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(共62張PPT)
復(fù)習(xí)
什么是結(jié)構(gòu)？
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。
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。
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？
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)？
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？物體穩(wěn)定與不穩(wěn)定的程度又如何評(píng)價(jià)？
第二節(jié) 穩(wěn)固結(jié)構(gòu)的探析
長(zhǎng)安一中 蔣建波
jjb2002@
結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性：
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。
結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與什么因素有關(guān)？
想一想：
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。
馬上行動(dòng)（P012）
物體 受到的外力 不穩(wěn)定的主要因素
廣告牌
落地?zé)?br/>底小口大的空竹簍
重力、風(fēng)力
底座小、重心高、受風(fēng)面積大
重力、撞擊力
底座小、重心高
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]：
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，把它的下端各書頁(yè)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)簦鼈兌加幸粋€(gè)比較大的底座。
結(jié)構(gòu)的底座，結(jié)構(gòu)與地面接觸所形成的支撐面大,穩(wěn)定 。
B：為什么大壩的橫截面總是建成梯形？
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？
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。
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。
接觸面
支撐面
[實(shí)驗(yàn)探究2]：落地扇為什么不易傾倒？
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。
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。
因素二：重心位置
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？
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。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. 比薩斜塔為什么不倒塌？
1590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(shí)代，被人們稱為“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。
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。
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。
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。
一摞書，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)一摞書就全倒了。
小實(shí)驗(yàn)
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，堪稱奇跡。
小資料：中國(guó)的斜塔
蘇州的虎丘塔
虎丘塔高47.7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。因?yàn)榈鼗焕危?000噸的塔便傾向土堆的一邊。
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)有梯子中間的拉桿將會(huì)怎么樣？
一般情況下，梯子打開的時(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。
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。
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？
因素三：
結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與它的幾何形狀有關(guān)。
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。
補(bǔ)充（三角形穩(wěn)定性的應(yīng)用）：
靜止?fàn)顟B(tài)的單車如何保持穩(wěn)定（課本：P14）
[案例分析]：
（1）雙腿支撐
（2）單腿支撐
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？自行車騎起來(lái)時(shí)，只有兩個(gè)支撐點(diǎn)，為什么不會(huì)倒下呢？
探究
注意：自行車的支撐架與地面的夾角不能太小，否則，自行車的自身重力集中在支撐架上，同樣容易失去平衡。
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(gè) 系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)起來(lái)之后，騎車人為系統(tǒng)注入動(dòng)力，從而在自行車前進(jìn)的時(shí)候，通過(guò)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(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？
3.靜止?fàn)顟B(tài)下陀螺會(huì)傾倒，而當(dāng)它高速旋轉(zhuǎn)時(shí)卻可以立起來(lái)？
這個(gè)謎，直到本世紀(jì)八十年代初才解開。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(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)。
陀螺效應(yīng)：凡是高速旋轉(zhuǎn)的物體，都有一種使轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)也不會(huì)倒下。所以一旦自行車運(yùn)動(dòng)起來(lái)后，轉(zhuǎn)動(dòng)的車輪也具備這種能力，這種能力使得自行車即使發(fā)生了傾斜，也能自動(dòng)地把自行車調(diào)整過(guò)來(lái)，這就是自行車不倒的原因。
馬上行動(dòng)：摩托車的支撐架（課本：P14）
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。
不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)應(yīng)用：
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。
(3) 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？
(4) P023頁(yè)第1題
練習(xí):
(1)在擁擠的公共汽車上已沒(méi)有座位，你必須站著，而扶手你讓給了旁邊的老人，你在公共汽車上要如何才能保持自己的沒(méi)摔倒？
