(fā)現(xiàn)向南傾斜，被迫停工。94年之后，比薩人建塔之心不死，找著名工程師皮薩諾反復(fù)測量，證實(shí)此塔雖斜，但無倒塌之虞；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

8、，外觀呈圓柱形，是由白色大理石砌成。 據(jù)說比薩斜塔是用比薩艦隊運(yùn)的六艘戰(zhàn)利品建成的。根據(jù)塔基上的碑記載，它從1174年始建，130年竣工，經(jīng)歷了176年。但由于塔身過重，地質(zhì)松軟，因此塔身仍以每年1．2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。不過斜有斜的好處，每天為“斜”而的參觀者多達(dá)10余萬人，扔下大把大把的銀子。如果它是一座正塔，比薩就不會有今天的風(fēng)光，也就不會有這么多便宜可占了。 比薩斜塔高4米，直徑16米，重約1

9、4萬噸。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1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，總共有213個，斜塔底層墻壁上刻有浮雕，頂層有鐘亭。塔內(nèi)有螺旋臺階294級，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，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·皮薩諾精心測量和計算，證明比薩斜塔雖傾斜，但不會倒塌，使工程繼續(xù)按原設(shè)計繼續(xù)施工，直到竣工。

10、 比薩斜塔位于意大利中部比薩古城內(nèi)的教堂廣場上，是一組古羅馬建筑群中的鐘樓，這座堪稱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)?90年，意大利的偉大科學(xué)家伽俐略，曾在斜塔的頂層做過自由落體運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)，讓兩個重量相差10倍的鐵球，同時從塔頂落下，結(jié)果，兩球同時著地，一舉推翻了束縛人們思想近2000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。伽俐略開創(chuàng)了實(shí)驗(yàn)物理的新時代，被人們稱為“近代科學(xué)之父”，而他用做實(shí)驗(yàn)的斜塔也因而更加遐邇聞名。 通過分析長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

11、，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，塔就會傾倒。 [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，沒有就是不穩(wěn)定的。 例如：一摞書，整齊放置時的穩(wěn)如泰；另一種放法：每本都往一邊慢慢往外放置，到一定程度時一摞書就全倒了。 小資料（中國的斜塔）：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17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，堪稱奇跡。 3、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與它的幾何形

12、狀有關(guān)。 A、A字形梯為什么載人時能夠保持穩(wěn)定？如果沒有梯子中間的 生：思考回答 師：一般情況下，梯子打開的時候，梯面與地面組成三角形，梯子本身就能站得穩(wěn)。當(dāng)連接兩個梯面的橫桿拉直時，兩個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。如果沒有梯子中間的拉桿，載人時就不能保持穩(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：通過上面的分析，我們知道，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與

13、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作對角線，形成多個三角形，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)，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)的單車如何保持穩(wěn)定（本：P14） （2）單腿支撐 探究 1調(diào)整單腳支撐位置，研究何時最易倒下，何時最平衡？自行車騎起時，只有兩個支撐點(diǎn)，為什么不會

14、倒下呢？ [試驗(yàn) ]：學(xué)生騎自行車 [教師講述]：在靜止情況下，自行車本身不能自我平衡，需要加一支撐腳。當(dāng)由騎車人和自行車構(gòu)成一個系統(tǒng)時，系統(tǒng)動起之后，騎車人為系統(tǒng)注入動力，從而在自行車前進(jìn)的時候，通過人的不斷調(diào)節(jié)，自行車和騎車人與地面垂直，使自行車的重心落在車輪與地面接觸的面積內(nèi)。因此，在沒有明顯的外力干涉時，這一動態(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棒？ 注意:運(yùn)動狀態(tài)下與靜止?fàn)顟B(tài)下物體的穩(wěn)定條有所不同。 這個謎，直到本世紀(jì)八十年代初才解開。一位美國的物理系研究生，通過電腦進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，終于從理論上解決了。問題

15、就出在旋轉(zhuǎn)速度和摩擦上了。陀螺在旋轉(zhuǎn)起時，支持點(diǎn)周圍也不免與支持面（桌面）產(chǎn)生摩擦，而這種旋轉(zhuǎn)的物體總是使運(yùn)動趨向于摩擦更小的狀態(tài)。當(dāng)陀螺搖搖晃晃地立起，終于使一個尖端著地時，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)化成為繞對稱軸旋轉(zhuǎn)的動作。當(dāng)然，由于摩擦，它的轉(zhuǎn)速又會慢慢減小。然后開始搖晃，最后，倒下，因?yàn)檫@時它要趨向重心更低，更穩(wěn)定的狀態(tài)。(陀螺效應(yīng)：凡是高速旋轉(zhuǎn)的物體，都有一種使轉(zhuǎn)動軸保持不變的能力，這種能力使得陀螺即使在不平的支持面上轉(zhuǎn)動也不會倒下。教師演示滾動的硬幣不倒，轉(zhuǎn)動的陀螺不倒的演示試驗(yàn)。所以一旦自行車運(yùn)動起后，轉(zhuǎn)動的車輪也具備這種能力，這種能力使得自行車即使

