资源简介

(共22张PPT)
实践 调研桥梁建筑中的力平衡
学习目标
物理观念:学生应能够明确平衡状态和平衡力的概念,掌握二力平衡的条件;学生需认识到力平衡原理在桥梁建筑中的实际应用,理解力平衡如何确保桥梁结构的稳定性和安全性。
科学思维:学生应能够建构桥梁力平衡的实验模型,运用科学思维方法分析桥梁建筑中的力平衡问题;在探究二力平衡条件的过程中,学生应学会应用缺点改进探究模式,不断获得新的实验方法,完善实验方案。
科学探究:学生在调研和实践过程中应培养严谨求实的科学态度,尊重事实,不伪造数据。
科学态度与责任:学生应认识到物理知识在社会发展中的重要作用,特别是力平衡原理在桥梁建筑安全中的关键地位,从而增强社会责任感,为未来参与社会建设打下良好基础。
导入新课
为什么桥梁能够保持稳定,承受各种力的作用而不倒塌
任务一:了解我国著名桥梁的历史、人文背景及结构特点。
1.赵州桥：又名安济桥，位于河北省石家庄市赵县城南洨河之上。
（1）历史人文背景：赵州桥初名赵郡河石桥，唐时被命名为“安济”。其建造时间为隋开皇十四年（594年）至大业二年（606年），历史上曾经历多次修缮。它由隋朝匠师李春设计建造，距今已有1400余年，是世界上现存年代最久远、跨度最大、保存最完整的单孔坦弧敞肩石拱桥。（2）结构及艺术特点：选址合理，其河道之上的桥梁基土主要以密实的粉质粘土为主，是理想的造桥地基。该桥是单孔坦弧敞肩石拱桥，建造工艺独特，首创“敞肩拱”结构形式，桥体饰纹雕刻精细。
2.洛阳桥：原名万安桥，位于福建省泉州市境内的洛阳江水道之上。它是中国第一座跨海梁式大石桥。
（1）历史人文背景：唐朝初年大量中原人南迁至此，他们看到这里山川地势像古都洛阳，便将此地取名为洛阳，该桥也因此得名。北宋时由蔡襄主持建造，使得人民“去舟而徒，易危而安”。
（2）结构特点：桥长约731米，宽约4.5米，有45座桥墩和47个桥孔，全桥由花岗岩筑成。桥墩全部用长条石交错垒砌，两头尖，以分水势，减轻浪涛对桥墩的冲击。桥上有石梁板335根，最长达11米，两侧栏杆有645档，现保存有4尊宋代护桥石将军和6座宋代石塔等文物。它首创了“筏形基础”“种蛎固基”“浮运架梁”等先进的建桥技术，体现了官民、僧侣等社会各界对海洋贸易活动的贡献。
3.广济桥：又称湘子桥，位于广东省潮州市古城东门外，横跨韩江。它集梁桥、浮桥、拱桥于一体，为古代广东通向闽浙的交通要津。
（1）历史人文背景：始建于南宋乾道七年（1171年），刚开始是由86只巨船连接而成的浮桥，后历经变迁与修缮，形成了如今独特的风格。
（2）结构特点：它是浮梁结合结构，由东西二段石梁桥和中间一段浮桥组合而成。全长518米，东边梁桥有桥墩12个和桥台一座，西边梁桥有桥墩8个。中间浮桥由18只木船连接而成，能开能合，这种启闭式的设计既方便船只通行，又可在洪水时增加泄洪能力。梁桥的桥墩用花岗石修砌，每个桥墩上兼有造型各异的廊屋或廊亭，可兼作商铺，方便行人休憩、遮阳、挡风、避雨，也增加了桥梁的稳定性、美感和商业价值。
4.卢沟桥：亦称芦沟桥，位于北京市西南约15千米处的丰台区永定河上。它是北京市现存最古老的石造联拱桥。
（1）历史人文背景：因横跨卢沟河（即永定河）而得名。该桥始建于金大定二十九年（1189年），初名“广利桥”，后因河名改为“卢沟桥”。它是北京地区保留至今的最主要的金代建筑，见证了诸多历史事件，尤其是1937年7月7日的“卢沟桥事变”（亦称“七七事变”），是日本帝国主义全面侵华战争的开始，也是中华民族进行全面抗战的起点。
（2）结构特点：桥长212.2米，加上两端的引道总长266.5米，桥身总宽9.3米，桥面宽7.5米。其为十一孔联拱桥，桥梁均系白石建造，桥墩、拱券以及望柱、栏板、抱鼓石、华表等都用天然石英砂岩及大理石砌筑，而桥面则是用天然花岗君巨大条石铺设。桥两侧雁翅桥面呈喇叭口状，镌有望柱281根，顶端精雕子母石狮501只，桥翅各有石兽一对，西为石象，东为石狮，桥两端还各竖有华表一个。
