第1节 建筑结构与功能 第2节 桥梁的结构与制作（高效培优讲义）科学浙教版2024八年级上册

第1节 建筑结构与功能 第2节 桥梁的结构与功能 【题型导航】 【重难题型讲解】 1 题型1 建筑结构与功能 1 一、建筑结构及其分类 1 二、结构受力与形变 2 三、建筑结构与功能 3 题型2 桥梁的结构与功能 7 一、桥梁的结构 7 二、桥梁的受力 7 三、桥梁的设计与制作 8 【能力培优练】 10 【链接中考】 19 【重难题型讲解】 题型1 建筑结构与功能 一、建筑结构及其分类 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。结构普遍存在于自然界和人类创造的各种事物中，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 建筑工程能够很好地体现结构与功能的关系。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 1、框架结构是指以刚性的杆作为梁和柱组成的结构、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、壳体结构是指层状的结构、它是由若千块薄板组成的、薄板做成具有曲面轮廓的外形，看起来造型轻巧而优雅。 3、实体结构是指结构体本身是实心的结构，利用自身来承受力、承受的力分布在整个实体上。 二、结构受力与形变 实验表明，当物体受到不同的力作用时，会产生拉伸、压缩、弯曲等形变。通常情况，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。 常见的建筑结构：横梁 三角形桁架结构 弧形拱结构 三、建筑结构与功能 1、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。 2、结构的稳定性的影响因素：重心高低 支撑面的大小 3、结构的强度是指结构抵抗外力作用的能力。结构的强度与结构的形状、材料、连接方式等有密切的关系。三角形结构是最稳定的。 【典例1】某校科学小组开展“设计纸桥承重”项目。活动中，同学们发现将纸折成“W”形作为桥面比直接用白纸平铺作为桥面承重能力强。如图： 查阅资料：“W”形折叠属于瓦楞结构。瓦楞纸板由交替的平面层和W”形波浪层组成，具有质量轻、强度高的特点，广泛应用于包装、建筑等领域。 该小组同学为探究“W”形瓦楞结构的承重能力与哪些因素有关，设计了以下实验： 小组同学选择厚度相同的牛皮纸，制作三种不同波浪高度（5mm、10mm、15mm）的“W”形瓦楞结构模型并在上方铺上一张卡纸，其余条件相同。为测量承重能力，将模型水平放置，在卡纸上方逐渐添加细沙，直至模型弯曲超过2cm，测量此时细沙总质量。 （1）实验中，为测量承重能力通过观察测量模型弯曲超过2cm时的细沙总质量，这种研究方法是 （填“控制变量法”或“转换法”）。 （2）如表为某小组得出的实验数据： 波浪平均高度（mm） 5 10 15 最大承重（g） 352 658 465 根据数据，该小组能得出的结论： 。 （3）应用拓展 ①快递运输中防震包装盒，常使用泡沫、塑料等弹性材料来制作瓦楞结构。请从能量角度解释选用这些材料的好处 。 跟踪训练1膜结构是建筑行业中新发展起来的一种结构形式，它是一种具有一定强度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。国家游泳中心“水立方”（如图）是世界上首个完全由膜结构进行全封闭的大型公共建筑。