资源简介

/ 让教学更有效 高效备课 | 科学学科
核心素养
科学观念：认识建筑结构的类型、受力特点及形变形式，建立结构与功能相适应的认知。
科学思维：通过分析结构受力与形变，学会运用分类、归纳等方法探究建筑结构的规律。
探究实践：通过一些有趣的小活动，初步感受科学就在身边，科学与生活息息相关，初步感悟合作学习和交流分享是学习科学的重要方法；
态度责任：感受建筑结构的科学价值与美学价值，培养对工程技术的探究兴趣和创新意识。
【课前预习】
一、建筑结构及其分类
1、建筑结构概念：事物各部分有序搭配与空间排列
2、主要类型
（1）框架结构：刚性杆组成梁和柱，支撑空间不充满
（2）壳体结构：层状薄板曲面造型，分散受力
（3）实体结构：结构体实心，受力分布整体
3、基本组成——构件：联结成整体，承受并传递荷载
二、结构受力与形变
1、形变类型：拉伸、压缩、弯曲等
2、典型构件受力与形变
（1）横梁：水平放置，受竖直力，弯曲
（2）三角形桁架：三角形杆件联结，受力后部分拉伸、部分压缩
（3）弧形拱结构：受压后挤压传递力，基座产生支持力与水平力
三、建筑结构的稳定性
1、概念：外力作用下维持原有平衡的能力
2、影响因素：重心高低、支撑面大小、结构形状（三角形最优）
四、建筑结构的强度
1、概念：抵抗外力作用的能力
2、影响因素：外部形状、构件截面形状、结构材料、连接方式
五、结构与功能的关系
1、结构决定功能（兼顾美观、文化等）
2、功能依赖结构，结构优化增强功能
【课中研学】
1、建筑结构的概念
在建筑领域，结构是指组成事物的各个部分之间的有序搭配和空间排列。
（1）结构普遍存在于自然界和人类创造的各种事物中。
（2）不同的事物往往具有不同的结构，不同的结构具有不同的功能。
2、建筑结构的主要类型
建筑结构的分类多种多样。依据受力情况，建筑结构一般可以分为框架结构、壳体结构和实体结构等。
（1）框架结构
①核心特征：框架结构是指以刚性的杆作为梁和柱组成的结构。
②受力特点：刚性的杆按一定的规则在空间排布，支撑空间而不充满空间，共同承受所受的力。
（2）壳体结构
①核心特征
壳体结构是指层状的结构，由若干块薄板组成，薄板做成具有曲面轮廓的外形，看起来造型轻巧而优雅。
②受力特点
在壳体结构中，其拱形曲面可以把受到的力均匀分散在结构体的各个部分，这种结构能承受较大的力，使结构更加坚固。
（3）实体结构
①核心特征：实体结构是指结构体本身是实心的结构。
②受力特点：利用自身来承受力，承受的力分布在整个实体上。
3、结构的基本组成——构件
（1）定义：一个较复杂的结构由许多不同的部分组成，这些组成部分通常称为构件。
（2）功能：构件（如梁、柱）相互联结成一个整体，起着承受外力（又称荷载）的作用，并将其传递到基座。
二、结构受力与形变
用相同材料制作的形状不同的结构，或不同材料制作的形状相同的结构，能够承受力的大小是不同的。
因此，我们需要分析作用在结构上的力，以及这样的结构能否承受这些力的作用，以确保结构的稳固性、可靠性。
探索活动
（1）取一根长20cm、直径2cm的弹性橡胶棒，将橡胶棒当作结构的构件。
（2）用两手抓住橡胶棒两端，用力向外拉伸，观察橡胶棒因受拉而产生的形变。
（3）用两手抓住橡胶棒两端，用力向内挤压，观察橡胶棒因受压而产生的形变。
（4）将橡胶棒两端支起来，中间悬空，用力向下压橡胶棒的中部，观察橡胶棒因中部受压力而产生的形变。
1、形变的基本类型
当物体受到不同的力的作用时，会产生拉伸、压缩、弯曲等形变。通常情况下，结构的构件可能会同时受到多个力的作用，此时，该构件会产生多种形式的形变。
2、典型构件的受力与形变
（1）横梁
横梁是建筑结构中经常出现的构件。横梁呈水平放置，承受竖直方向的力的作用，产生形变。
思考与讨论：
跳水的跳板用弹性材料做成，其一端固定，运动员站在另一端，跳板发生形变，产生弹力帮助运动员起跳。请分析跳板的形变情况。
跳板会发生弯曲，上部被拉伸，下部被压缩。
（2）三角形桁架
①定义：三角形桁架结构是由杆件连接成三角形的一种空间结构。
②受力与形变
当三角形桁架上部受到力F1的作用时，力F1会通过杆件传递给整个桁架，此时，B、C杆件被压缩，A杆件被拉伸，虚线为形变后的情况。
（3）弧形拱结构
当弧形拱受到向下的压力F1的作用时，拱被压缩，拱的各部分相互挤压，压力F1被拱传递，对基座产生作用力，基座便产生竖直向上的支持力F2、F3和水平方向的力F4、F5。
思考与讨论：请分析图中石拱桥A、B、C、D四处石块的受力情况。
A处石块受到两侧石块的水平推力、桥面压力和自身重力，处平衡状态；B、C处石块受相邻石块的反作用力，形成力的传递，水平分力抵消，竖直分力与重力平衡；D处石块受地基的支持力和水平力，同时受到上方石块的压力和自身重力而处于平衡。
1、建筑结构的稳定性
（1）结构稳定性的概念
结构在外力的作用下，维持其原有的平衡状态的能力，叫作结构的稳定性。
建筑物需要良好的结构稳定性。结构的稳定性是结构的重要性质之一。
（2）影响建筑结构稳定性的因素
①重心高低
建筑结构的重心高低是影响其稳定性的关键因素之一。在支撑条件相同的前提下，重心越低，结构稳定性越强。
②支撑面的大小