任务二:了解我国不同地区桥梁建筑的结构特点,以及它们和力平衡的关联。
中国地域辽阔，由于不同地区在气候环境、地理地势、建筑材料等方面的不同，决定了不同地区的桥梁建筑在结构特点上存在差异；桥梁建筑的结构特点与力平衡密切相关，力平衡是指桥梁结构在承受各种荷载时，能够保持稳定和安全的状态。以下是一些常见的桥梁结构类型及其与力平衡的关联分析：
1.梁桥：以受弯为主的主梁作为承重构件的桥梁，是中国古代最普遍、最早出现的桥梁，古时称作平桥。它的结构简单，外形平直，比较容易建造。把木头或石梁架设在沟谷河流的两岸，就成了梁桥。
梁桥的主梁是主要承重构件，它通过弯曲来承受荷载。梁式结构的合理设计需要考虑梁的截面形状、尺寸和材料强度等因素，以确保梁在力平衡状态下不发生过大的变形和破坏。
2.拱桥：拱桥是古代桥梁中最常见、也是最具代表性的一种类型，它以拱形结构作为主要承重构件，通过拱的力学原理来分散桥墩的压力。拱桥的特点是构造简单、稳定性强，能够跨越较大的河流和山谷。
拱形结构是拱桥的主要承重构件，它能够将上部荷载转化为轴向压力，从而减少了弯曲应力和剪力。拱形结构的合理设计可以使桥梁在力平衡状态下承受较大的荷载。
3.亭桥：一种结合了桥梁和亭子的建筑形式，它在桥梁上建造了亭子或阁楼，既可以供行人歇脚、观景，也可以起到装饰和点缀的作用。亭桥多见于园林景观和游览胜地，它们不仅具有实用性，还兼具观赏价值。
4.穿堂桥：一种特殊的桥梁类型，它具有桥与楼阁相连的特点，通过楼阁将两侧的建筑连接起来，形成一条通道，人们可以在桥上穿行，同时欣赏到周围的景色。穿堂桥多见于宫殿、寺庙和园林等建筑中，具有较高的装饰性和艺术性。
5. 斜拉桥：斜拉桥将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。它能将主梁的横在和车辆等其他荷载通过塔柱传至地基，此时桥梁跨度一跃提升至上千米级别。
6.墩台基础和连接结构作为各种类型桥梁都具有的结构，其与力平衡关联点有：
墩台基础：墩台基础是桥梁的支撑结构，它需要承受桥梁上部结构传来的荷载，并将其传递到地基中。墩台基础的设计需要考虑地基的承载能力、沉降和稳定性等因素，以确保桥梁在力平衡状态下不发生不均匀沉降和倾斜。
连接构造：桥梁的连接构造包括伸缩缝、支座和剪力键等，它们能够使桥梁在温度变化、车辆荷载和地震等作用下保持力平衡。连接构造的合理设计可以减少桥梁结构的内力和变形，提高桥梁的耐久性和安全性。
任务三:调研我们所在地区的桥梁建筑结构与特点,并结合实例分析其受力及力平衡情况。
示例
以泸定桥为实例撰写的《泸定桥受力及力平衡调查报告》
一、引言
泸定桥作为一座具有重要历史意义和独特建筑结构的桥梁，其受力及力平衡情况对于研究古代桥梁工程具有重要价值。本次调查旨在深入分析泸定桥的受力特点和力平衡机制。
二、泸定桥概况
泸定桥位于四川省甘孜藏族自治州泸定县大渡河上，桥身由13 根铁链组成，其中 9 根为底链，4 根为扶手链。全桥净跨 100 米，桥宽 2.8 米，桥身由木板铺设。
三、受力分析
1.重力
（1）桥身自重：包括铁链、木板以及附属结构的重量。
（2）行人及负载重量：行人在桥上行走以及可能承载的货物等所产生的向下的重力。
2.拉力
（1）铁链拉力：底链和扶手链承受着桥身及负载的重力，产生巨大的拉伸力。铁链的强度和材质决定了其能够承受的最大拉力。
（2）锚固点拉力：铁链在两岸的锚固点承受着铁链传来的拉力，需要足够牢固以保持桥的稳定。
3.风荷载
风对桥身的作用力：特别是在大风天气，风对桥身产生水平方向的推力，影响桥的稳定性。
四、力平衡情况
泸定桥为悬挂式铁索桥，其受力平衡主要通过以下结构和方式来实现：
1.铁链结构：桥身由13根铁链组成，其中9根作为底链，4根作为扶手。这些铁链通过众多的铁环相扣连接在一起，形成了一个稳定的整体。铁链具有较高的抗拉强度，能够承受桥面和行人的重量。
2.桥台固定：东西两岸各有桥台一座，桥台由条石砌成，桥台内设有落井。井底用生铁铸成地龙桩和卧龙桩，铁链锚固在这些桩上。这样可以将铁链的拉力分散传递到桥台和地面，确保桥的两端有足够的支撑力。
