第一章 結構與設計 第三課時 結構強度的分析（通用2篇）

第一章 結構與設計 第三課時 結構強度的分析 篇1

　　第一章結構與設計

　　第三課時結構強度的分析

　　【學習目標】

　　1、了解內力和應力的概念，知道內力和應力的關系。

　　2、了解結構強度的概念，理解影響結構強度的因素

　　【課程導入】

　　我們通過前邊的學習，了解到結構的本質就是為了承受力和抵抗形變，從本節課開始我們就來了解一下結構的兩個力學性質——強度和穩定性。

　　【學習過程】

　　根據你的生活經驗填寫下表：

　　事件

　　結果

　　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量的重物

　　竹竿比脆性塑料桿能掛更多的重物而不會斷裂

　　不同材料的抗拉性能不同

　　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

　　中間有焊接縫的鋼管受到撞擊時容易損壞

　　因為有連接點

　　一、關于結構強度的概念 

　　內力：                                                                       

　　應力：                                                                       。

　　公式：                 

　　請計算p26頁兩處的內力

　　拓展提高    你怎樣看待俗語 “一根筷子比一把筷子易斷”。

　　強度：                                                。

　　二、影響結構強度的主要因素

　　案例分析：吊蘭支撐使用的三角形支架結構，而不使用由一根直桿挑起的結構。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件是焊接而不是捆縛，這種連接方式更牢固。

　　總結出影響結構強度的幾個主要因素

　　（1）結構的形狀:

　　（2）使用的材料

　　（3）構件之間的連接方式

　　(1)結構的形狀:

　　①三角形形狀。三角形是框架結構中最基本的形狀之一,它結實、穩定、所用材料最少。在長方形或六邊形的框架中間，加上支撐構件，構成三角形，就可以大大增加它的牢固程度。

　　展示幻燈片，通過鉆石的例子進行分析。金剛石分子為四面體，每個四面體有四個角、四個面，且每個面為三角形。

　　鉆石的結構（難以置信的強度）

　　②橫截面形狀：具有相同截面積，但不同截面形狀的同種材料的堅固性就不同。利用圖片介紹同種材料、相同橫截面積、不同截面形狀的構件的強度排列順序。（經理論證明和實踐驗證，在橫截面面積相同的情況下，采用“工字梁”是合理的，而采用圓形截面就不合理。這是因為工字梁的面積集中在應力最大的地方，而圓形則相反。但有時為了制造和使用的問題，圓形截面的梁還是要采用的。如一些承受彎曲的軸，就得用圓形截面。）

　　③強調學生注意結構對強度的影響有兩點，一是結構的外部形狀，二是結構的構件截面形狀，結構的外形相同，構件的截面不同，其強度不一樣。

　　小實驗：p019

　　（2）因素2：使用的材料

　　①展示幻燈片圖片，從紙杯到塑料杯到無銹鋼杯，說明強度和材料有關。

　　②介紹混凝土材料。從應用廣泛的鋼筋和混凝土到工程人員新發明的纖維混凝土、聚合物混凝土、輕質混凝土等，一系列新型高強度混凝土。（例如，混凝土抗壓性能較好，而抗拉能力就比鋼筋要小得多。因此在制造時可在梁的受拉區放置鋼筋，組成鋼筋混凝土梁，在這種梁中，鋼筋受拉，混凝土受壓，它們合理組成一個整體，共同承擔載荷的作用。）

　　（3）因素3：構件之間的連接方式：

　　①構件連接的類別：

　　結構的連接是指通過一定的連接物將構件組成整體結構。

　　鉸連接：被連接的構件在連接處不能相對移動，但可相對轉動。（圖片舉例）具體有松螺栓、松鉚等。

　　剛連接：被連接的構件在連接處既不能相對移動，也不能相對轉動。（圖片舉例）具體有榫接、膠接、焊接等。

　　②提出：結點是從連接的效果來劃分。一個結點可以有多種連接方式。不同的材料有不同的連接方式；構件的連接方式不同，結構的強度也不同。

　　馬上行動

　　（1）.對一個用4根小木條釘成的相片框,使它更牢固的做法是什么?