支撑面的大小是影响建筑结构稳定性的重要因素，通常支撑面越大，结构越稳定。
整体重心低、支撑面大的建筑结构稳定性更好。
探索活动
（1）把四根短木棒钉起来，形成一个长方形结构，在一个角上施加作用力 F，观察长方形结构是否比较容易变成平行四边形结构。
（2）把三根短木棒钉起来，形成一个三角形结构，在一个角上施加作用力 F，观察三角形结构是否比较容易发生形变。
实验现象：四边形结构在力的作用下，很容易发生形状的改变；而三角形结构在力的作用下，其结构保持不变。
实验结论：三角形结构的稳定性比四边形结构强。
③结构的形状
三角形是所有几何形状中最坚固、稳定的结构，因此在生产和生活中得到广泛应用。
2、建筑结构的强度
（1）结构强度的概念:结构的强度是指结构抵抗外力作用的能力。
（2）影响建筑结构强度的因素
结构的强度与结构的形状、材料、连接方式等有密切的关系。
①外部形状
三角形是框架结构中最基本的构造之一。人们在长方形或六边形等框架中，通常加入支撑杆件，构成多个三角形，这样可以大大提升结构的强度，使结构能承受更大的荷载。
②构件截面形状
相同材料制成的框架构件，采用的截面不同，如工字形、口字形、环形、方形和圆形等，其承受力的大小也不一样。
思考与讨论：图中是某建筑中使用的钢材，请画出所用钢材的截面图示。查找资料，说一说这样的截面有什么好处。
口字型：抗侧移、抗扭转能力较好，适合作为竖向承重构件。
工字形：抗弯强度高，水平布置可防止侧向失稳，适合长跨度结构。
③结构材料
相同形状的不同材料制成的结构构件，其强度也不相同。在生产中，通常会根据用途选择合适的材料。
思考与讨论：在制作混凝土梁的时候，为什么要在混凝土中加入钢筋？
虽然混凝土具有较好的抗压性，但抗拉性比较差，借助钢材的抗拉性提升梁的强度。
3、结构和功能关系
（1）建筑的结构决定了其功能
结构的变化可能会使建筑的功能得以增强，更好地应用于不同的环境。
（2）功能的实现需要相应的结构来保障
当然，良好的结构设计不仅要表现在其功能上，还要表现在其形式上，如展现美，反映时代特征、文化内涵等。
科学阅读：蜂窝结构
蜂窝由许多个大小相同的蜂房组成，蜂房都是六棱柱体，每个蜂房都被其他蜂房包围，两个蜂房之间只隔着一堵蜂蜡制成的墙。这种结构非常精巧，用料也少，既适合蜜蜂近似圆柱形的身体，又提高了空间利用率。
蜜蜂能建筑精巧的蜂窝是长时间进化的结果，蜂窝的结构和功能堪称完美。
蜂窝结构给了工程师很大的启示。人们在设计一些强度高、用料少，还需隔音和隔热的工程结构时，往往采用蜂窝结构。例如，航天飞机、宇宙飞船等航天器需要具备上述性能，它们的内部大量地采用了蜂窝结构。
【课堂总结】
【课堂练习】
1．在日常生活中，重心的位置是决定结构稳定性的一个重要因素。下列属于利用降低重心高度实现其稳定状态的结构是（　　）
A．安全帽 B．儿童陀螺玩具
C．自行车的支撑架 D．不倒翁玩具
2．如图所示，在用扁担挑担时，扁担及绳索的受力形变形式分别是(　　)
A．扁担受拉、绳索受压 B．扁担受弯曲、绳索受拉
C．扁担受压、绳索受拉 D．扁担受拉、绳索受弯曲
3．在结构设计中，往往根据需求采用不同的结构类型。下列有关结构类型的说法，不正确的是 (　　)
A．实体结构是指结构体本身是实心的结构
B．框架结构构件的几何特征是厚度比长度和宽度小得多
C．框架结构通常是指结构体由细长的构件组成
D．在实际的生产生活中，组合结构的应用较为广泛
4．如图是建筑工程中承重钢筋混凝土梁柱的结构示意图，主要利用的钢筋的物理属性是　 　(填“密度”或“抗拉强度”)，在搭建钢筋框架时应该将受力钢筋放在梁柱的　 　(填“上层”或“下层”)。已知钢筋的密度为 7.8g/cm3，则横截面积为 长为 10m的钢筋质量为　 　kg。粗细均匀的某种物质单位长度的质量定义为线密度，现有直径8mm和16mm 的两种钢筋，直径为　 　的钢筋线密度较大。
（4题图） （5题图）
5．学习了结构的知识之后，小明同学使用如图所示的装置对某种结构的强度进行了试验。
材料：大小相近的生鸡蛋若干、大小合适的瓶盖6个。
工具：砝码若干、鸡蛋强度测试架、防护眼镜。
请回答下列问题：
（1）小明同学研究的结构属于　 　结构。
（2）请在下列操作步骤中选择合适的，并完成排序：　 　。
a.逐步增加砝码至鸡蛋被压碎，记录此时的砝码质量
b.将三个鸡蛋分别立于瓶盖上
c.将瓶盖盖在鸡蛋上
d.将3个大小合适的瓶盖以等边三角形放在测试平台边缘
e.将3 个大小合适的瓶盖任意摆放在测试平台边缘
f.盖上上测试板，轻轻放置砝码
（3）砝码应该放置在____(填字母)。
A．鸡蛋形成的三角形的中心 B．测试板任意位置
（4）本试验中，瓶盖的作用是　 　。
【课后练习】
1．2024年9月 27 日凌晨，榕山长江大桥正式开放交通，长江上再增一条过江通道，大桥惠及沿线30余万群众，大桥总长1513米，其中主桥长 1 055 米，桥面上的斜拉钢缆与桥面呈三角形结构，这是利用了(　　)
A．三角形的对称性 B．三角形的稳定性
C．三角形的灵活性 D．三角形的全等性
（1题图） （2题图）
2．如图为某桥梁施工中的预制梁场，其优点是（　　）