(2)貨物應(yīng)盡量放在船艙里還是甲板上？為什么？
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，則重心越低，支撐面變大，越穩(wěn)定！
要提高這種籃球架的穩(wěn)定性可以怎么做？
在籃球底座上加些比較重的石板之類的重物。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)定的基本條件。
還有什么方法嗎？
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)。
但我們?cè)谌粘Ｉ钪袥](méi)有發(fā)現(xiàn)這樣做的，為什么呢？
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(xiǎn)些釀成大禍。
根據(jù)你的理解，結(jié)合教材，上述情況是什么原因造成的？
那我們?nèi)绾蝸?lái)評(píng)價(jià)這條板凳、這個(gè)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。
（二）結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度
這條板凳、這個(gè)防盜網(wǎng)的強(qiáng)度是怎樣的，也就是指它受到外力作用的情況下，它不被外力破壞的能力如何。
結(jié)構(gòu)具有的抵抗被外力破壞的能力。
所以說(shuō)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是指：
我們知道穩(wěn)定性是研究物體的保持平衡狀態(tài)的能力，強(qiáng)度是研究不被外力破壞的能力。例如我們剛才舉的椅子的例子，椅子能夠承受人的重力這是一個(gè)強(qiáng)度問(wèn)題，那么椅子會(huì)不會(huì)左右晃動(dòng)，搖擺，那就是一個(gè)穩(wěn)定性問(wèn)題了。
強(qiáng)度與穩(wěn)定性的聯(lián)系與區(qū)別：
應(yīng)力和強(qiáng)度的關(guān)系：
這只是我們一個(gè)籠統(tǒng)的說(shuō)法，我們?nèi)绾蝸?lái)衡量一件東西的強(qiáng)度呢。那就要用到我們以前學(xué)習(xí)的應(yīng)力的知識(shí)。
根據(jù)你的生活經(jīng)驗(yàn)填寫下表：
馬上行動(dòng)：
事件 結(jié)果 原因
分別在一根竹竿和一根同樣尺寸的脆性塑料桿上不斷加掛相同質(zhì)量的重物
沿著垂直于重心線的方向撞擊一根完整的鋼管與用同樣的方法撞擊一根中間有焊接縫的鋼管
竹竿比脆性塑料桿能掛更多的重物而不會(huì)斷裂
不同材料的抗拉性能不同
中間有焊接縫的鋼管受到撞擊時(shí)容易損壞
因?yàn)橛羞B接點(diǎn)
1.影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要因素
①完成課本P17頁(yè)案例
吊蘭支撐使用的三角形支架結(jié)構(gòu)，而不使用由一根直桿挑起的結(jié)構(gòu)。從材料方面考慮，吊蘭的三角形支架使用的是鋼管而不是木條或塑料，鋼管抗拉力性能好。從連接方式考慮，吊蘭的三角形支架的構(gòu)件是焊接而不是捆縛，這種連接方式更牢固。
1) 影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的幾個(gè)主要因素
結(jié)構(gòu)的形狀
使用的材料
構(gòu)件之間的連接方式
結(jié)構(gòu)外部形狀
結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面形狀
鉸連接
剛連接
p22
(1)結(jié)構(gòu)的形狀:
A.不同橫截面形狀的構(gòu)件所能承受力的程度是不一樣的。
注意：
結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度的影響有兩點(diǎn)，一是結(jié)構(gòu)的外部形狀，二是結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面形狀。
C.相同材料，相同截面積，不同截面形狀的構(gòu)件強(qiáng)度不同。
B.結(jié)構(gòu)的外形相同，構(gòu)件的截面不同，其強(qiáng)度不一樣。
D.三角形形狀:
三角形是框架結(jié)構(gòu)中最基本的形狀之一,它結(jié)實(shí)、穩(wěn)定、所用材料最少。
在長(zhǎng)方形或六邊形的框架中間，加上支撐構(gòu)件，構(gòu)成三角形，就可以大大增加它的牢固程度。
金剛石分子為四面體，每個(gè)四面體有四個(gè)角、四個(gè)面，且每個(gè)面為三角形。
小實(shí)驗(yàn)：P019
（2）因素2：使用的材料
①結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與材料有關(guān)
紙杯
鋼杯
塑料杯
②混凝土材料。
使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的好處是什么？
混凝土抗壓性能較好，而抗拉能力就比鋼筋要小得多。因此在制造時(shí)可在梁的受拉區(qū)放置鋼筋，組成鋼筋混凝土梁，在這種梁中，鋼筋受拉，混凝土受壓，它們合理組成一個(gè)整體，共同承擔(dān)載荷的作用。
（3）因素3：構(gòu)件之間的連接方式：
結(jié)構(gòu)的連接是指通過(guò)一定的連接物將構(gòu)件組成整體結(jié)構(gòu)。
結(jié)構(gòu)構(gòu)建的連接通常有以下兩類：
鉸連接 剛連接
鉸連接：被連接的構(gòu)件在連接處不能相對(duì)移動(dòng)，但可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，具體有松螺栓、松鉚等。
剛連接：被連接的構(gòu)件在連接處不能相對(duì)移動(dòng)，也不能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，具體有榫接、膠接、焊接等。
膠接
榫接
結(jié)點(diǎn)是從連接的效果來(lái)劃分。一個(gè)結(jié)點(diǎn)可以有多種連接方式。不同的材料有不同的連接方式；構(gòu)件的連接方式不同，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度也不同。
（1）．對(duì)一個(gè)用4根小木條釘成的相片框,使它更牢固的做法是什么
（2）．在自行車各部件之間的連接中,三角架屬于_________連接；剎車連桿之間屬于_________連接；輻條與鋼圈之間屬于_______________連接。
馬上行動(dòng)
可用直角鐵片固定在連接處的背面。
剛連接；
鉸連接
鉸連接。
（3）．比較左圖中同一結(jié)構(gòu)的幾種連接方式,請(qǐng)預(yù)言哪種連接方式的強(qiáng)度更好。
左邊的榫卯連接的強(qiáng)度最大，上下、左右、前后各方向都被牢牢固定住，所以強(qiáng)度最大。中間的連接方式強(qiáng)度最小，釘子是從側(cè)面釘進(jìn)去的，中間的橫梁不能承受較重物體的壓力，所以強(qiáng)度最小。
探究：p020
為什么礦泉水瓶表面上有若干凸起的橫向紋路，它的作用是什么
結(jié)構(gòu)對(duì)事物的功能和作用產(chǎn)生著直接的影響，結(jié)構(gòu)的改變可能導(dǎo)致功能的改變
多功能起子
（三）、結(jié)構(gòu)與功能:
小結(jié)
一、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性
影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的三個(gè)因素：重心位置、支撐面積的大小和結(jié)構(gòu)的形狀
二、結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度
影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的三因素：結(jié)構(gòu)的形狀、結(jié)構(gòu)的材料與連接
三、結(jié)構(gòu)與功能

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