資源簡介

結構與設計 第一課時 認識結構
【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）
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2000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。

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