A．缩短工期 B．降低精度 C．增加成本 D．依赖天气
3．横跨鄂西绝壁的四渡河大桥（如图所示），以560m深渊之上的“天路天桥”震撼世人，主跨900m，创山区悬索桥纪录。这座沪渝高速“咽喉”工程，在险峰深谷中书写人类征服自然的壮丽篇章。下列有关悬索桥的说法，不正确的是（　　）
A．悬索桥是以承受拉力的缆索或链索作为主要承重构件的桥梁
B．悬索桥中的缆索的受力是张力，塔架所受的力是压力
C．悬索桥用料省、自重轻，在各种体系桥梁中的跨越能力最大
D．悬索桥不可以在比较深的或比较急的水流上建造
（3题图） （4题图）
4．如图所示的钱塘江大桥又名钱江一桥，位于中国浙江省杭州西湖之南，六和塔附近钱塘江上，由中国桥梁专家茅以升主持设计，是中国自行设计、建造的第一座双层铁路、公路两用桥。下列说法中，不正确的是（　　）
A．钱塘江大桥属于框架结构双层析架梁桥
B．钱塘江大桥的桥梁起稳定结构的是其中的平行四边形
C．钱塘江大桥的桥墩是由石头、混凝土建造的实心结构
D．钱塘江大桥的主梁受到向下的作用力时发生形变向下弯曲
5．桥梁设计中常使用三角形结构，主要是因为三角形具有（　　）
A．美观对称的特点 B．便于快速施工的优势
C．高稳定性和抗变形能力 D．节省材料的天然特性
6．房屋、桥梁、塔等各种建筑都有结构。关于结构一词，下列说法中不正确的是（　　）
A．结构指组成事物的各部分之间的有序搭配和空间排列
B．结构存在于人类创造的各种事物中，而自然界中并不存在
C．不同的事物往往具有不同的结构
D．不同的结构具有不同的功能
7．赵州桥(如图所示)又称安济桥、大石桥，位于河北省石家庄市赵县城南的洨河上，始建于隋代(公元595年一605年)，由著名匠师李春设计建造，是世界上现存年代最久、跨度最大、保存最完整的单孔坦弧敞肩石拱桥。请回答下列问题：
（1）拱桥是用　 　作为桥身主要承重结构的桥，赵州桥的建造材料是　 　。
（2）赵州桥的桥梁称为“敞肩拱”，指的是　 　；“敞肩拱”的意义在于　 　
（3）除了杭州的拱宸桥，请再举出浙江省境内或你家乡的石拱桥：　 　
8．蜂窝结构是覆盖二维平面的最佳拓扑结构。蜂窝结构是蜂巢(如图所示)的基本结构，是由一个个同样大小且相同形状的单房、房口全朝下或朝向一边、背对背对称排列组合而成的一种结构。这种结构有着优秀的几何力学性能，因此在材料领域中有广泛应用。请回答下列问题：
（1）蜂窝的每一个蜂房都是　 　形状的，使得每一个蜂房都被其他蜂房包围。
（2）蜂窝的这种结构非常精巧，其最突出的优点是　 　
（3）蜂房的精妙结构不仅令自然学家们叹为观止，更激发了科学家们的浓厚兴趣。通过深入探索，科学家们意外地发现并开发出一种具有蜂窝结构的新型材料，在工程领域中，这种材料在隔音、隔热、导流、电磁屏蔽以及缓冲吸能等方面展现出广泛的应用潜力。请举例说明：
　 　。
9．桥的研究
（1）港珠澳大桥是我国境内连接香港、珠海和澳门的桥隧工程，全长55公里，是目前世界上最长的跨海大桥，也是我国交通史上技术最复杂、建设要求和标准最高的工程之一，它在2018年 10月24 日开通运营
港珠澳大桥图示部分的桥体从结构上看属于我们学过的　 　桥。这种桥的特点是跨度大，抗风性能好，稳定性强。
（2）小科和他的研究小组要共同设计建造一座桥。要求桥能跨越20cm 宽的峡谷，桥面的宽度要大于10 cm，至少能承重200 g的小车。图1是他们第一次设计的结构图。
①设计中，如果小科将桥面的宽度增加到20cm，那么桥面的承重能力会　 　。
②他们将桥面设计成圆纸管平铺(图4)，其最终目的是　 　。
③第二次改进时(图3)，增加了桥塔设计，下列三种设计中，如果其他条件相同，缆绳承受拉力最小的是　 　。
④用对比实验研究“桥塔高度对桥面承重能力的影响”，题(2)③中的三种桥梁设计图中，最合理的选择是　 　和　 　。
⑤从结构上看，图3结合了　 　和　 　两种桥的设计结构
参考答案
课堂练习
1．【答案】D
【知识点】建筑结构的功能
【解析】【分析】 认真需要分析每个选项，找出通过降低重心高度来增加稳定性的结构
【解答】 A. 安全帽的设计主要是为了保护头部，其稳定性并不是通过降低重心来实现的，故A不合题意；
B. 陀螺玩具在旋转时，其稳定性主要依靠角动量守恒和旋转效应，而不是通过降低重心高度，故B不合题意；
C.自行车的支撑架（如侧支架）是通过增加支撑面积来实现稳定性，而不是通过降低重心高度，故C不合题意；
D. 不倒翁玩具的底部通常设计为较重且圆滑，这使得其重心位置较低。当不倒翁倾斜时，低重心的设计会产生一个恢复力矩，使其回到直立状态，故D符合题意。
故选D。
2．【答案】B
【知识点】结构受力与形变
【解析】【分析】对扁担和绳索进行受力分析，从而确定受力情况和发生的变化。
【解答】 扁担在挑担时，两端通常悬挂重物（如货物或水桶），中间由人用肩膀支撑。 从力学角度看，扁担的两端受到向下的拉力而弯曲；
绳索通常用于连接扁担和重物，承受重物的重量。绳索的受力方向是沿其长度方向向下，因此绳索的主要形变形式是受拉（被拉长）。
故选B。
3．【答案】B
【知识点】建筑结构及其分类
【解析】【分析】根据常见的结构类型的特点分析判断。