它采用的ETFE（乙烯﹣四氟乙烯共聚物）膜只有一张牛皮纸厚，捧在手上轻若鸿毛。ETFE膜的延展性、耐火性、绝热性都非常出色，即便是冰雹撞击薄膜的较大响声也无法传递到场馆之内。通过以上信息可以推断，这种建筑材料不具备的特点有（　　） A．熔点低 B．韧性好 C．密度小 D．隔音性较好 跟踪训练2如图所示，这是我国科学家们研发的新型建筑材料——“月壤砖”，它可能用于未来在月球上建造房屋。据悉，“月壤砖”呈榫卯结构，密度与普通砖块相当，但其抗压强度是普通红砖和混凝土砖的三倍以上。这主要是由于该材料具有较大的（　　） A．导热性 B．磁性 C．弹性 D．硬度 跟踪训练3某项目小组同学周末参观了深圳南头古城，对古城随处可见的古墙砖感到兴趣，开展了相关的实践活动。 【活动目的】从砖块的制作工艺和发展出发，结合所学的物理知识，分析各种应用实例。 【活动方案】（一）结合热学和力学知识，探究砖块的制作工艺； （二）结合数学和建筑学知识，探究砖块在当前建筑中的应用； （三）结合天文学知识，探究砖块的发展和新场景的应用。 【实施过程】 （一）一块砖是如何从土变成砖的？ （1）一块砖从土变成砖的过程涉及多个复杂工序，主要包括原料准备、制坯成型、干燥、烧制和后期处理等环节。在制坯成型环节，将纯土加水揉炼，制成砖坯。传统工艺依赖牛力踩踏或水车研磨，现代则使用制砖机挤压成型。可见纯土加水揉炼后，具有 （填：“弹性”、“塑性”、“脆性”或“惯性”），并且说明力可以改变物体的 。 （二）砖块在当前建筑中的应用； （2）使用砖块砌墙时，有平放、侧放、竖放三种方法，如图1所示。若一块重50N的长方体砖块的长、宽、高分别为0.2m、0.1m和0.05m，将它如图三种情况下放在水平地面上，这砖块对地面最小压强与最大压强之比为 。 （3）建筑工人在砌墙时常用铅垂线来检查墙壁是否倾斜，如图（2），这是利用了重力的方向总是 。装修房屋时，工人师傅将一根装满水的透明塑料软管的两端贴在墙面的不同地方，然后按照水面位置做出标记，这两点就在同一等高线上，如图（3）所示，这是利用了 原理。 （三）新型砖块的发展和新场景的应用。 材料1：月球本身不发光，因反射太阳光而明亮。月球上无水，几乎没有大气，温度变化急剧，表面布满了由小天体撞击形成的撞击坑。月球直径约为地球的四分之一，质量约为地球的十分之一，引力相当于地球的六分之一。 材料2：人类从1969年至今不断地飞往月球探秘，将来人们很有可能会搬到月球上去居住。中国月球基地计划将在2030年前后实施。目前，我国科学家分析月壤成分，研制“月壤砖”，并搭乘天舟八号飞船前往空间站，开展太空暴露实验，检验其能否胜任未来建造月球屋的重要任务。 （4）如图（4）所示，这是我国科学家们研发的新型建筑材料—“月壤砖”，它可能用于未来在月球上建造房屋。据悉，“月壤砖”呈椫卯结构，密度与普通砖块相当，但其抗压强度是普通红转和混凝土砖的三倍以上。假设一块体积为2000cm3的“月壤砖”，带到月球后受到的重力约为8N，则它的密度约为 kg/m3。 （5）月球屋建筑需跨学科协作，结合材料科学、机器人技术、空间工程和生物学，逐步实现从实验到实际应用的跨越。你认为，建筑月球屋需要注意什么事项呢？写出一个，并简要说明理由。（模仿示例，但不得与示例相同。） 示例：要考虑密封性和气压维持，因为月球没有人类需要的空气和大气压。 作答： 。 题型2 桥梁的结构与功能 一、桥梁的结构 1、常见的桥梁一般由主梁、桥墩、桥台等组成。主梁直接承受自身重力以及车辆等重力，桥墩承受主梁向下的力并将力传到基座，桥台指桥的两端起支撑作用的部分。