3.重力分布：底链上铺设木板形成桥面，行人在桥面上行走。桥面的重量通过底链均匀分布到各个铁链上，使得整个桥的受力相对平衡。
4.铁链的相互牵制：13根铁链相互连接，共同作用。当桥上有重量施加时，铁链之间会通过相互牵制来分散拉力，避免单个铁链受力过大。
在建造过程中，古人充分利用了铁链的抗拉性能和桥台的支撑作用，以及巧妙的锚固方式，实现了桥的受力平衡。历经数百年，泸定桥仍然能够稳固地屹立在大渡河上，证明了其结构的科学性和稳定性。
五、结论
泸定桥通过其独特的铁链结构、合理的锚固系统以及桥身的整体设计，实现了在各种荷载作用下的力平衡。其受力及力平衡机制充分展示了古代工匠的智慧和精湛技艺，为现代桥梁工程提供了宝贵的经验和借鉴。
然而，随着时间的推移和环境的变化，泸定桥仍需要定期的维护和监测，以确保其受力平衡状态的持续稳定，保护这一重要的历史文化遗产。
板书
实　践　调研桥梁建筑中的力平衡
一、项目提出
二、理论回顾与讲解
三、实践活动过程
1.我国著名桥梁的历史、人文背景及结构特点
2.我国不同地区桥梁建筑的结构特点及它们和力平衡的关联
3.实地考察我们所在地区的桥梁建筑结构与特点
4.桥梁模型制作
四、展示交流(共12张PPT)
实　践　调研桥梁建筑中的力平衡
物理 八年级下册HK
桥梁,一般指架设在江河湖海上,使车辆行人等能顺利通行的建筑物。
力学平衡原理最成功的一个应用——石拱桥的拱券结构。拱券结构是古代工匠的一种创举,我国河北省的赵州桥就是拱券结构的典型建筑。那么在宏伟壮观的桥梁建筑中,力与平衡知识是如何应用的呢
[知识储备]
二力平衡的条件:作用在　 　物体上的两个力大小　 　、方向　 　,并且作用在　 　直线上。
同一
相等
相反
同一条
[活动方案]
任务一:查阅并整理资料。了解我国著名桥梁的历史、人文背景及结构特点;了解我国不同地区桥梁建筑的结构特点,以及它们和力平衡的关联。
中国是桥的故乡,自古就有“桥的国度”之称,发展于隋,兴盛于宋。遍布在神州大地的桥,编织成四通八达的交通网络,连接着祖国的四面八方。中国古代桥梁的建筑艺术,有不少是世界桥梁史上的创举,充分显示了中国古代劳动人民的非凡智慧。潮州广济桥、河北赵州桥、泉州洛阳桥、北京卢沟桥被称为中国四大古桥。
贵州作为中国唯一没有平原支撑的省份,桥梁数量多、类型全、技术复杂、施工难度极大,贵州的桥梁覆盖了梁式桥、拱桥、悬索桥、斜拉桥等,几乎包含了当今世界上所有的桥梁结构形式,被誉为“桥梁博物馆”。例如:贵州最古老的桥——遵义的普济桥,有“北有赵州
桥,南有葛镜桥”美誉的葛镜桥,世界上最大的跨径中承式钢混结合提篮拱桥——鸭池河大桥,世界上最高桥——北盘江第一桥,拥有世界上迄今为止最高的混凝土桥塔的黔南平塘特大桥等。
任务二:调研你所在地区的桥梁建筑结构与特点。以你感兴趣的桥梁建筑为例,分析其受力及力平衡的情况,撰写调查报告。
[实践应用]
1.如图所示是某校创造节上小李同学制作的桥梁模型。该模型静止放置在水平桌面上,它所受重力为G,它对桌面的压力为F1,桌面对它的支持力为F2,则( )
A.F2与G是一对相互作用力
B.F1与F2是一对相互作用力
C.F1与F2是一对平衡力
D.F1与G是一对平衡力
B
2.在某校科技节中,八年级同学们进行了如图所示的“纸桥承重”
比赛。
(1)纸桥放上重物后会被压弯,这是因为　 .
。
(2)小乐把20本相同的书叠放在纸桥上,纸桥没有被压垮。书本受到的总重力与　 　是一对平衡力。
力可以使物体的形状发生
改变
纸桥对书本的支持力
3.某跨铁路立交桥建造时,为了不影响南北方向上铁路的正常运行,主桥沿铁路线平行的方向上修建。重达2.48万吨的主桥面建成后,再在水平方向上逆时针转动81.67度,以实现与东西方向引桥的精确对接,此项工程创造了转体重量最大、球铰直径最大、桥身最长三项世界
纪录。
(1)主桥面转动时需要减小摩擦,请提出一种减小摩擦的办法:　 .