【解答】 实体结构是指结构体本身是实心的结构，故A正确不合题意；
框架结构构件的几何特征不是厚度比长度和宽度小得多，故B错误符合题意；
框架结构通常是指结构体由细长的构件组成，故C正确不合题意；
在生产生活实际中，组合结构的应用较为广泛，故D正确不合题意。
故选B。
4．【答案】抗拉强度；下层；3.9；16mm
【知识点】密度公式的应用；建筑结构的功能
【解析】【分析】（1）根据钢筋在混凝土中的作用分析；
（2）根据上面钢筋和下面钢筋的作用不同解答；
（3）根据公式m=ρV计算即可；
（4）根据m=ρV=ρSl分析解答。
【解答】（1） 在建筑工程中，钢筋混凝土梁柱主要利用钢筋的抗拉强度。钢筋的高抗拉强度能够有效抵抗梁柱在受力时产生的拉力，防止结构断裂。
（2） 在搭建钢筋框架时，受力钢筋应放在梁柱的下层。因为梁在受力时，下层主要承受拉力，而上层主要承受压力，混凝土本身抗压能力强，但抗拉能力弱，因此需要将钢筋布置在下层以增强抗拉性能。
（3） 横截面积为50mm2，长为10m的钢筋体积为V=SL=50×10-6m2×10m=5×10-4m3；
质量为m=ρV=7.8×103kg/m3×5×10-4m3=3.9kg。
（4） 直径8mm和16mm 的两种钢筋， 它们的密度和长度相同，根据m=ρV=ρSl可知，16mm的钢筋的质量更大，则它的线密度更大。
5．【答案】（1）壳体结构
（2）dbcfa
（3）A
（4）使鸡蛋均匀受力
【知识点】建筑结构及其分类
【解析】【分析】（1）壳体结构：壳体内空，受力合理，形态稳定：特征：几何形状有折线式（方形、多边形）的、圆弧的和拱形的。
（2）根据实验目的，结合实验器材确定实验步骤的正确顺序；
（3）放上鸡蛋后，要保证受力均匀；
（4）根据实验过程确定瓶盖的作用。
【解答】 （1）鸡蛋的表面为拱形， 能够将外力分散到各个部分，从而承受较大的压力，所以小明同学研究的结构属于壳体结构；
（2） 根据题意可知，正确的实验操作顺序应为：
d：将3个瓶盖以等边三角形摆放（确保受力均匀）。
b：将鸡蛋立于瓶盖上（固定鸡蛋位置）。
c：将瓶盖盖在鸡蛋上（防止鸡蛋滑动）。
f：盖上测试板并轻轻放置砝码（开始加载压力）。
a：逐步增加砝码至鸡蛋被压碎，记录此时的砝码质量。
即顺序为dbcfa。
（3）砝码应该放置在鸡蛋形成的三角形的中心， 这样才能确保压力均匀分布在三个鸡蛋上。
故选A。
（4）本试验中，瓶盖的作用： 分散压力，通过瓶盖与测试板的接触面，将砝码的压力均匀传递到鸡蛋的拱形结构上。
课后练习
1．【答案】B
【知识点】结构受力与形变
【解析】【分析】三角形是所有几何形状中最坚固稳定的结构，因此三角形结构的稳定性在生产和生活中很常见。
【解答】如题图所示的榕山长江大桥桥面上的斜拉钢缆与桥面呈三角形结构，这是利用了三角形具有稳定性，故只有B选项正确。
故答案为：B。
2．【答案】A
【知识点】建筑结构的功能；桥梁的组成与分类；搭建人行浮桥
【解析】【分析】桥梁预制场是为桥梁工程建设服务的关键环节，主要用于生产混凝土构件。施工控制质量相比现浇梁要好；施工快，与桥梁下部同时作业，不耽误工期，施工效率高；对施工现场周边的城市环境影响较小，环保。
【解答】A、在桥梁施工中设置预制梁场，将梁在预制场提前预制。这种预制施工方式可以和桥梁下部结构施工等其他工序同时进行。例如，当桥墩在现场进行施工时，梁在预制场同步预制，待桥墩施工完成，预制梁也制作好了，能较快进行架设，极大地减少了因等待梁制作而产生的时间浪费，从而有效缩短了整个桥梁工程的工期。所以选项A“缩短工期”是预制梁场的优点。
B、预制梁场一般配备较为专业的设备和技术人员，在相对稳定的环境中进行梁的预制，相比现场现浇等方式，更有利于控制施工精度，精度应该是提高而不是降低。所以选项B“降低精度”不符合预制梁场的实际情况，不是其优点。
C、虽然预制梁场前期需要投入一定的建设成本，包括场地建设、设备购置等，但从整体工程来看，预制梁场实现了规模化、标准化生产，提高了生产效率，减少了因天气等因素导致的窝工等情况，从长远和整体成本核算，并不一定会增加成本，反而有可能降低成本。所以选项C“增加成本”不是预制梁场的优点。
D、预制梁场在室内或有一定防护措施的场地内进行施工，相比完全露天的现场浇筑，受天气影响较小。例如遇到雨天、大风天等恶劣天气，在预制梁场内仍可以较为正常地开展预制工作。所以选项D“依赖天气”不符合预制梁场特点，不是其优点。
故答案为：A。
3．【答案】D
【知识点】建筑结构的功能；桥梁的组成与分类
【解析】【分析】悬索桥是一种常见的桥梁类型。在悬索桥中，缆索起到关键的承重作用。
【解答】A、悬索桥确实是以承受拉力的缆索或链索作为主要承重构件的桥梁，A正确。
B、悬索桥中的缆索承受拉力，即张力；塔架主要承受缆索传递下来的压力，B正确。
C、悬索桥具有用料省、自重轻的特点，并且在各种体系桥梁中的跨越能力最大，C正确。
D、悬索桥可以在比较深的或比较急的水流上建造，因为它的桥墩相对较少，对水流的影响较小，D错误。
故答案为：D。
4．【答案】B
【知识点】建筑结构及其分类；建筑结构的功能
