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第5節 跨學科實踐：橋
第八章 運動和力
感悟新知
橋是一種架空的人造通道。其主要作用是解決跨水或者越谷的交通，以便運輸工具或行人在橋上通行。
在人造橋梁之前，自然界由于地殼運動或其他自然地質作用的影響，形成了不少天然的橋梁形式。
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如浙江天臺山橫跨瀑布上的石梁橋，江西貴溪因自然侵蝕而成的石拱橋(仙人橋)以及小河邊由自然倒下的樹干形成的 “獨木橋”，兩岸藤條糾結在一起而構成的天生“懸索橋”等。人類從這些天然“橋”中得到啟示，由最初的一塊簡易木板或一個小石蹬，逐漸發展，生產了造型各異、大小不同的橋。
知1－講
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追溯起源
橋，何為橋也。《說文解字》中段玉裁曾解釋道：“梁之字，用木跨水，今之橋也。”由此我們可以感知到，我們祖先第一次把木頭放在河上并從上經過(獨木橋)，便稱之為橋的起源。
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任務一 橋梁的結構
1. 分類
(1)橋梁按建筑材料可分為木橋、石橋和鋼橋等；
(2)按用途可分為公路橋、公鐵兩用橋和人行橋等；
(3)按形狀和結構分為梁橋、拱橋、懸索橋和斜拉橋等。
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①梁橋是指以受彎為主的主梁作為主要承重構件的橋梁；
②拱橋是指在豎直平面內以拱結構作為主要承重構件的
橋梁；
③懸索橋由巨大的主纜、索塔、錨碇和橋面系統組成。
④斜拉橋是由承壓的塔、受拉的索與承彎的梁體組合起來的一種結構體系。
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拓展思考為了適應不同的環境和需求, 橋梁也會建造成各種不同的形狀和結構。請你將如圖1 所示的橋梁對應的名稱寫在橫線上。
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拓展理解
分析圖片可知,從左到右分別是拱橋、斜拉橋、懸索橋和平板橋。
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2. 結構 橋梁由橋面和承重結構組成。
3. 設計原理 防止橋面彎曲。
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任務二 橋梁的力學分析
1. 演示實驗 橋面承重時的形變和受力。
(1) 操作：用一塊表面畫有方格的海綿塊模擬橋面，用手按壓海綿塊來模擬負載，如圖2。
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(2) 現象：海綿塊在負載作用下發生了彎曲形變，上層方格被擠壓變窄，下層方格被拉伸變寬。
(3) 分析：如圖3是橋梁結構圖和受力分析圖。橋梁上表面(垂直表面)受到壓力，下表面(沿表面)受到拉力。當負載增加時，橋梁彎曲形變程度會隨之增加，如果彎曲形變超出橋梁允許的形變范圍，橋梁就可能發生坍塌。
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深度思考同學們議一議，如何避免橋梁發生大的彎曲形變，提高橋梁承重能力，避免橋梁坍塌呢
深度理解
為減小橋面彎曲形變，可在橋面下加一個橋墩，即可為橋面提供一個向上的力。
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知識拓展
在古代橋梁的建造中, 應用得較多的就是拱橋, 因為這種橋梁建造起來比較簡單，而且十分堅固。河北的趙州橋，就是我國古代最著名的圓弧拱橋。這座由隋朝的工匠李春建造的橋梁，歷經1 400 多年至今安然無恙，被評為“國際土木工程里程碑”。
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2. 支撐結構受力情況
(1) 梁橋：如圖4(a)，橋面上汽車的重力，從橋面傳遞到橋墩，使橋梁穩定。
(2) 拱橋：如圖4(b)，橋面上汽車的重力，由橋面傳遞到橋拱的弧上，再傳遞到橋臺，最后傳到地面，保證橋梁不會因受力過大而坍塌。
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(3) 懸索橋和斜拉橋
如圖(c)(d)，橋上汽車的重力，先傳到橋面，再由橋塔上纜索拉住橋面，使橋梁不坍塌，
最后再利用在河岸上的纜索向岸邊
斜拉，固定橋塔。
綜上所述，所有支撐橋面的力的合力，與橋面重力及
負載的合力平衡。根據二力平衡條件，無論什么樣的橋
梁結構，都會產生一個向上的合力作為橋面的支撐力。
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3. 體驗拱橋的支撐作用
觀察思考：同學們動手做一做，找一個硬直筒圈，中間套一根橡皮筋，如圖5 所示，用手輕壓頂部，觀察皮筋的形變，思考拱橋形狀與橋面負載的關系。
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深度理解
用手輕壓頂部，皮筋受到向外的推力，發生微小形變，而“拱橋”形狀保持不變；當負載增加時，“拱橋”形狀也不會改變；如果負載壓力過大，皮筋的形變超出允許的形變范圍，“拱橋”就可能發生坍塌。
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4. 探究幾何體的穩定性
(1)操作：將幾根橡皮筋連接起來后，穿過吸管再首尾連接，分別搭成三角形和矩形結構。如圖6 所示，利用懸掛重物對它們施加向下的力。
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(2) 分析：①三角形結構的物體受力時形狀保持不變；②矩形結構的物體受力時水平部分彎曲，還可能變形為平行四邊形結構。
(3) 實驗發現：三角形具有很好的結構穩定性。三角形是現代橋梁的基本結構元素，它能承受更大的壓力和拉力。
(4)應用：武漢長江大橋。
