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第5节 跨学科实践：桥
第八章 运动和力
感悟新知
桥是一种架空的人造通道。其主要作用是解决跨水或者越谷的交通，以便运输工具或行人在桥上通行。
在人造桥梁之前，自然界由于地壳运动或其他自然地质作用的影响，形成了不少天然的桥梁形式。
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如浙江天台山横跨瀑布上的石梁桥，江西贵溪因自然侵蚀而成的石拱桥(仙人桥)以及小河边由自然倒下的树干形成的 “独木桥”，两岸藤条纠结在一起而构成的天生“悬索桥”等。人类从这些天然“桥”中得到启示，由最初的一块简易木板或一个小石蹬，逐渐发展，生产了造型各异、大小不同的桥。
知1－讲
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追溯起源
桥，何为桥也。《说文解字》中段玉裁曾解释道：“梁之字，用木跨水，今之桥也。”由此我们可以感知到，我们祖先第一次把木头放在河上并从上经过(独木桥)，便称之为桥的起源。
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任务一 桥梁的结构
1. 分类
(1)桥梁按建筑材料可分为木桥、石桥和钢桥等；
(2)按用途可分为公路桥、公铁两用桥和人行桥等；
(3)按形状和结构分为梁桥、拱桥、悬索桥和斜拉桥等。
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①梁桥是指以受弯为主的主梁作为主要承重构件的桥梁；
②拱桥是指在竖直平面内以拱结构作为主要承重构件的
桥梁；
③悬索桥由巨大的主缆、索塔、锚碇和桥面系统组成。
④斜拉桥是由承压的塔、受拉的索与承弯的梁体组合起来的一种结构体系。
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拓展思考为了适应不同的环境和需求, 桥梁也会建造成各种不同的形状和结构。请你将如图1 所示的桥梁对应的名称写在横线上。
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拓展理解
分析图片可知,从左到右分别是拱桥、斜拉桥、悬索桥和平板桥。
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2. 结构 桥梁由桥面和承重结构组成。
3. 设计原理 防止桥面弯曲。
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任务二 桥梁的力学分析
1. 演示实验 桥面承重时的形变和受力。
(1) 操作：用一块表面画有方格的海绵块模拟桥面，用手按压海绵块来模拟负载，如图2。
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(2) 现象：海绵块在负载作用下发生了弯曲形变，上层方格被挤压变窄，下层方格被拉伸变宽。
(3) 分析：如图3是桥梁结构图和受力分析图。桥梁上表面(垂直表面)受到压力，下表面(沿表面)受到拉力。当负载增加时，桥梁弯曲形变程度会随之增加，如果弯曲形变超出桥梁允许的形变范围，桥梁就可能发生坍塌。
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深度思考同学们议一议，如何避免桥梁发生大的弯曲形变，提高桥梁承重能力，避免桥梁坍塌呢
深度理解
为减小桥面弯曲形变，可在桥面下加一个桥墩，即可为桥面提供一个向上的力。
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知识拓展
在古代桥梁的建造中, 应用得较多的就是拱桥, 因为这种桥梁建造起来比较简单，而且十分坚固。河北的赵州桥，就是我国古代最著名的圆弧拱桥。这座由隋朝的工匠李春建造的桥梁，历经1 400 多年至今安然无恙，被评为“国际土木工程里程碑”。
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2. 支撑结构受力情况
(1) 梁桥：如图4(a)，桥面上汽车的重力，从桥面传递到桥墩，使桥梁稳定。
(2) 拱桥：如图4(b)，桥面上汽车的重力，由桥面传递到桥拱的弧上，再传递到桥台，最后传到地面，保证桥梁不会因受力过大而坍塌。
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(3) 悬索桥和斜拉桥
如图(c)(d)，桥上汽车的重力，先传到桥面，再由桥塔上缆索拉住桥面，使桥梁不坍塌，
最后再利用在河岸上的缆索向岸边
斜拉，固定桥塔。
综上所述，所有支撑桥面的力的合力，与桥面重力及
负载的合力平衡。根据二力平衡条件，无论什么样的桥
梁结构，都会产生一个向上的合力作为桥面的支撑力。
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3. 体验拱桥的支撑作用
观察思考：同学们动手做一做，找一个硬直筒圈，中间套一根橡皮筋，如图5 所示，用手轻压顶部，观察皮筋的形变，思考拱桥形状与桥面负载的关系。
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深度理解
用手轻压顶部，皮筋受到向外的推力，发生微小形变，而“拱桥”形状保持不变；当负载增加时，“拱桥”形状也不会改变；如果负载压力过大，皮筋的形变超出允许的形变范围，“拱桥”就可能发生坍塌。
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4. 探究几何体的稳定性
(1)操作：将几根橡皮筋连接起来后，穿过吸管再首尾连接，分别搭成三角形和矩形结构。如图6 所示，利用悬挂重物对它们施加向下的力。
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(2) 分析：①三角形结构的物体受力时形状保持不变；②矩形结构的物体受力时水平部分弯曲，还可能变形为平行四边形结构。
(3) 实验发现：三角形具有很好的结构稳定性。三角形是现代桥梁的基本结构元素，它能承受更大的压力和拉力。
(4)应用：武汉长江大桥。