【解析】【分析】本题主要考查对钱塘江大桥结构特点的理解。桥梁结构有多种类型，不同结构具有不同的特性。
【解答】A、钱塘江大桥属于框架结构双层桁架梁桥，这种结构具有较强的稳定性和承载能力，A正确。
B、平行四边形具有不稳定性，而三角形具有稳定性，钱塘江大桥起稳定结构的应该是三角形结构，而不是平行四边形，B错误。
C、钱塘江大桥的桥墩是由石头、混凝土建造的实心结构，实心结构能够提供可靠的支撑，C正确。
D、当钱塘江大桥的主梁受到向下的作用力时，根据力可以使物体发生形变的原理，主梁会发生形变向下弯曲，D正确。
故答案为：B。
5．【答案】C
【知识点】建筑结构及其分类
【解析】【分析】在桥梁设计中，三角形结构被广泛应用，主要是因为三角形具有高稳定性和抗变形能力；三角形的三条边长度确定后，其形状就固定不变，不会像四边形等其他多边形那样容易发生变形。这种特性使得三角形结构在承受荷载（如车辆重量、风力等）时，能够保持结构的稳固，不易出现扭曲、变形等情况，从而保障桥梁的安全与正常使用，据以上分析解答。
【解答】A、“美观对称的特点”，这并非桥梁设计中使用三角形结构的主要功能需求，故A错误；
B、“便于快速施工的优势”，三角形结构的施工便捷性并非其核心优势，施工是否快速更多与施工工艺、材料等有关，故B错误；
C、在桥梁设计中，三角形结构被广泛应用，主要是因为三角形具有高稳定性和抗变形能力，故C正确；
D、“节省材料的天然特性”，三角形结构在材料节省方面没有突出的天然优势，甚至有时为了保证稳定性，材料使用量可能并不少，故D错误；
故答案为：C。
6．【答案】B
【知识点】建筑结构及其分类；建筑结构的功能
【解析】【分析】结构是指组成事物的各部分之间的有序搭配和空间排列。不同的事物往往具有不同的结构，而不同的结构又具有不同的功能。在我们的生活中，大到建筑，小到日常用品，都存在结构。
【解答】A、结构指组成事物的各部分之间的有序搭配和空间排列，A正确。
B、结构不仅存在于人类创造的各种事物中，自然界中也广泛存在结构，比如雪花的六角形结构、蜂巢的六边形结构等，B错误。
C、不同的事物往往具有不同的结构，例如桥梁有梁桥、拱桥、斜拉桥等不同结构，C正确。
D、不同的结构具有不同的功能，比如三角形结构具有稳定性，常用于建筑的支撑部分，D正确。
故答案为：B。
7．【答案】（1）拱圈或拱肋；石料
（2）桥梁的两端各设置两个小拱；减轻桥自身所受重力、提升泄洪能力
（3）临平塘栖的广济桥、绍兴的广宁桥、德清的寿昌桥、嘉兴的长虹桥、建德的白沙桥等(合理即可)
【知识点】建筑结构及其分类；桥梁的组成与分类；结构受力与形变
【解析】【分析】（1）拱桥的承重结构特点：拱桥以拱圈或拱肋作为桥身主要承重结构，荷载通过拱结构传递。赵州桥的建造材料是石料，利用石料的抗压性能来承受荷载。
（2）赵州桥 “敞肩拱” 的结构与作用：“敞肩拱” 指桥梁的两端各设置两个小拱。其意义在于减轻桥自身所受重力，同时提升泄洪能力，在洪水来临时能让水流更顺畅通过，减少洪水对桥的冲击。
（3）浙江省境内的石拱桥实例：浙江省有众多石拱桥，如临平塘栖的广济桥、绍兴的广宁桥、德清的寿昌桥、嘉兴的长虹桥、建德的白沙桥等，这些石拱桥体现了当地的建筑技术和文化。
【解答】（1）拱桥的核心承重结构是拱，利用拱的力学特性分散荷载；赵州桥是石拱桥，建造材料为石材（石块砌筑而成）；
（2）“敞肩拱”的结构特点是大拱两肩开设小拱（而非实心拱肩）；从功能与结构角度，小拱既利于洪水期泄洪（减少水流冲击），又能减轻桥身自重、节省建材，同时优化了整体受力，提升桥梁稳定性；
（3）浙江省内有诸多历史石拱桥，如绍兴八字桥（宋代古桥，兼具交通与泄洪功能的石拱桥）、泰顺廊桥（部分廊桥下部为石拱结构，如北涧桥）、义乌古月桥（宋代单孔石拱桥）等。
8．【答案】（1）角柱体
（2）用料少、空间利用率高
（3）航天飞机、宇宙飞船等航天器
【知识点】建筑结构及其分类；建筑结构的功能
【解析】【分析】（1）蜂窝结构的形态：蜂窝的每个蜂房是角柱体形状，这种形状能让每个蜂房被其他蜂房包围，形成紧凑的拓扑结构。
（2）蜂窝结构的力学与空间性能：蜂窝结构用料少，空间利用率高，这是其几何力学性能优秀的体现，能在节省材料的同时最大化利用空间。
【解答】（1）蜂窝的每一个蜂房都是正六边形形状的，正六边形可以在平面上紧密排列，使得每一个蜂房都被其他蜂房包围；
（2）蜂窝这种结构最突出的优点是能够以最少的材料获得最大的空间，并且具有良好的稳定性。从几何角度看，正六边形的排列方式在覆盖二维平面时，材料的利用率最高；从力学角度，其结构能均匀地分散压力，具有较好的稳定性；
（3）蜂窝结构的新型材料在缓冲吸能等方面有优势，可应用于航天飞机、宇宙飞船等航天器，提升其性能。
9．【答案】（1）斜拉
（2）增大；增加桥面承重能力；C；A；B；斜拉桥；拱桥
【知识点】建筑结构及其分类；桥梁的组成与分类；桥梁模型的制作；搭建人行浮桥
【解析】【分析】对比实验是一种特别的收集证据的方法。通过有意识地改变某个条件来证明改变的条件和实验结果的关系。 钢索桥的结构：由钢缆、桥塔、桥面组成。钢缆是桥承重的主要构件，桥塔是支承钢缆的主要构件。桥塔修得高，是为了降低钢缆的拉力。