　。
(2)主桥面水平方向上逆时针转动过程中,它受的是　 　(选填“平衡力”或“非平衡力”);要想主桥面受力平衡,二力必须满足大小相等,方向　 　且作用在同一直线上。
(3)此主桥面重力为　 　N。(g取10 N/kg)
减小
接触面的粗糙程度
非平衡力
相反
2.48×108
4.(原创题)茜草长江大桥(曾用名:泸州长江二桥)经茜草半岛后跨越长江,接罗汉街道过进港路,成为两岸群众过江出行的重要通道。如图是正在吊装钢桁梁的情景,桥塔两边钢绳的拉力　 　(选填“是”或“不是”)一对平衡力,将钢桁梁匀速吊起过程中,钢绳对钢桁梁的拉力与钢桁梁对钢绳拉力是一对　 　(选填“平衡”或“相互作用”)力。
不是
相互作用
5.学校在科技节活动中举办了“纸桥大赛”,小明和同学们惊讶地发现,一张纸虽然轻薄,却可承受很大的力,于是他们想探究一张纸能承受的压力和结构的关系。同学们把普通的A4打印纸剪成大小相等的四部分(如图甲),分别做成单层棱数不同的正多棱柱进行以下探究。
(1)如图乙所示,将纸张分别沿较长的边和较短的边折成正三棱柱、四棱柱、六棱柱和八棱柱。
(2)如图丙所示,将棱柱放在水平桌面上,把圆形小桶轻轻放在棱柱上,静止时小桶对棱柱的压力大小　 　(选填“大于”“等于”或“小于”)小桶受到的重力。
(3)为了使棱柱受力均匀,放置时应将小桶的中轴线与棱柱的中轴线
　 　,缓缓向小桶中加水至棱柱变形,用电子秤测量出此时小桶和水的总质量M。
等于
重合
(4)换用不同的棱柱,重复步骤(3),实验数据记录如表所示。
实验序号 1 2 3 4 5 6 7 8
多棱柱的 高度/cm 10.50 14.85 多棱柱 的棱数 三 四 六 八 三 四 六 八
小桶和水的 总质量M/g 514 924 1 090 2 174 665 984 1 471 2 715
(5)实验中通过比较　 　,来判断棱柱能承受的最大压力。
(6)分析比较实验序号1和5、2和6、3和7、4和8四组数据,可以初步得到:用本实验所用的纸张折成多棱柱,棱数相同时,高度较高的能够承受的压力较　 　。
(7)分析比较实验序号　 　的数据,可得出结论:用相同的纸张折成高度相同的多棱柱,棱数越多,能承受的压力越大。进一步推理分析可知　 　柱体所能承受的压力最大,如南极泰山科考站主楼的外形就是这种形状。
小桶和水的总质量
大
1、2、3、4(或5、6、7、8)
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实践 调研桥梁建筑中的力平衡
【问题缘起】
我国古代有不少载入史册的桥梁建筑，近现代的桥梁建筑也硕果累累。这些宏伟壮观的桥梁建筑中，力与平衡知识是如何应用的？
活动主题 调研桥梁建筑中的力平衡 活动时间
活动地点 参加人员
活动内容 1.查阅并整理资料，了解我国著名桥梁的历史、人文背景及结构特点。 2. 查阅并整理资料，了解我国不同地区桥梁建筑的结构特点，以及它们和力平衡的关联。 3.调研我们所在地区的桥梁建筑结构与特点，并结合实例分析其受力及力平衡情况，撰写调查报告。
活动过程
任务一 ：了解我国著名桥梁的历史、人文背景及结构特点 1.赵州桥：又名安济桥，位于河北省石家庄市赵县城南洨河之上。 （1）历史人文背景：赵州桥初名赵郡河石桥，唐时被命名为“安济”。其建造时间为隋开皇十四年（594年）至大业二年（606年），历史上曾经历多次修缮。它由隋朝匠师李春设计建造，距今已有1400余年，是世界上现存年代最久远、跨度最大、保存最完整的单孔坦弧敞肩石拱桥。 （2）结构及艺术特点：选址合理，其河道之上的桥梁基土主要以密实的粉质粘土为主，是理想的造桥地基。该桥是单孔坦弧敞肩石拱桥，建造工艺独特，首创“敞肩拱”结构形式，桥体饰纹雕刻精细。 2.洛阳桥：原名万安桥，位于福建省泉州市境内的洛阳江水道之上。它是中国第一座跨海梁式大石桥。 （1）历史人文背景：唐朝初年大量中原人南迁至此，他们看到这里山川地势像古都洛阳，便将此地取名为洛阳，该桥也因此得名。北宋时由蔡襄主持建造，使得人民“去舟而徒，易危而安”。 （2）结构特点：桥长约731米，宽约4.5米，有45座桥墩和47个桥孔，全桥由花岗岩筑成。桥墩全部用长条石交错垒砌，两头尖，以分水势，减轻浪涛对桥墩的冲击。桥上有石梁板335根，最长达11米，两侧栏杆有645档，现保存有4尊宋代护桥石将军和6座宋代石塔等文物。它首创了“筏形基础”“种蛎固基”“浮运架梁”等先进的建桥技术，体现了官民、僧侣等社会各界对海洋贸易活动的贡献。 3.广济桥：又称湘子桥，位于广东省潮州市古城东门外，横跨韩江。它集梁桥、浮桥、拱桥于一体，为古代广东通向闽浙的交通要津。 （1）历史人文背景：始建于南宋乾道七年（1171年），刚开始是由86只巨船连接而成的浮桥，后历经变迁与修缮，形成了如今独特的风格。 （2）结构特点：它是浮梁结合结构，由东西二段石梁桥和中间一段浮桥组合而成。全长518米，东边梁桥有桥墩12个和桥台一座，西边梁桥有桥墩8个。中间浮桥由18只木船连接而成，能开能合，这种启闭式的设计既方便船只通行，又可在洪水时增加泄洪能力。梁桥的桥墩用花岗石修砌，每个桥墩上兼有造型各异的廊屋或廊亭，可兼作商铺，方便行人休憩、遮阳、挡风、避雨，也增加了桥梁的稳定性、美感和商业价值。 4.卢沟桥：亦称芦沟桥，位于北京市西南约15千米处的丰台区永定河上。它是北京市现存最古老的石造联拱桥。 （1）历史人文背景：因横跨卢沟河（即永定河）而得名。该桥始建于金大定二十九年（1189年），初名“广利桥”，后因河名改为“卢沟桥”。它是北京地区保留至今的最主要的金代建筑，见证了诸多历史事件，尤其是1937年7月7日的“卢沟桥事变”（亦称“七七事变”），是日本帝国主义全面侵华战争的开始，也是中华民族进行全面抗战的起点。 （2）结构特点：桥长212.2米，加上两端的引道总长266.5米，桥身总宽9.3米，桥面宽7.5米。其为十一孔联拱桥，桥梁均系白石建造，桥墩、拱券以及望柱、栏板、抱鼓石、华表等都用天然石英砂岩及大理石砌筑，而桥面则是用天然花岗君巨大条石铺设。桥两侧雁翅桥面呈喇叭口状，镌有望柱281根，顶端精雕子母石狮501只，桥翅各有石兽一对，西为石象，东为石狮，桥两端还各竖有华表一个。
任务二 ：了解我国不同地区桥梁建筑的结构特点，以及它们和力平衡的关联 中国地域辽阔，由于不同地区在气候环境、地理地势、建筑材料等方面的不同，决定了不同地区的桥梁建筑在结构特点上存在差异；桥梁建筑的结构特点与力平衡密切相关，力平衡是指桥梁结构在承受各种荷载时，能够保持稳定和安全的状态。以下是一些常见的桥梁结构类型及其与力平衡的关联分析： 1.梁桥：以受弯为主的主梁作为承重构件的桥梁，是中国古代最普遍、最早出现的桥梁，古时称作平桥。它的结构简单，外形平直，比较容易建造。把木头或石梁架设在沟谷河流的两岸，就成了梁桥。 梁桥的主梁是主要承重构件，它通过弯曲来承受荷载。梁式结构的合理设计需要考虑梁的截面形状、尺寸和材料强度等因素，以确保梁在力平衡状态下不发生过大的变形和破坏。 2.拱桥：拱桥是古代桥梁中最常见、也是最具代表性的一种类型，它以拱形结构作为主要承重构件，通过拱的力学原理来分散桥墩的压力。拱桥的特点是构造简单、稳定性强，能够跨越较大的河流和山谷。 拱形结构是拱桥的主要承重构件，它能够将上部荷载转化为轴向压力，从而减少了弯曲应力和剪力。拱形结构的合理设计可以使桥梁在力平衡状态下承受较大的荷载。 3.亭桥：一种结合了桥梁和亭子的建筑形式，它在桥梁上建造了亭子或阁楼，既可以供行人歇脚、观景，也可以起到装饰和点缀的作用。亭桥多见于园林景观和游览胜地，它们不仅具有实用性，还兼具观赏价值。 4.穿堂桥：一种特殊的桥梁类型，它具有桥与楼阁相连的特点，通过楼阁将两侧的建筑连接起来，形成一条通道，人们可以在桥上穿行，同时欣赏到周围的景色。穿堂桥多见于宫殿、寺庙和园林等建筑中，具有较高的装饰性和艺术性。 5. 斜拉桥：斜拉桥将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。它能将主梁的横在和车辆等其他荷载通过塔柱传至地基，此时桥梁跨度一跃提升至上千米级别。 6.墩台基础和连接结构作为各种类型桥梁都具有的结构，其与力平衡关联点有： 墩台基础：墩台基础是桥梁的支撑结构，它需要承受桥梁上部结构传来的荷载，并将其传递到地基中。墩台基础的设计需要考虑地基的承载能力、沉降和稳定性等因素，以确保桥梁在力平衡状态下不发生不均匀沉降和倾斜。 连接构造：桥梁的连接构造包括伸缩缝、支座和剪力键等，它们能够使桥梁在温度变化、车辆荷载和地震等作用下保持力平衡。连接构造的合理设计可以减少桥梁结构的内力和变形，提高桥梁的耐久性和安全性。 总之，桥梁建筑的结构特点与力平衡是相互关联的，合理的结构设计可以使桥梁在力平衡状态下安全、稳定地运行。同时，桥梁的力平衡状态也需要通过结构监测和维护来保证，以确保桥梁的安全性和耐久性。