　　可用直角鐵片固定在連接處的背面。

　　（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。

　　三角架屬于剛連接；剎車連桿之間屬于鉸連接；輻條于鋼圈之間屬于鉸連接。

　　（3）.比較左圖中同一結構的幾種連接方式,請預言哪種連接方式的強度更好。

　　左邊的榫卯連接的強度最大，上下、左右、前后各方向都被牢牢固定住，所以強度最大。中間的連接方式強度最小，釘子是從側面釘進去的，中間的橫梁不能承受較重物體的壓力，所以強度最小。

　　連接方式：一體式（榫接、鉚接、焊接等等）、擠壓式（螺絲、輪胎與車圈等）、接插式（插頭）、絞連接（輪子、軸承、風扇、人體四肢與軀干等等）、剛連接（建筑物的各個部分之間等等）。

　　影響因素：

　　形狀：a字型梯、三腳架

　　底面積：大壩、各種塔

　　重心位置：不倒翁、落地扇、比薩斜塔不倒之迷等等。

　　【鞏固性檢測】

第一章 結構與設計 第三課時 結構強度的分析 篇2

　　第一章結構與設計

　　第三課時結構強度的分析

　　【學習目標】

　　1、

　　【課程導入】

　　我們

　　【學習過程】

　　一、教師：前一節課我們學習了結構的基本知識，對結構有了初步的認識。大家知道結構是無處不在的，（觀看幻燈片）注意觀察這些結構，請同學回憶什么是結構？

　　學生發言：結構是指事物的各個組成部分之間的有序搭配和排列。

　　學生發言：從力學角度來說，結構是指可以承受一定力的架構形態，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。是什么原因出現了圖上所示的現象？

　　學生發言：這些物體失去了平衡。

　　教師：在臺風來之前它是穩定的！是什么原因出現了不平衡狀態？

　　學生發言：是臺風把它們吹倒了！

　　[引出問題]：那到底什么樣的結構是穩定的，什么樣的結構又是不穩定的？

　　第二節  穩固結構的探析

　　二）、新課內容：

　　結構的穩定性是指結構在負載的作用下，維持原有平衡狀態的能力。

　　臺風過后，部分結構卻完好無損，這又說明，有的結構穩定，有的結構不穩定。

　　想一想：

　　結構的穩定性與什么因素有關？

　　填表說明下表中的物體有可能因受哪些力的作用而出現不穩定現象，并根據你的生活經驗，簡要說明原因。（p012）

　　物體

　　受到的外力

　　不穩定的主要因素

　　廣告牌

　　重力、風力

　　底座小、重心高、受風面積大

　　落地燈

　　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）影響結構穩定性的主要因素：

　　[實驗探究1]：

　　學生拿一本書，讓它直立在桌面上，它馬上傾倒了，顯然，其穩定性不好。

　　同樣的一本書，把它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.穩定性與支撐面積的大小有關

　　支撐面越大越穩定，越小越不穩定。

　　a.落地電風扇或者賓館里的落地燈，它們都有一個比較大的底座。

　　[引導學生得出結論]：結構的底座，結構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，穩定性就越好。

　　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：這是為了進一步增大與地面接觸所形成的支撐面積，增加穩定性。從而引導學生得出結論：結構的穩定性與支撐面積大小有關。

　　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的連線與地面構成的面。）

　　[實驗探究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.結構的穩定性與重心位置有關。

　　物體重心越低，越穩定。

　　a.不倒翁為什么不倒？如果在它脖子上掛上一定數量的鐵環，它還會不倒嗎？

　　師：研究不倒翁的結構，發現不倒翁的重心很低，就在它與地面的接觸點上，所以不倒，如果往它的脖子掛上鐵環，它的重心位置升高了，當鐵環達到一定數量時，不倒翁就不在是不倒翁了。

　　[引導學生得出結論]：重心的高低影響結構的穩定性。重心越低,穩定性越好;重心越高,穩定性越差。

　　b.以前的農作物個子高，遭遇暴風驟雨容易傾覆，造成減產；現在的農作物普遍個子矮。就是利用了重心低結構穩定的原理。

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

　　比薩斜塔(campanile di pisa)其實是比薩教堂(duomo)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，采歌德式的設計，像是一個圓球上的圓錐體，十分獨特。

　　據說，大約在10紀，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現向南傾斜，被迫停工。94年之后，比薩人建塔之心不死，找來著名工程師皮薩諾反復測量，證實此塔雖斜，但無倒塌之虞；便又繼續修建并把每層南面的柱子略微加高一點。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。