【解答】1）根据对桥的结构的认识，港珠澳大桥图示部分的桥体从结构上看是属于我们学过的斜拉结构的桥。这种桥的特点是跨度大，抗风性能好，稳定性强。
（2）小科和他的研究小组要共同设计建造一座桥。要求桥能跨越20厘米宽的峡谷，桥面的宽度要大于10厘米，至少能承重200克的小车。图1是他们第一次设计的结构图。
①材料宽度影响抗弯曲能力，材料越宽，抗弯曲能力越强。设计中，如果小科将桥面的宽度增加到20厘米，那么桥面的承重能力会增大。
②他们将桥面设计成圆纸管平铺（图4），其最终目的是提高桥面承载能力。
③小组合作设计制作“桥梁”时，经历了五个环节：a.明确任务；d.交流初步想法；b.共同设计方案；e.制作“桥梁”；c.改进设计方案，再次制作。
④第二次改进时（图3），增加了桥塔设计，下列三种设计中，如果其他条件相同，缆绳承受拉力最小的是C。桥塔修得高，是为了降低钢缆的拉力。
⑤用对比实验研究“桥塔高度对桥面承重能力的影响”，上题所示的三种桥梁设计图中，最合理的选择是A和B，只改变桥塔高度一个变量。
⑥从结构上看，图3结合了斜拉桥和拱桥两种结构。
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核心素养
科学观念：认识建筑结构的类型、受力特点及形变形式，建立结构与功能相适应的认知。
科学思维：通过分析结构受力与形变，学会运用分类、归纳等方法探究建筑结构的规律。
探究实践：通过一些有趣的小活动，初步感受科学就在身边，科学与生活息息相关，初步感悟合作学习和交流分享是学习科学的重要方法；
态度责任：感受建筑结构的科学价值与美学价值，培养对工程技术的探究兴趣和创新意识。
【课前预习】
一、建筑结构及其分类
1、建筑结构概念：事物各部分有序搭配与空间排列
2、主要类型
（1）框架结构：刚性杆组成梁和柱，支撑空间不充满
（2）壳体结构：层状薄板曲面造型，分散受力
（3）实体结构：结构体实心，受力分布整体
3、基本组成——构件：联结成整体，承受并传递荷载
二、结构受力与形变
1、形变类型：拉伸、压缩、弯曲等
2、典型构件受力与形变
（1）横梁：水平放置，受竖直力，弯曲
（2）三角形桁架：三角形杆件联结，受力后部分拉伸、部分压缩
（3）弧形拱结构：受压后挤压传递力，基座产生支持力与水平力
三、建筑结构的稳定性
1、概念：外力作用下维持原有平衡的能力
2、影响因素：重心高低、支撑面大小、结构形状（三角形最优）
四、建筑结构的强度
1、概念：抵抗外力作用的能力
2、影响因素：外部形状、构件截面形状、结构材料、连接方式
五、结构与功能的关系
1、结构决定功能（兼顾美观、文化等）
2、功能依赖结构，结构优化增强功能
【课中研学】
1、建筑结构的概念
在建筑领域，结构是指组成事物的各个部分之间的有序搭配和空间排列。
（1）结构普遍存在于自然界和人类创造的各种事物中。
（2）不同的事物往往具有不同的结构，不同的结构具有不同的功能。
2、建筑结构的主要类型
建筑结构的分类多种多样。依据受力情况，建筑结构一般可以分为框架结构、壳体结构和实体结构等。
（1）框架结构
①核心特征：框架结构是指以刚性的杆作为梁和柱组成的结构。
②受力特点：刚性的杆按一定的规则在空间排布，支撑空间而不充满空间，共同承受所受的力。
（2）壳体结构
①核心特征
壳体结构是指层状的结构，由若干块薄板组成，薄板做成具有曲面轮廓的外形，看起来造型轻巧而优雅。
②受力特点
在壳体结构中，其拱形曲面可以把受到的力均匀分散在结构体的各个部分，这种结构能承受较大的力，使结构更加坚固。
（3）实体结构
①核心特征：实体结构是指结构体本身是实心的结构。
②受力特点：利用自身来承受力，承受的力分布在整个实体上。
3、结构的基本组成——构件
（1）定义：一个较复杂的结构由许多不同的部分组成，这些组成部分通常称为构件。
（2）功能：构件（如梁、柱）相互联结成一个整体，起着承受外力（又称荷载）的作用，并将其传递到基座。
二、结构受力与形变
用相同材料制作的形状不同的结构，或不同材料制作的形状相同的结构，能够承受力的大小是不同的。
因此，我们需要分析作用在结构上的力，以及这样的结构能否承受这些力的作用，以确保结构的稳固性、可靠性。
探索活动
（1）取一根长20cm、直径2cm的弹性橡胶棒，将橡胶棒当作结构的构件。
（2）用两手抓住橡胶棒两端，用力向外拉伸，观察橡胶棒因受拉而产生的形变。
（3）用两手抓住橡胶棒两端，用力向内挤压，观察橡胶棒因受压而产生的形变。
（4）将橡胶棒两端支起来，中间悬空，用力向下压橡胶棒的中部，观察橡胶棒因中部受压力而产生的形变。
1、形变的基本类型
当物体受到不同的力的作用时，会产生拉伸、压缩、弯曲等形变。通常情况下，结构的构件可能会同时受到多个力的作用，此时，该构件会产生多种形式的形变。
2、典型构件的受力与形变
（1）横梁
横梁是建筑结构中经常出现的构件。横梁呈水平放置，承受竖直方向的力的作用，产生形变。
思考与讨论：
跳水的跳板用弹性材料做成，其一端固定，运动员站在另一端，跳板发生形变，产生弹力帮助运动员起跳。请分析跳板的形变情况。
跳板会发生弯曲，上部被拉伸，下部被压缩。
（2）三角形桁架