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圖7 中的橋梁蘊含了許多物理知識。
例 1
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(1)三座橋中，_______(填字母)屬于鋼索橋。
B
解析：分析圖片可知，B 屬于鋼索橋。
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(2)廈漳跨海大橋主要由鋼纜、橋塔、橋面組成，其中 是______大橋承重的主要構件， ______是支撐鋼纜的主要構件。因此這座橋的______很大。
鋼纜
解析：廈漳跨海大橋主要由鋼纜、橋塔、橋面組成，其中鋼纜是大橋承重的主要構件；橋塔是支撐鋼纜的主要構件。因此這座橋的跨度很大。
橋塔
跨度
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(3)青藏鐵路拉薩河特大橋屬于______。采用了雙層疊拱結構，它的橋面在拱的下方，橋面低，與道路容易連接，從結構上看，橋板拉住了拱足，抵消了拱向外的______，減少了橋墩的負擔。
拱橋
解析：青藏鐵路拉薩河特大橋屬于拱橋。采用了雙層疊拱結構，它的橋面在拱的下方，橋面低，與道路容易連接，從結構上看，橋板拉住了拱足，抵消了拱向外的推力，減少了橋墩的負擔。
推力
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1. 某校科技興趣小組模擬建造了一座“鋼索橋”，對鋼纜的拉力進行了研究，請回答下列問題:
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(1)從圖中可以知道“ 鋼索橋” 主要由______ 、 ______ 、 ______三部分組成。
(2)在實驗中，橋面離地面的高度不變，橋塔高時比橋塔低時手上的拉力______ 。
A. 大一些 B. 小一些 C. 沒有變化
鋼纜
橋塔
橋面
B
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(3)通過這個實驗可以知道，橋塔修得很高有什么作用？
橋塔修得很高可以減小鋼纜的拉力，從而增大橋的承重能力
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任務三 設計并制作一座自己的橋
1. 設計
(1)要求：設計一座可承載重物的紙橋，至少能跨越2 5 cm 的峽谷，寬度大于1 0 cm，最小承重為0 .2 N。
(2)材料與工具：A4 紙、雙面膠、剪刀、刻度尺、鉛筆、砝碼和硬幣等。
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討論思考 用紙造“橋”要考慮哪些問題？
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討論理解
第一， 要考慮紙的特性。紙承受力的特點是抗拉而不抗壓，即抗彎曲能力很差， 所以要考慮怎樣增強它的抗彎曲能力。
第二，橋選擇什么樣的形狀和結構。這兩方面是相互聯系和影響的，要結合在一起進行思考、選擇。
第三，橋由哪幾部分組成，各用多少材料，怎么牢固地連接在一起……
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2. 制作(1)橋的模型
紙結構的基本形狀
紙結構的連接技巧
紙橋模型參考
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(2)制作步驟
制作紙橋時，參考上面紙橋模型，設計自己的紙橋方案
圖；按照設計要求制作橋面、橋墩和連接結構等橋的每個部分，然后用膠水將這些部分黏合起來，最后組成橋。將硬幣或砝碼放在橋面上，記下紙橋的最大承重。
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思路點撥
造紙橋時，通常經歷五個環節：
① 明確標準，設計圖紙；
② 選擇制作材料和連接物，確定合適、牢固的連接方法；
③ 制作紙橋；
④ 測量“橋”的跨度和承重力；
⑤ 改進紙橋。
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深度思考下表是小明同學設計的“橋”，要求“橋”能盡可能地承載更大的力。請觀察分析小明的設計圖，并完成表格中問題。
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紙橋設計方案 材料 A4 紙10 張、透明膠、剪刀
設計圖
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續表
問題 (1)主要增強橋的承重的方法？
(2)設計不合理的地方(寫一點)？
(3)增強承重方面我的改進建議(可以寫，也可以畫在原圖上)？
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深度理解
(1)加厚的橋面和橋柱間斜桿構成三角形結構增加穩定性。
(2)橋面沒有欄桿，不安全。
(3)可以在每側兩根長方體橋柱之間增加拱形結構，增強橋面的承重能力。
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測試要求
1.在橋中間放置重物，要求放上后至少保持5 s，紙橋不塌落，記下紙橋承重；
2. 每組可嘗試3 次，取最高成績。
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(3)“紙橋”作品欣賞
作品一：連體雙管橋——追夢組制作
如圖9 所示，把A4 紙或報紙對卷成兩個圓筒，用膠帶連接；筒口橫向加膠帶可以加強支撐力。
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作品二：三角形吊橋——創意組制作
如圖10 所示，用膠帶做“鋼纜”，橋面做成槽形。
課堂小結
跨學科實踐：橋
橋
設計原理
橋的概念
橋的發展史
力學分析
結構穩定性
橋梁結構
設計原理
模型設計
制作紙橋
分類

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