　　據說比薩斜塔是用比薩艦隊運來的六艘戰利品建成的。根據塔基上的碑文記載，它從1174年始建，1350年竣工，經歷了176年。但由于塔身過重，地質松軟，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4.8米。意大利當局為了拯救斜塔，已向全世界廣泛征求保護方案，同時在塔的北側加壓了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”而來的參觀者多達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光，也就不會有這么多便宜可占了。

　　比薩斜塔高54.5米，直徑16米，重約1.4萬噸。斜塔共有八層，除底層和頂層有所不同外，其余六層結構完全一樣。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。塔內有螺旋臺階294級，供游人登塔，遠眺全城風光。

　　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松軟，南面的地基比北面約低2米。在施工期間塔身既出現輕微傾斜，隨著工程的進度，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，使工程繼續按原設計繼續施工，直到竣工。

　　比薩斜塔位于意大利中部比薩古城內的教堂廣場上，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，還因為1590年，意大利的偉大科學家伽俐略，曾在斜塔的頂層做過自由落體運動的實驗，讓兩個重量相差10倍的鐵球，同時從塔頂落下，結果，兩球同時著地，一舉推翻了束縛人們思想近xx年的希臘著名學者亞里士多德關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。伽俐略開創了實驗物理的新時代，被人們稱為“近代科學之父”，而他用來做實驗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定性示意圖，使學生容易理解，比薩斜塔不倒的原因是它的重心所在點的垂線落在塔的底面的范圍內。當塔傾斜到一定程度，重心的垂線不再落在塔的底面時，塔就會傾倒。

　　[引導學生得出結論]：結構的穩定性與重心位置有關。

　　結構重心的位置：結構重心所在點的垂線是否落在結構底面的范圍內，落在就是穩定的，沒有就是不穩定的。

　　例如：一摞書，整齊放置時的穩如泰山；另一種放法：每本都往一邊慢慢往外放置，到一定程度時一摞書就全倒了。

　　小資料（中國的斜塔）：遼寧瑞州古塔，現存塔身高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地震與洪水破壞，卻始終斜而不倒，堪稱奇跡。

　　3、結構的穩定性與它的幾何形狀有關。

　　a、a字形梯為什么載人時能夠保持穩定？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。當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成了穩定的三角形，這就進一步加強了梯子的穩定性，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定。

　　b、照相機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，因為三角支架與地面有三個接觸點，形成的三角形結構使照相機的支撐架更容易穩定。

　　師：通過上面的分析，我們知道，結構的穩定性與它的幾何形狀有關。

　　補充（三角形穩定性的應用）：建筑中廣泛運用了三角形的穩定性。房子、橋梁的桁架大多都是由多個三角形構成的；鋼架結構的十字梁同樣是運用這一原理，在四邊形的框架中用兩條桿件作對角線，形成多個三角形，既節省了材料，減輕了結構的質量，又有效地加強了結構的強度和穩定性。十字鋼梁也是建筑中常用的構件，如在高壓輸電的鐵塔、懸索橋的塔架，以及摩天大樓鋼架結構中都被普遍地采用。

　　[案例分析]：靜止狀態的單車如何保持穩定（課本：p14）

　　（2）單腿支撐

　　探究

　　1.調整單腳支撐位置，研究何時最易倒下，何時最平衡？自行車騎起來時，只有兩個支撐點，為什么不會倒下呢？

　　[試驗 ]：學生騎自行車

　　[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。當由騎車人和自行車構成一個系統時，系統動起來之后，騎車人為系統注入動力，從而在自行車前進的時候，通過人的不斷調節，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。因此，在沒有明顯的外力干涉時，這一動態系統能夠表現出一種穩定。

　　2.走鋼絲的人為什么要拿一條長棒？

　　注意:運動狀態下與靜止狀態下物體的穩定條件有所不同。

　　這個謎，直到本世紀八十年代初才解開。一位美國的物理系研究生，通過電腦進行復雜的運算，終于從理論上解決了。問題就出在旋轉速度和摩擦上了。陀螺在旋轉起來時，支持點周圍也不免與支持面（桌面）產生摩擦，而這種旋轉的物體總是使運動趨向于摩擦更小的狀態。當陀螺搖搖晃晃地立起來，終于使一個尖端著地時，就逐漸達到了支持點面積最小，穩定旋轉的狀態，水平的能量轉化成為繞對稱軸旋轉的動作。當然，由于摩擦，它的轉速又會慢慢減小。然后開始搖晃，最后，倒下來，因為這時它要趨向重心更低，更穩定的狀態。(陀螺效應：凡是高速旋轉的物體，都有一種使轉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動也不會倒下。教師演示滾動的硬幣不倒，轉動的陀螺不倒的演示試驗。所以一旦自行車運動起來后，轉動的車輪也具備這種能力，這種能力使得自行車即使發生了傾斜，也能自動地把自行車調整過來，這就是自行車不倒的原因。)