任务三：调研我们所在地区的桥梁建筑结构与特点，并结合实例分析其受力及力平衡情况 以泸定桥为实例撰写的《泸定桥受力及力平衡调查报告》 一、引言 泸定桥作为一座具有重要历史意义和独特建筑结构的桥梁，其受力及力平衡情况对于研究古代桥梁工程具有重要价值。本次调查旨在深入分析泸定桥的受力特点和力平衡机制。 二、泸定桥概况 泸定桥位于四川省甘孜藏族自治州泸定县大渡河上，桥身由 13 根铁链组成，其中 9 根为底链，4 根为扶手链。全桥净跨 100 米，桥宽 2.8 米，桥身由木板铺设。 三、受力分析 1.重力 （1）桥身自重：包括铁链、木板以及附属结构的重量。 （2）行人及负载重量：行人在桥上行走以及可能承载的货物等所产生的向下的重力。 2.拉力 （1）铁链拉力：底链和扶手链承受着桥身及负载的重力，产生巨大的拉伸力。铁链的强度和材质决定了其能够承受的最大拉力。 （2）锚固点拉力：铁链在两岸的锚固点承受着铁链传来的拉力，需要足够牢固以保持桥的稳定。 3.风荷载 风对桥身的作用力：特别是在大风天气，风对桥身产生水平方向的推力，影响桥的稳定性。 四、力平衡情况 泸定桥为悬挂式铁索桥，其受力平衡主要通过以下结构和方式来实现： 1.铁链结构：桥身由13根铁链组成，其中9根作为底链，4根作为扶手。这些铁链通过众多的铁环相扣连接在一起，形成了一个稳定的整体。铁链具有较高的抗拉强度，能够承受桥面和行人的重量。 2.桥台固定：东西两岸各有桥台一座，桥台由条石砌成，桥台内设有落井。井底用生铁铸成地龙桩和卧龙桩，铁链锚固在这些桩上。这样可以将铁链的拉力分散传递到桥台和地面，确保桥的两端有足够的支撑力。 3.重力分布：底链上铺设木板形成桥面，行人在桥面上行走。桥面的重量通过底链均匀分布到各个铁链上，使得整个桥的受力相对平衡。 4.铁链的相互牵制：13根铁链相互连接，共同作用。当桥上有重量施加时，铁链之间会通过相互牵制来分散拉力，避免单个铁链受力过大。 在建造过程中，古人充分利用了铁链的抗拉性能和桥台的支撑作用，以及巧妙的锚固方式，实现了桥的受力平衡。历经数百年，泸定桥仍然能够稳固地屹立在大渡河上，证明了其结构的科学性和稳定性。 五、结论 泸定桥通过其独特的铁链结构、合理的锚固系统以及桥身的整体设计，实现了在各种荷载作用下的力平衡。其受力及力平衡机制充分展示了古代工匠的智慧和精湛技艺，为现代桥梁工程提供了宝贵的经验和借鉴。 然而，随着时间的推移和环境的变化，泸定桥仍需要定期的维护和监测，以确保其受力平衡状态的持续稳定，保护这一重要的历史文化遗产。
【实践应用】
1．图为北京延庆至河北崇礼的高速公路上有着“冬奥之门”美誉的杏林堡大桥，它由重庆某公司设计，其造型体现“更高、更快、更强”的奥运精神。以下有关说法正确的是（　　）
A．桥上高高耸起的拱塔相对桥墩是运动的
B．桥墩静止在水中没有惯性
C．拱塔的重力和它对桥梁的压力是一对平衡力
D．大桥的路面铺设得粗糙不平是为了增大摩擦
2．如图所示是位于河北省赵县的赵州桥，它是世界上最早的开拱石桥，它的建成标志着中国古代桥梁建筑技术达到了一个新的高度。赵州桥在水中“倒影”的形成原理是（　　）
A．光的直线传播 B．光的反射 C．光的折射 D．光的色散
3．如图所示，是高速公路上一些隧道口、桥梁、宽阔路段设置的注意横风的标志和风向袋。垂直于车身方向吹来的猛烈横风，会改变面包车、大型客车、帆布篷货车等厢式车的行驶方向，甚至使其侧翻。因为这些车辆的整体重心较 高 （选填“高”或“低”），稳定性差。横风能吹翻车辆说明力能改变物体的 运动状态 。若风向袋垂直于竖杆飘向东方，说明当时有很强烈的 西 风。
4．如图所示，唐河县澧水大桥是城区外环的关键枢纽，全长1053 m （填写合适的单位），双向六车道，是南阳市现有桥梁中跨径最长的大桥。以桥面上行驶的汽车为参照物，桥上的路灯是 运动 的。
5．悬索桥（图甲）是目前世界上跨度最大的桥梁，它的主要承重构件是悬索，它主要承受拉力，小珊观察了悬索桥后，想知道两个拉力产生的作用效果与互成的角度有什么关系，于是她进行了下面的实验．
设计方案：如图乙，用两个互成角度的弹簧测力计拉固定在木板上的橡皮筋，依据拉力与弹簧的伸长量成正比，当每次把橡皮筋拉到相同位置时，可以认为这两个拉力产生的作用效果相同．
（1）按照设计方案，小珊用两个大小相等的拉力拉同一根橡皮筋完成了实验，将实验结果记录如下表：（拉力F是拉橡皮筋到达预定位置的力）
①分析上表可知，两个拉力F1与F2产生的作用效果与互成的角度 有关 （选填“有关”或“无关”），即当作用效果相同时，互成的角度越大，两个拉力 越大 （选填“越大”或“越小”）．
角度/° 0 30 45 60 90 120
拉力F1/N 2 2.1 2.2 2.3 2.8 4
拉力F2/N 2 2.1 2.2 2.3 2.8 4
拉力F/N 4
②在上表中，当两个拉力互成角度为0°时，拉力F1与F2之和与拉力F的大小 相等 ，当两个拉力相等且互成180°时，此时F1和F2是一对 平衡 力，橡皮筋保持静止状态