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图7 中的桥梁蕴含了许多物理知识。
例 1
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(1)三座桥中，_______(填字母)属于钢索桥。
B
解析：分析图片可知，B 属于钢索桥。
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(2)厦漳跨海大桥主要由钢缆、桥塔、桥面组成，其中 是______大桥承重的主要构件， ______是支撑钢缆的主要构件。因此这座桥的______很大。
钢缆
解析：厦漳跨海大桥主要由钢缆、桥塔、桥面组成，其中钢缆是大桥承重的主要构件；桥塔是支撑钢缆的主要构件。因此这座桥的跨度很大。
桥塔
跨度
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(3)青藏铁路拉萨河特大桥属于______。采用了双层叠拱结构，它的桥面在拱的下方，桥面低，与道路容易连接，从结构上看，桥板拉住了拱足，抵消了拱向外的______，减少了桥墩的负担。
拱桥
解析：青藏铁路拉萨河特大桥属于拱桥。采用了双层叠拱结构，它的桥面在拱的下方，桥面低，与道路容易连接，从结构上看，桥板拉住了拱足，抵消了拱向外的推力，减少了桥墩的负担。
推力
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1. 某校科技兴趣小组模拟建造了一座“钢索桥”，对钢缆的拉力进行了研究，请回答下列问题:
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(1)从图中可以知道“ 钢索桥” 主要由______ 、 ______ 、 ______三部分组成。
(2)在实验中，桥面离地面的高度不变，桥塔高时比桥塔低时手上的拉力______ 。
A. 大一些 B. 小一些 C. 没有变化
钢缆
桥塔
桥面
B
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(3)通过这个实验可以知道，桥塔修得很高有什么作用？
桥塔修得很高可以减小钢缆的拉力，从而增大桥的承重能力
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任务三 设计并制作一座自己的桥
1. 设计
(1)要求：设计一座可承载重物的纸桥，至少能跨越2 5 cm 的峡谷，宽度大于1 0 cm，最小承重为0 .2 N。
(2)材料与工具：A4 纸、双面胶、剪刀、刻度尺、铅笔、砝码和硬币等。
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讨论思考 用纸造“桥”要考虑哪些问题？
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讨论理解
第一， 要考虑纸的特性。纸承受力的特点是抗拉而不抗压，即抗弯曲能力很差， 所以要考虑怎样增强它的抗弯曲能力。
第二，桥选择什么样的形状和结构。这两方面是相互联系和影响的，要结合在一起进行思考、选择。
第三，桥由哪几部分组成，各用多少材料，怎么牢固地连接在一起……
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2. 制作(1)桥的模型
纸结构的基本形状
纸结构的连接技巧
纸桥模型参考
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(2)制作步骤
制作纸桥时，参考上面纸桥模型，设计自己的纸桥方案
图；按照设计要求制作桥面、桥墩和连接结构等桥的每个部分，然后用胶水将这些部分黏合起来，最后组成桥。将硬币或砝码放在桥面上，记下纸桥的最大承重。
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思路点拨
造纸桥时，通常经历五个环节：
① 明确标准，设计图纸；
② 选择制作材料和连接物，确定合适、牢固的连接方法；
③ 制作纸桥；
④ 测量“桥”的跨度和承重力；
⑤ 改进纸桥。
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深度思考下表是小明同学设计的“桥”，要求“桥”能尽可能地承载更大的力。请观察分析小明的设计图，并完成表格中问题。
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纸桥设计方案 材料 A4 纸10 张、透明胶、剪刀
设计图
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续表
问题 (1)主要增强桥的承重的方法？
(2)设计不合理的地方(写一点)？
(3)增强承重方面我的改进建议(可以写，也可以画在原图上)？
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深度理解
(1)加厚的桥面和桥柱间斜杆构成三角形结构增加稳定性。
(2)桥面没有栏杆，不安全。
(3)可以在每侧两根长方体桥柱之间增加拱形结构，增强桥面的承重能力。
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测试要求
1.在桥中间放置重物，要求放上后至少保持5 s，纸桥不塌落，记下纸桥承重；
2. 每组可尝试3 次，取最高成绩。
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(3)“纸桥”作品欣赏
作品一：连体双管桥——追梦组制作
如图9 所示，把A4 纸或报纸对卷成两个圆筒，用胶带连接；筒口横向加胶带可以加强支撑力。
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作品二：三角形吊桥——创意组制作
如图10 所示，用胶带做“钢缆”，桥面做成槽形。
课堂小结
跨学科实践：桥
桥
设计原理
桥的概念
桥的发展史
力学分析
结构稳定性
桥梁结构
设计原理
模型设计
制作纸桥
分类

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