①定义：三角形桁架结构是由杆件连接成三角形的一种空间结构。
②受力与形变
当三角形桁架上部受到力F1的作用时，力F1会通过杆件传递给整个桁架，此时，B、C杆件被压缩，A杆件被拉伸，虚线为形变后的情况。
（3）弧形拱结构
当弧形拱受到向下的压力F1的作用时，拱被压缩，拱的各部分相互挤压，压力F1被拱传递，对基座产生作用力，基座便产生竖直向上的支持力F2、F3和水平方向的力F4、F5。
思考与讨论：请分析图中石拱桥A、B、C、D四处石块的受力情况。
A处石块受到两侧石块的水平推力、桥面压力和自身重力，处平衡状态；B、C处石块受相邻石块的反作用力，形成力的传递，水平分力抵消，竖直分力与重力平衡；D处石块受地基的支持力和水平力，同时受到上方石块的压力和自身重力而处于平衡。
1、建筑结构的稳定性
（1）结构稳定性的概念
结构在外力的作用下，维持其原有的平衡状态的能力，叫作结构的稳定性。
建筑物需要良好的结构稳定性。结构的稳定性是结构的重要性质之一。
（2）影响建筑结构稳定性的因素
①重心高低
建筑结构的重心高低是影响其稳定性的关键因素之一。在支撑条件相同的前提下，重心越低，结构稳定性越强。
②支撑面的大小
支撑面的大小是影响建筑结构稳定性的重要因素，通常支撑面越大，结构越稳定。
整体重心低、支撑面大的建筑结构稳定性更好。
探索活动
（1）把四根短木棒钉起来，形成一个长方形结构，在一个角上施加作用力 F，观察长方形结构是否比较容易变成平行四边形结构。
（2）把三根短木棒钉起来，形成一个三角形结构，在一个角上施加作用力 F，观察三角形结构是否比较容易发生形变。
实验现象：四边形结构在力的作用下，很容易发生形状的改变；而三角形结构在力的作用下，其结构保持不变。
实验结论：三角形结构的稳定性比四边形结构强。
③结构的形状
三角形是所有几何形状中最坚固、稳定的结构，因此在生产和生活中得到广泛应用。
2、建筑结构的强度
（1）结构强度的概念:结构的强度是指结构抵抗外力作用的能力。
（2）影响建筑结构强度的因素
结构的强度与结构的形状、材料、连接方式等有密切的关系。
①外部形状
三角形是框架结构中最基本的构造之一。人们在长方形或六边形等框架中，通常加入支撑杆件，构成多个三角形，这样可以大大提升结构的强度，使结构能承受更大的荷载。
②构件截面形状
相同材料制成的框架构件，采用的截面不同，如工字形、口字形、环形、方形和圆形等，其承受力的大小也不一样。
思考与讨论：图中是某建筑中使用的钢材，请画出所用钢材的截面图示。查找资料，说一说这样的截面有什么好处。
口字型：抗侧移、抗扭转能力较好，适合作为竖向承重构件。
工字形：抗弯强度高，水平布置可防止侧向失稳，适合长跨度结构。
③结构材料
相同形状的不同材料制成的结构构件，其强度也不相同。在生产中，通常会根据用途选择合适的材料。
思考与讨论：在制作混凝土梁的时候，为什么要在混凝土中加入钢筋？
虽然混凝土具有较好的抗压性，但抗拉性比较差，借助钢材的抗拉性提升梁的强度。
3、结构和功能关系
（1）建筑的结构决定了其功能
结构的变化可能会使建筑的功能得以增强，更好地应用于不同的环境。
（2）功能的实现需要相应的结构来保障
当然，良好的结构设计不仅要表现在其功能上，还要表现在其形式上，如展现美，反映时代特征、文化内涵等。
科学阅读：蜂窝结构
蜂窝由许多个大小相同的蜂房组成，蜂房都是六棱柱体，每个蜂房都被其他蜂房包围，两个蜂房之间只隔着一堵蜂蜡制成的墙。这种结构非常精巧，用料也少，既适合蜜蜂近似圆柱形的身体，又提高了空间利用率。
蜜蜂能建筑精巧的蜂窝是长时间进化的结果，蜂窝的结构和功能堪称完美。
蜂窝结构给了工程师很大的启示。人们在设计一些强度高、用料少，还需隔音和隔热的工程结构时，往往采用蜂窝结构。例如，航天飞机、宇宙飞船等航天器需要具备上述性能，它们的内部大量地采用了蜂窝结构。
【课堂总结】
【课堂练习】
1．在日常生活中，重心的位置是决定结构稳定性的一个重要因素。下列属于利用降低重心高度实现其稳定状态的结构是（　　）
A．安全帽 B．儿童陀螺玩具
C．自行车的支撑架 D．不倒翁玩具
2．如图所示，在用扁担挑担时，扁担及绳索的受力形变形式分别是(　　)
A．扁担受拉、绳索受压 B．扁担受弯曲、绳索受拉
C．扁担受压、绳索受拉 D．扁担受拉、绳索受弯曲
3．在结构设计中，往往根据需求采用不同的结构类型。下列有关结构类型的说法，不正确的是 (　　)
A．实体结构是指结构体本身是实心的结构
B．框架结构构件的几何特征是厚度比长度和宽度小得多
C．框架结构通常是指结构体由细长的构件组成
D．在实际的生产生活中，组合结构的应用较为广泛
4．如图是建筑工程中承重钢筋混凝土梁柱的结构示意图，主要利用的钢筋的物理属性是　 　(填“密度”或“抗拉强度”)，在搭建钢筋框架时应该将受力钢筋放在梁柱的　 　(填“上层”或“下层”)。已知钢筋的密度为 7.8g/cm3，则横截面积为 长为 10m的钢筋质量为　 　kg。粗细均匀的某种物质单位长度的质量定义为线密度，现有直径8mm和16mm 的两种钢筋，直径为　 　的钢筋线密度较大。
（4题图） （5题图）
5．学习了结构的知识之后，小明同学使用如图所示的装置对某种结构的强度进行了试验。
