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第八章 運動和力
第5節(jié) 跨學科實踐：橋
1、知道橋梁的結(jié)構(gòu)
2、理解橋梁的力學分析
3、能設(shè)計并制作一座自己的橋
重點：橋面承重時的形變和受力、支撐結(jié)構(gòu)受力情況
難點：探究幾何體的穩(wěn)定性
學習目標
幾千年前，人們?yōu)榭缭叫∠?，將樹干跨放在小溪兩岸，發(fā)明了最早的橋。
早期的橋梁通常由木材和石塊組成。
新知導入
現(xiàn)代的橋梁通常由鋼、混凝土和其他高強度材料構(gòu)建，形狀多種多樣。其中，材料與結(jié)構(gòu)是橋梁設(shè)計的兩大關(guān)鍵。
觀察與思考
幾千年前，人們發(fā)明了最早的橋。早期的橋梁通常由木材和石塊組成，現(xiàn)代橋梁通常由鋼、混凝土和其他高強度材料構(gòu)建，形狀多種多樣。那么橋梁設(shè)計的關(guān)鍵是什么呢
新知學習
01 橋梁的結(jié)構(gòu)
橋梁由橋面和承重結(jié)構(gòu)組成。橋梁的承重結(jié)構(gòu)具有不同的設(shè)計和樣式。但是橋梁總體設(shè)計原理都是一樣的——防止橋面彎曲。
橋梁可以根據(jù)其形狀和結(jié)構(gòu)分類。最常見的橋梁包括梁橋、拱橋、懸索橋和斜拉橋。
梁橋
斜拉橋
拱橋
懸索橋
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(橋梁承載的車輛、行人等對橋面的壓力)。如圖所示，海綿塊在負載作用下發(fā)生了彎曲形變，上層方格被擠壓變窄，下層方格被拉伸變寬。
橋面承重時的形變和受力
演示實驗
02 橋梁的力學分析
分析可知，橋梁上表面受到壓力，下表面受到拉力。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(fā)生坍塌。
如果你是一名橋梁工程師，如何避免橋梁發(fā)生大的彎曲形變，提高橋梁承重能力，避免橋梁坍塌呢
梁橋是結(jié)構(gòu)最簡單的橋，為減小橋面彎曲形變，在橋面下加一個橋墩，即可為橋面提供一個向上的力。所有支撐橋面的力的合力(用向上的藍色箭頭表示)，與橋面及負載的合力(用向下的紅色箭頭表示)平衡。可見，根據(jù)二力平衡條件，無論什么樣的橋梁結(jié)構(gòu)，都會產(chǎn)生一個向上的合力作為橋面的支撐力。
支撐結(jié)構(gòu)受力情況
理論探究
支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個向上的合力，與橋面及負載的合力平衡。
斜拉橋
拱橋
懸索橋
梁橋
找一個硬直筒圈，中間套一根橡皮筋,如圖所示，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(guān)系。
體驗拱橋的支撐結(jié)構(gòu)
活動
如何在橋梁負載增加時保持橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、不易彎曲，這也是設(shè)計橋梁應考慮的問題。哪種幾何元素構(gòu)成的物體穩(wěn)定性好呢
思考
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(jié)構(gòu)。如圖所示，利用懸掛重物對以。上結(jié)構(gòu)施加向下的力。請比較三角形、矩形結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有什么不同。
探究幾何體的穩(wěn)定性
實驗探究
矩形結(jié)構(gòu)的物體受力時還可能變形為平行四邊形結(jié)構(gòu)
三角形結(jié)構(gòu)的物體受力時形狀保持不變
矩形結(jié)構(gòu)的物體受力時水平部分彎曲
材料
吸管、
橡皮筋、
細線等
三角形具有很好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。三角形是現(xiàn)代橋梁的基本結(jié)構(gòu)元素，它有相對較輕的自重且能承受更大的壓力和拉力。因此，在設(shè)計上常常利用三角形結(jié)構(gòu)來加固橋梁。
武漢長江大橋的三角形桁架結(jié)構(gòu)
長沙猴子石大橋的“V”字形橋墩
設(shè)計并制作一座可承載重物的紙橋，至少能跨越25cm的峽谷，寬度大于10cm，最小承重為0.2N。
材料與工具選用參考
A4紙、雙面膠、剪刀、刻度尺、鉛筆、砝碼和硬幣等
1.在橋中間放置重物，要求放上后至少保持5s,紙橋不塌落，記下紙橋承重;
2.每組可嘗試3次，取最高成績。
測試要求
03 設(shè)計并制作一座自己的橋
各小組介紹設(shè)計思路，展示制作的紙橋，交流存在的問題和需要改進的地方。例如，可以使用哪些新技術(shù) 設(shè)計過程中如何對設(shè)計的模型進行負載測試
交流評估
土木工程學家，橋梁專家，主持修建了我國自己設(shè)計并建造的第一座現(xiàn)代化大型橋梁——錢塘江大橋。
茅以升
（1896 — 1989）
錢塘江大橋
中國正從橋梁大國邁向橋梁強國!一座座雄偉壯麗的現(xiàn)代化橋梁正在把跨越大江、大河、高山、峽谷的千年夢想變成現(xiàn)實。縱觀祖國大地百萬座大橋，從趙州橋到港珠澳大橋，連接時代文明的宏偉大橋正在貫通華夏大地!
滬蘇通長江公鐵大橋
矮寨大橋
港珠澳大橋
梁橋
拱橋
懸索橋
斜拉橋
橋梁的結(jié)構(gòu)
橋
橋梁的力學分析
設(shè)計并制作一座自己的橋
橋面承重時的形變和受力
支撐結(jié)構(gòu)受力情況
探究幾何體的穩(wěn)定性
設(shè)計
制作
測試
評估
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