16、發(fā)生了傾斜，也能自動地把自行車調(diào)整過，這就是自行車不倒的原因。) 馬上行動：摩托車的支撐架（本：P14） [教師總結(jié)]：運(yùn)動狀態(tài)下與靜止?fàn)顟B(tài)下物體的穩(wěn)定條有所不同。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：如移動門、折疊椅等等。 １倒置的啤酒瓶可以預(yù)報地震。 ２在打水的桶口邊掛一重物，在水面時能自動翻倒打水。 [學(xué)生快速閱讀案例]： 　　虎丘是蘇州兩千五百倉桑的見證。高高聳立在頂?shù)幕⑶鹚呀?jīng)成了蘇州的標(biāo)志。

17、 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112年，唐伯虎、王鏊等人因池水干涸，發(fā)現(xiàn)墓門，留下石刻。19年人民政府清理劍池時確時找到了一條長約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方形石板，顯然均為人工所為。根據(jù)墓門的形制和朝向，完全符合春秋戰(zhàn)國時期的墓制。因此推測可能為吳王墓。但因墓恰巧在塔底下，且規(guī)模宏大，一旦開挖必影響塔，因而作罷，未打開墓門，留下千古之謎?，F(xiàn)在的情況是虎丘后為土堆砌，前為巨石，因而推測后為人工所堆。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

18、，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，使之不能開挖，成了一只真正保護(hù)吳王墓的白虎。就就是塔與墓兩個重要古跡之間的關(guān)系。 虎丘塔是全國重點(diǎn)物保護(hù)單位?；⑶鹚?77米，比意大利比薩斜塔矮6米；塔尖偏離中心234米，是比薩塔的一半；虎丘塔建于961年，比比薩塔早完工390年。請大家注意右側(cè)塔身呈弧型曲線。因此，由此推測，和意大利比薩塔 一樣，虎丘塔在建塔時就開始傾斜。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

19、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。196年采用鐵箍噴漿法，如箍桶一般，每層塔內(nèi)用鋼筋箍起，地基灌澆水泥，有效地消除了裂縫。關(guān)于6年修塔，有一段有趣的歷史。當(dāng)年開會討論修塔方案時，有一老工人坐在墻角微微地笑，主持會議的人見他胸有成竹的樣子，便請他發(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，引起全場哄堂大笑。此事便擱淺。不久，了一位蘇聯(lián)專家?？赐昊⑶鹚侣飞希阃藛T講了上面這段故事，蘇聯(lián)專家十分感興趣，重又上，于是外國專家發(fā)的話，便開始具體制定修塔方案。 1981年開始用五年時間加固地基。在塔基下人工打44個孔，灌鋼筋水泥，在44個樁下做水泥殼體，

20、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)]: (1)在擁擠的公共汽車上已沒有座位，你必須站著，而扶手你讓給了旁邊的老人，你在公共汽車上要如何才能保持自己的沒摔倒？ 人的身體的穩(wěn)定性取決于支撐面的大小和人體姿勢重心的高低，在一定范圍內(nèi)，兩腳分得越開，則重心越低，支撐面變大，越穩(wěn)定！ (2)貨物應(yīng)盡量放在船艙里還是甲板上？為什么？ (3) 在我國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？ (4) P023頁第1題

21、教師：要提高這種籃球架的穩(wěn)定性可以怎么做？ 學(xué)生發(fā)言：在籃球底座上加些比較重的石板之類的重物。 教師：這是出于什么原因呢？ 學(xué)生發(fā)言：是為了使籃球架的重心向后偏移，重心所在點(diǎn)的垂線落在結(jié)構(gòu)底面的范圍內(nèi)，達(dá)到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基本條。 教師：還有什么方法嗎？ 學(xué)生發(fā)言：可以增大底座與地面的接觸面，這樣也可以使重心所在點(diǎn)的垂線落在結(jié)構(gòu)底面的范圍內(nèi)。 教師：但我們在日常生活中沒有發(fā)現(xiàn)這樣做的，為什么呢？ 如果這樣做了，大家想一想，運(yùn)動員在跑動時候，很可能就會撞到支架上去了是吧？所以我們在設(shè)計的時候還不要忘記要考慮人機(jī)關(guān)系。 [分析]：關(guān)于增大支

22、撐面提高穩(wěn)定性不夠現(xiàn)實(shí)，教師重點(diǎn)講解，上升到在進(jìn)行設(shè)計的時候別忽略了人機(jī)關(guān)系 案例分析： 生活中有這樣的情況，人坐在一只小板凳上，用力搖幾下，板凳就壞了，人也摔倒在地上。人踩在窗戶的防盜網(wǎng)上擦玻璃，防盜網(wǎng)合金條的焊接處斷裂，險些釀成大禍。 問題： 根據(jù)你的理解，結(jié)合教材，上述情況是什么原因造成的？ （學(xué)生回答） 教師總結(jié)：這是由于板凳、防盜網(wǎng)沒有能夠承受住人的重力所造成的后果。我們說它們不結(jié)實(shí)，板凳和防盜網(wǎng)合金條的焊接處不結(jié)實(shí)，板凳和防盜網(wǎng)的結(jié)構(gòu)不能夠抵抗外力---人的重力---所造成的對它們的破壞。 那我們?nèi)绾卧u價這條板凳、這個防盜網(wǎng)呢?我們就要用到我們今天學(xué)習(xí)的內(nèi)容：強(qiáng)度。 【鞏固性檢測】