材料：大小相近的生鸡蛋若干、大小合适的瓶盖6个。
工具：砝码若干、鸡蛋强度测试架、防护眼镜。
请回答下列问题：
（1）小明同学研究的结构属于　 　结构。
（2）请在下列操作步骤中选择合适的，并完成排序：　 　。
a.逐步增加砝码至鸡蛋被压碎，记录此时的砝码质量
b.将三个鸡蛋分别立于瓶盖上
c.将瓶盖盖在鸡蛋上
d.将3个大小合适的瓶盖以等边三角形放在测试平台边缘
e.将3 个大小合适的瓶盖任意摆放在测试平台边缘
f.盖上上测试板，轻轻放置砝码
（3）砝码应该放置在____(填字母)。
A．鸡蛋形成的三角形的中心 B．测试板任意位置
（4）本试验中，瓶盖的作用是　 　。
【课后练习】
1．2024年9月 27 日凌晨，榕山长江大桥正式开放交通，长江上再增一条过江通道，大桥惠及沿线30余万群众，大桥总长1513米，其中主桥长 1 055 米，桥面上的斜拉钢缆与桥面呈三角形结构，这是利用了(　　)
A．三角形的对称性 B．三角形的稳定性
C．三角形的灵活性 D．三角形的全等性
（1题图） （2题图）
2．如图为某桥梁施工中的预制梁场，其优点是（　　）
A．缩短工期 B．降低精度 C．增加成本 D．依赖天气
3．横跨鄂西绝壁的四渡河大桥（如图所示），以560m深渊之上的“天路天桥”震撼世人，主跨900m，创山区悬索桥纪录。这座沪渝高速“咽喉”工程，在险峰深谷中书写人类征服自然的壮丽篇章。下列有关悬索桥的说法，不正确的是（　　）
A．悬索桥是以承受拉力的缆索或链索作为主要承重构件的桥梁
B．悬索桥中的缆索的受力是张力，塔架所受的力是压力
C．悬索桥用料省、自重轻，在各种体系桥梁中的跨越能力最大
D．悬索桥不可以在比较深的或比较急的水流上建造
（3题图） （4题图）
4．如图所示的钱塘江大桥又名钱江一桥，位于中国浙江省杭州西湖之南，六和塔附近钱塘江上，由中国桥梁专家茅以升主持设计，是中国自行设计、建造的第一座双层铁路、公路两用桥。下列说法中，不正确的是（　　）
A．钱塘江大桥属于框架结构双层析架梁桥
B．钱塘江大桥的桥梁起稳定结构的是其中的平行四边形
C．钱塘江大桥的桥墩是由石头、混凝土建造的实心结构
D．钱塘江大桥的主梁受到向下的作用力时发生形变向下弯曲
5．桥梁设计中常使用三角形结构，主要是因为三角形具有（　　）
A．美观对称的特点 B．便于快速施工的优势
C．高稳定性和抗变形能力 D．节省材料的天然特性
6．房屋、桥梁、塔等各种建筑都有结构。关于结构一词，下列说法中不正确的是（　　）
A．结构指组成事物的各部分之间的有序搭配和空间排列
B．结构存在于人类创造的各种事物中，而自然界中并不存在
C．不同的事物往往具有不同的结构
D．不同的结构具有不同的功能
7．赵州桥(如图所示)又称安济桥、大石桥，位于河北省石家庄市赵县城南的洨河上，始建于隋代(公元595年一605年)，由著名匠师李春设计建造，是世界上现存年代最久、跨度最大、保存最完整的单孔坦弧敞肩石拱桥。请回答下列问题：
（1）拱桥是用　 　作为桥身主要承重结构的桥，赵州桥的建造材料是　 　。
（2）赵州桥的桥梁称为“敞肩拱”，指的是　 　；“敞肩拱”的意义在于　 　
（3）除了杭州的拱宸桥，请再举出浙江省境内或你家乡的石拱桥：　 　
8．蜂窝结构是覆盖二维平面的最佳拓扑结构。蜂窝结构是蜂巢(如图所示)的基本结构，是由一个个同样大小且相同形状的单房、房口全朝下或朝向一边、背对背对称排列组合而成的一种结构。这种结构有着优秀的几何力学性能，因此在材料领域中有广泛应用。请回答下列问题：
（1）蜂窝的每一个蜂房都是　 　形状的，使得每一个蜂房都被其他蜂房包围。
（2）蜂窝的这种结构非常精巧，其最突出的优点是　 　
（3）蜂房的精妙结构不仅令自然学家们叹为观止，更激发了科学家们的浓厚兴趣。通过深入探索，科学家们意外地发现并开发出一种具有蜂窝结构的新型材料，在工程领域中，这种材料在隔音、隔热、导流、电磁屏蔽以及缓冲吸能等方面展现出广泛的应用潜力。请举例说明：
　 　。
9．桥的研究
（1）港珠澳大桥是我国境内连接香港、珠海和澳门的桥隧工程，全长55公里，是目前世界上最长的跨海大桥，也是我国交通史上技术最复杂、建设要求和标准最高的工程之一，它在2018年 10月24 日开通运营
港珠澳大桥图示部分的桥体从结构上看属于我们学过的　 　桥。这种桥的特点是跨度大，抗风性能好，稳定性强。
（2）小科和他的研究小组要共同设计建造一座桥。要求桥能跨越20cm 宽的峡谷，桥面的宽度要大于10 cm，至少能承重200 g的小车。图1是他们第一次设计的结构图。
①设计中，如果小科将桥面的宽度增加到20cm，那么桥面的承重能力会　 　。
②他们将桥面设计成圆纸管平铺(图4)，其最终目的是　 　。
③第二次改进时(图3)，增加了桥塔设计，下列三种设计中，如果其他条件相同，缆绳承受拉力最小的是　 　。
④用对比实验研究“桥塔高度对桥面承重能力的影响”，题(2)③中的三种桥梁设计图中，最合理的选择是　 　和　 　。
⑤从结构上看，图3结合了　 　和　 　两种桥的设计结构
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