　　馬上行動：摩托車的支撐架（課本：p14）

　　[教師總結]：運動狀態下與靜止狀態下物體的穩定條件有所不同。結構的穩定性在日常生活中有著廣泛的應用，一方面人們利用穩定的結構抵抗外力、承受負載，另一方面又利用不穩定的結構實現某些功能。

　　拓展：不穩定的結構應用 

　　學生舉例：如移動門、折疊椅等等。

　　1.倒置的啤酒瓶可以預報地震。

　　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。高高聳立在山頂的虎丘塔已經成了蘇州的標志。

　　虎丘斜塔日益著名，并且因為它和吳王墓撲朔迷離的關系令科學家和游客興致倍增。

　　到了公元15xx年，唐伯虎、王鏊等人因池水干涸，發現墓門，留下石刻。1955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。根據墓門的形制和朝向，完全符合春秋戰國時期的墓制。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。現在的情況是虎丘后山為土堆砌，前山為巨石，因而推測后山為人工所堆。如果是這樣，就和虎丘塔的傾斜有關。因為地基不牢，重6000噸的塔便傾向土堆的一邊。所以，我們不妨認為，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了底下的吳王墓，使之不能開挖，成了一只真正保護吳王墓的白虎。就就是塔與墓兩個重要古跡之間的關系。

　　虎丘塔是全國重點文物保護單位。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。請大家注意右側塔身呈弧型曲線。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，這是因為1638年遭雷擊失火燒毀，重建時為改變重心、糾正傾斜的結果。

　　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，不僅傾斜嚴重，而且周身裂縫遍布，最寬處達80厘米。1956年采用鐵箍噴漿法，如箍桶一般，每層塔內用鋼筋箍起來，地基灌澆水泥，有效地消除了裂縫。關于56年修塔，有一段有趣的歷史。當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，來了一位蘇聯專家。看完虎丘塔下山路上，陪同人員講了上面這段故事，蘇聯專家十分感興趣，重又上山，于是外國專家發的話，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，地下防水，更換部分磚體，制止了塔身的繼續傾斜。

　　[學生分組討論]：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）

　　補充：比薩斜塔

　　[練習]:

　　(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，兩腳分得越開，則重心越低，支撐面變大，越穩定！

　　(2)貨物應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。怎么擺放才穩定呢？

　　(4) p023頁第1題

　　教師：要提高這種籃球架的穩定性可以怎么做？ 

　　學生發言：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？

　　學生發言：是為了使籃球架的重心向后偏移，重心所在點的垂線落在結構底面的范圍內，達到結構穩定的基本條件。

　　教師：還有什么方法嗎？

　　學生發言：可以增大底座與地面的接觸面，這樣也可以使重心所在點的垂線落在結構底面的范圍內。

　　教師：但我們在日常生活中沒有發現這樣做的，為什么呢？

　　如果這樣做了，大家想一想，運動員在跑動時候，很可能就會撞到支架上去了是吧？所以我們在設計的時候還不要忘記要考慮人機關系。

　　[分析]：關于增大支撐面提高穩定性不夠現實，教師重點講解，上升到在進行設計的時候別忽略了人機關系

　　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上擦玻璃，防盜網合金條的焊接處斷裂，險些釀成大禍。

　　問題： 根據你的理解，結合教材，上述情況是什么原因造成的？

　　（學生回答）

　　教師總結：這是由于板凳、防盜網沒有能夠承受住人的重力所造成的后果。我們說它們不結實，板凳和防盜網合金條的焊接處不結實，板凳和防盜網的結構不能夠抵抗外力---人的重力---所造成的對它們的破壞。

　　那我們如何來評價這條板凳、這個防盜網呢?我們就要用到我們今天學習的內容：強度。

　　【鞏固性檢測】