（2）以上实验中一个力F与F1和F2两个力产生的作用效果相同，物理中把F叫做F1和F2的合力，F1、F2叫做F的分力，有人说合力一定比任意一个分力大，根据上表数据你判断这种说法是 错误 的，请根据表格中的具体数据，举例说明: 当两个分力互成120°角时，合力的大小等于每个分力的大小 ．
（3）根据实验结果，请你提出正确的安装晾衣架承重钢丝（图丙）的建议： 考虑到两条钢丝的承拉能力，其夹角不易过大 。
6．我国是桥梁建设的大国，桥梁建设时需要考虑钢梁的“下垂量”。如图甲所示钢梁向下弯曲偏离水平位置的距离h叫下垂量。小明通过分析桥梁结构做出如下两个假设猜想：①钢梁的下垂量h可能与钢梁所受到的压力F有关；②钢梁的下垂量h可能与两个支撑柱间距离s有关，于是进行了如下实验：

（1）小明首先想探究“一根钢梁的下垂量h与两个支撑柱间距s的关系”请你为他设计记录实验数据的表格。
答案：
实验次数 压力F/N 间距s/cm 下垂量h/cm
1
2
3
（2）如图乙是小亮探究“一根钢梁的下垂量h与钢梁所受的压力F的关系”时画出的下垂量h与所受压力F关系的图线，根据图像可得结论： 当两个支撑柱间距离等相同时，下垂量与钢梁所受的压力成正比 。
（3）观察发现，我国许多短式桥梁在设计时会设计成拱式桥，使其能承受更大的压力，请你就这一现象提出一个值得研究的猜想，桥梁能承受的最大压力与 桥梁的形状（或桥梁的长度） 是否有关。
7．组织学生进行郊游，队伍要经过一座大桥，队伍长400m，若队伍前进可看作是匀速直线运动，已知这支队伍行进速度为2m/s，整列队伍全部通过桥共用10min，公路桥梁的两端有类似如图的标志（t是“吨”的符号，30t表示桥梁最大能承受质量为30t的物体的重力；g=10N/kg ）。
（1）清河大桥的长度是多少？
（2）在遵守交通规则的前提下，一辆小车通过主桥梁至少需要多少时间
（3）桥梁最大能承受物体的重力．
（4）若一辆自身质量为1t的汽车，装有10m3的砖，已知砖的密度ρ=2.6×103 kg/m3 ，汽车能否通过这座桥？
解：（1）由可得，整列队伍全部通过桥时通过的路程：
；
由于通过的路程等于桥长+队伍长，所以，清河大桥的长度：
；
（2）由交通标志牌知，此路程限速40km/h，小车在遵守交通规则的前提下，通过主桥梁的最少时间：
；
（3）根据图示可知，桥梁最大能承受物体的重力：
；
（4）砖的质量：；
砖所受的重力：；
车所受的重力：
车的总重：；
因为，所以汽车能通过这座桥。
答：（1）清河大桥的长度是0.8km；
（2）小车通过主桥梁至少需要72s；
（3）桥梁最大能承受物体的重力为3×105N；
（4）汽车能通过这座桥。
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实　践　调研桥梁建筑中的力平衡
物理观念:学生应能够明确平衡状态和平衡力的概念,掌握二力平衡的条件;学生需认识到力平衡原理在桥梁建筑中的实际应用,理解力平衡如何确保桥梁结构的稳定性和安全性。
科学思维:学生应能够建构桥梁力平衡的实验模型,运用科学思维方法分析桥梁建筑中的力平衡问题;在探究二力平衡条件的过程中,学生应学会应用缺点改进探究模式,不断获得新的实验方法,完善实验方案。
科学探究:学生在调研和实践过程中应培养严谨求实的科学态度,尊重事实,不伪造数据。
科学态度与责任:学生应认识到物理知识在社会发展中的重要作用,特别是力平衡原理在桥梁建筑安全中的关键地位,从而增强社会责任感,为未来参与社会建设打下良好基础。
教学重点:跨学科综合欣赏桥梁中的力平衡之美
教学难点:桥梁模型的制作跟实验分析
教师演示:选择合适的桥梁实地考察地点;准备桥梁模型制作材料;设计数据收集表格
学生实验:预习力的平衡相关知识;准备记录本和笔
一、项目提出 1.情境创设:老师展示中国桥梁视频,引导学生观察桥梁的结构和形态,激发他们对桥梁建筑的兴趣。 2.问题导入:提出问题,如“为什么桥梁能够保持稳定,承受各种力的作用而不倒塌 ”引导学生思考力平衡在桥梁建筑中的作用。 通过播放视频,了解我国桥梁的综合知识,带学生开始跨学科实践
二、理论回顾与讲解 1.回顾旧知:快速回顾力的基本概念、力的合成、平衡状态与平衡力的定义等。 2.新知讲解: 二力平衡的条件:详细讲解二力平衡的条件,即作用在同一物体上的两个力,大小相等、方向相反、作用在同一条直线上。 3.师生共建: 力平衡在桥梁建筑中的应用:通过实例说明力平衡原理在桥梁设计、施工和维护中的重要作用。 三、实践活动过程 任务一:了解我国著名桥梁的历史、人文背景及结构特点。 1.老师先示例: 赵州桥:又名安济桥,位于河北省石家庄市赵县的洨河之上。 明确本节课学习任务,为学习做好知识准备
　(1)历史人文背景:赵州桥初名赵郡河石桥,唐时被命名为“安济”,历史上曾经历多次修缮。它由隋朝匠师李春设计建造,距今已有1400余年,是世界上现存跨度最大、保存最完整的单孔坦弧敞肩石拱桥。 (2)结构及艺术特点:选址合理,其河道之上的桥梁基土主要以密实的粉质粘土为主,是理想的造桥地基。该桥是单孔坦弧敞肩石拱桥,建造工艺独特,首创“敞肩拱”结构形式,桥体饰纹雕刻精细。 2.鼓励同学尝试讲述课前准备的调查材料。 任务二:了解我国不同地区桥梁建筑的结构特点,以及它们和力平衡的关联。 1.老师引导:中国地域辽阔,由于不同地区在气候环境、地理地势、建筑材料等方面的不同,决定了不同地区的桥梁建筑在结构特点上存在差异;桥梁建筑的结构特点与力平衡密切相关,力平衡是指桥梁结构在承受各种荷载时,能够保持稳定和安全的状态。 2.老师先出示梁桥、拱桥、亭桥、斜拉桥等图片。 老师先和同学们共同分析拱桥的桥梁结构类型及其与力平衡的关联: 拱桥:拱桥是古代桥梁中最常见、也是最具代表性的一种类型,它以拱形结构作为主要承重构件,通过拱的力学原理来分散桥墩的压力。拱桥的特点是构造简单、稳定性强,能够跨越较大的河流和山谷。 拱形结构是拱桥的主要承重构件,它能够将上部荷载转化为轴向压力,从而减少了弯曲应力和剪力。拱形结构的合理设计可以使桥梁在力平衡状态下承受较大的荷载。 3.依次让同学们讲解其他桥梁的结构特点及与力平衡的关联。 4.师生共同总结:桥梁建筑的结构特点与力平衡是相互关联的,合理的结构设计可以使桥梁在力平衡状态下安全、稳定地运行。同时,桥梁的力平衡状态也需要通过结构监测和维护来保证,以确保桥梁的安全性和耐久性。 通过示例,给学生定好介绍的方向和长度,算是一种引导 老师适当引导,带学生突破难点,避免盲目实践,养成良好的探究习惯
任务三:调研我们所在地区的桥梁建筑结构与特点,并结合实例分析其受力及力平衡情况。 1.实地考察与数据收集 (1)实地考察:组织学生前往选定的桥梁进行实地考察。在考察过程中,引导学生观察桥梁的结构特点、受力情况等。 (2)数据收集:指导学生使用测量工具(如卷尺、测力计等)收集桥梁的关键数据,如桥梁的长度、宽度、高度、承重能力等。 (3)记录观察:要求学生记录观察结果,包括桥梁的形态、结构特点、受力情况等,并尝试用物理原理进行解释。 2.模型制作与实验探究 (1)分组制作:将学生分成几个小组,每组负责制作一个桥梁模型。模型可以选用简单的材料,如纸板、木条、细线等。 (2)设计实验:指导学生设计实验,探究桥梁模型在不同力作用下的稳定性。例如,可以测试桥梁模型在承受不同重力时的形变情况。 (3)数据分析:收集实验数据,运用数学方法进行数据分析。引导学生比较不同桥梁模型的稳定性,探究影响桥梁稳定性的因素。 此环节也可在课前让学生分小组进行,但要老师加强安全和专业方面的指导
四、展示交流 小组讨论:组织学生分组讨论桥梁建筑中的力平衡问题。鼓励学生分享自己的观察结果、实验数据和分析结论。 全班总结:各小组派代表向全班汇报讨论结果。教师进行总结,强调力平衡在桥梁建筑中的重要性,并引导学生思考如何将所学知识应用于实际生活中。 对分析过程和制作过程及制作成果及时进行反思,不断改进,培养分析概括能力
实　践　调研桥梁建筑中的力平衡
一、项目提出
二、理论回顾与讲解
三、实践活动过程
1.我国著名桥梁的历史、人文背景及结构特点
2.我国不同地区桥梁建筑的结构特点及它们和力平衡的关联
3.实地考察我们所在地区的桥梁建筑结构与特点
4.桥梁模型制作
四、展示交流
作业1:查阅资料,写一份科学小论文,分享世界知名桥梁建筑的历史、人文内涵及结构特点,了解物理学在这些建筑中的重要作用。
作业2:鼓励学生关注身边的桥梁建筑,思考其他可能影响桥梁稳定性的因素,并尝试用物理原理进行解释。同时,可以引导学生探索更多关于桥梁建筑的知识,如桥梁的历史、类型、设计等。
本次初中物理跨学科实践活动“调研桥梁建筑中的力平衡”取得了显著的成效。通过实地考察、模型制作、数据分析等一系列活动,学生们不仅深入理解了力平衡原理,还学会了如何将其应用于实际情境中,特别是桥梁建筑领域。活动过程中,学生们的观察力、分析力、实践能力和跨学科应用能力都得到了显著提升。同时,通过小组讨论和合作学习,学生们也增强了团队协作能力和沟通能力。
然而,在教学实施过程中也暴露了一些问题,如时间分配不均、学生参与度差异、理论与实践结合不够紧密以及评价体系尚需完善等。针对这些问题,进行了深入的反思,并提出了相应的改进措施
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