按照结构和受力特点,桥梁可分为梁式桥、拱桥、悬索桥、斜拉桥等 2、梁式桥是指采用梁或桁架梁作为主要承重结构的桥梁。 3、拱桥是用拱网或拱肋作为桥身主要承重结构的桥 4、悬索桥通过索塔悬挂缆索，并将缆索锚固于两岸(或桥两端)从缆索上垂下吊杆，吊住桥面主梁 5、斜拉桥是将主梁用许多根拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁 二、桥梁的受力 梁式桥的受力 在荷载的作用下，桥的主梁受到向下的作用力发生形变而向下弯曲，主梁就产生向上的弹力，支撑着梁上的物体。 拱桥的受力 拱桥在竖直方向荷载作用下，对整座桥产生了一个指向桥台的挤压的力，把桥的拱部紧紧地挤压在一起:桥的拱部把受到荷载的重力传递至拱形结构的两端，因此，基座不仅受到竖直向下的压力，也受到水平方向的力。从而，两侧基座会给拱形结构施加相互作用力，即竖直向上的支持力和水平方向的力。 悬索桥的受力 悬索桥用悬挂在两边索塔上的缆索作为主要承重结构、并在两岸修筑巨大的锚碇结构来固定缆索的两端。桥面主梁通过吊杆吊在缆索上，在竖直方向荷载作用下，通过吊杆使缆索承受拉力，支撑着桥的主梁。 斜拉桥的受力 斜拉桥将多根缆索的一端固定在索塔上，另一端拉着桥的主梁。荷载通过缆索传至索塔，再通过索塔传至桥的基座。 三、桥梁的设计与制作 结构设计必须遵循设计的一般过程，一般需经历如图所示的若干环节。 【典例2】如图1是某建筑工程学院的大学生们制作的“巨型”纸桥，理论承重1500千克。 （1）这座“巨型”纸桥能够承受如此大的压力的主要原因是 。 A.纸能承受较大的压力 B.纸桥的形状和结构使其抗压能力大大增强 C.纸是薄片材料 （2）设计桥时，下面哪一项是最重要的 。 A.美观 B.承重能力 C.节约材料 （3）如果你也要设计一座纸桥，如图2三种形状的“桥”，哪个抗压能力最强 。 跟踪训练110．如图所示是南京长江大桥、南京八卦洲长江大桥和南京栖霞山长江大桥。 （1）南京长江大桥是长江上第一座由中国自主设计和建造的双层式铁路、公路两用桥梁，在中国桥梁史和世界桥梁史上具有重要意义。走在桥上欣赏江景的人对桥面的压力是由于 （选填“鞋子”或“桥面”）的形变产生的。以桥上行驶的汽车为参照物，桥头堡是 （选填“静止的”或“运动的”）。 （2）南京八卦洲长江大桥享有“中华第一斜拉桥”的美誉，一辆载重汽车从桥梁左端匀速驶向索塔A的过程中，索塔A的左侧拉索的拉力 。 A.一直增大； B.一直减小； C.先减小后增大； D.先增大后减小。 （3）从桥梁结构的类型分析，南京栖霞山长江大桥属于 。 A.拱桥； B.梁式桥； C.悬索桥； D.斜拉桥。 跟踪训练2阅读下面材料，完成题填空： 横跨德夯大峡谷的湖南湘西矮寨大桥（如图甲）其结构如图乙所示。这座没有桥墩、没有支架的“云中大桥”是世界桥梁建设史上的奇迹，创造了四项世界第一：一是主跨1176米，成为当时跨峡谷跨度世界第一的大桥；二是首次采用塔梁分离式结构，主塔与钢桁梁无刚性连接，显著降低地震、温度变形对结构的影响，同时减少山体开挖67万立方米，保护生态；三是首创岩锚吊索结构，以高强度、耐腐蚀、抗疲劳、轻质碳纤维复合材料作为锚索材料，将主缆拉力通过锚索传递至稳定岩体的创新工程技术，解决了陡峭峡谷、岩溶地质等难以建造重力锚碇区域的施工难题；四是全球首创“轨索滑移法”架设钢桁梁，利用永久吊索安装水平轨索，解决了传统高山峡谷地形条件下桥梁建设的诸多难题。 （1）根据形状和结构分类，常见的桥梁包括梁桥、拱桥、悬索桥和斜拉桥，矮寨大桥属于 桥。如图丙，大桥主桁架（核心承重骨架）采用带竖腹杆的华伦式三角形桁架，用三角形做桁架的优点是 ；（写出一条即可） （2）碳纤维复合材料的密度为1.8g/cm3，传统钢绞线的密度为7.8g/cm3。相同长度，粗细一样的锚索，碳纤维复合材料锚索相比钢绞线锚索可减重 %（保留整数）。桥面距谷底高度差为355米，若桥面气压为7.5×104Pa，谷底气压为1.0×105Pa，则桥面相对于谷底每平方米承受的压力差为 。 【能力培优练】 1． 在以“桥”为主题的研究中，不同研究小组展开了各自的研究。 A小组课题：空心桥墩承重能力与桥墩造型关系。 分别使用一张A4纸制成各种周长相同、形状不同的空心桥墩模型，然后向模型上逐本添加练习本，直至刚好压塌桥墩模型，并记录此时添加的练习本数量。 序号 横截面形状 练习本数量 1 10 2 13 3 16 4 20 5 （1）制作桥墩模型时，除了需要选用规格相同的A4纸外，还需要满足的条件是 。 （2）部分实验数据如上表，可得出的结论是 ；推理可知表格中序号 的桥墩承重能力最好。 B小组课题：受力面构造对承重能力的影响。 用水笔在一块长方体形状的海绵侧面画上方格线后，将其架于两垫块上（图甲）。用力下压海绵正中间时，现象如图乙所示。 （3）用海绵块来研究受压后的情况，主要是利用了海绵块具有较好的 ； 2． 如图是建筑工程中承重钢筋混凝土梁柱的结构示意图。已知钢筋的密度为7.8g/cm3，横截面积为50mm2，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 mm的钢筋线密度较大。 3． 近年来阿克苏地区地震频繁，却没有人员伤亡，得益于物理学在建筑中的应用。摩天大楼之所以在地震、台风中屹立不倒，除了它自身的外观设计和建筑结构之外，还因为它有“镇楼宝器”——阻尼器，如图是上海中心大厦的“上海慧眼”，它的质量达1000吨，创世界纪录．由于阻尼器的质量大， 也大，保持原来运动状态的能力强。使得阻尼器在建筑由于地震、台风摇晃时反向摆动，从而起到减振作用，阻尼器来回摆动过程中，到达最高点时 （选填“处于”或“不处于”）平衡状态。 4． 阅读下列短文，回答问题。 榫卯惊艳千年的古建智慧 我国使用榫卯最早证据见于河姆渡遗址，距今有7000余年的历史，榫卯主要用于建筑架构。如图甲所示，广州陈家祠的建筑群是一座典型的岭南古建筑，也采用了大量的独特榫卯结构。榫卯是木质器物之间起连接作用的一种结构，凸出部分叫榫（或榫头），凹进部分叫卯（或榫口、榫槽），如图乙所示。其特点是在物件上不使用钉子，利用卯榫加固物件，在牢固的基础上，为了满足于不同的应用方式，其结构样式更是多达上百种，例如有楔钉榫、挖烟袋锅榫、夹头榫（嵌夹牙条与牙头）等，体现出中国古老的文化和智慧。 从物理性质方面来看，木质材料由纵向纤维构成，只在纵向上具备强度和韧性，横向容易折断。榫卯通过变换其受力方式，使受力点作用于纵向，避弱就强。 木质材料受温度、湿度的影响比较大，榫卯在同质同构的链接方式下，使连接的两端共同收缩或舒张，整体结构更加牢固。 （1）木质材料受温度、湿度的影响比较大，榫卯在同质同构的链接方式下，整体结构更加牢固的原因是 ； （2）榫头和卯口之间通过凹凸形状的配合，使得两者之间形成摩擦力，如图丙所示，当把安装好的榫卯结构向外拉时，榫头与卯口之间相互挤压，通过 的方式增大摩擦力，竖直向上拉时摩擦力的方向与拉力的方向 ，这为榫头和卯口提供了连接的牢固性，使得结构不易松动或分离； （3）如图丙中下方构件固定在水平地面上，竖直向上的拉力为120N时才能将上方构件匀速拉出，已知两构件榫头和卯口之间滑动摩擦力大小f与压力FN的大小关系如图丁所示，则两构件榫头和卯口之间的压力为 N。 （4）如图戊所示，一种木构件右边的小长方体是榫头，若如图摆放的木构件与某一带卯口的木构件咬合成长方体，则该带卯口的木构件卯口朝左时的俯视图是 俯视 A．B．C．D． （5）如图己所示为小明设计的家用桌凳，利用榫卯结构制作配套板凳如图a，图b为该凳的凳面和凳脚结构，则横档的结构是 。（填序号） A．B．C． 5． 探究空心柱子的承重比与横截面的形状、周长的关系。 【问题】 科技小组在桥梁调查活动中发现，桥桩有大有小且形状各异，承重能力也不同。查阅资料获知，工程上用承重比（柱子能承受的最大质量与柱子质量的比值）反映承重能力。他们猜想空心柱子的承重比与其横截面的形状、周长有关。 【证据】 （1）实验中需要的测量工具除刻度尺外，还需要 。 （2）用纸板制成高度相同的各种空心模型。 （3）测出模型的横截面周长、质量。 （4）测量模型承受的最大质量。多次重复实验，算出承重比，数据填入下表。 组别 横截面形状 周长/cm 承重比 1 三角形▲ 18 3500 2 三角形▲ 24 3300 3 三角形▲ 30 3140 4 四边形■ 30 3320 5 五边形 30 3510 6 六边形 30 3760 【解释】 （5）分析1、2、3组数据可得到的结论是 。 （6）在研究承重比与横截面的形状关系时，除纸板高度、周长相同外，还需控制相同的因素有 （写出一个）。 （7）请在图中画出周长一定时，承重比与形状的关系图像。 【交流】 （8）根据表格数据和图像，科技小组同学进一步推测，在柱子的其它因素一定时，横截面为 形的柱子承重比最大。 6． 在“桥梁调查与模型制作”跨学科实践活动中，同学们对家乡的桥梁进行了研究，如图是单塔双索斜拉大桥，桥塔两侧对称的拉索承受了桥梁的重力。当桥塔高度改变时，拉索与桥塔的连接点相对于桥塔顶端位置不变。下列说法正确的是（　　） A．为了减小拉索承受的拉力，可适当减小桥塔高度 B．当桥塔高度改变时，拉索所受的拉力将不会改变 C．汽车从桥梁左端驶向桥塔时，左侧拉索的拉力一直减小 D．汽车从桥梁左端驶向桥塔时，左侧拉索的拉力一直不变 7． 阅读短文，回答问题。 中国桥梁 中国是桥的故乡，被誉为“桥的国度”。中国桥梁是中华民族勤劳智慧的象征，以雄伟的身姿，跨越江河湖海，连接天南地北，见证了中国的历史变迁和现代化进程。 木材是较早的建桥材料，但木材本身质松易腐，牢固性、耐久性比较差。受材料硬度和长度的限制，在河面较宽的河流上不宜架设木质桥梁，因此木桥逐渐被木石混合或砖、石等材质的桥梁所取代。钢铁的生产以及钢筋混凝土的出现为建造桥梁提供了新的材料，桥的跨度和承重能力得到了大幅度提高。 桥梁能承受的最大重力不仅与材料有关，还与桥的结构有关。在桥梁设计中，桥梁的支撑结构常常被设计成三角形，以保证桥梁的稳定性和承载能力。桥梁的种类多种多样，常见的有梁桥、拱桥、悬索桥和斜拉桥等，如图甲所示。通常情况下，梁桥受力明确，施工工艺简单、成熟；拱桥外形美观，承重潜力大，但对地基稳定性要求高，施工较为复杂。悬索桥是通过吊索将桥面荷载传到主缆上，再由主缆传到锱碗和索塔上；斜拉桥是通过斜拉索将主梁承担的荷载传到桥塔上。 （1）在桥梁设计中，为什么桥梁的支撑结构常常被设计成三角形？ （2）现代桥梁建造都使用钢筋混凝土，请说出钢筋混凝土的一种物理性质及优点。 （3）港珠澳大桥是中国走向“桥梁强国”的里程碑，如图乙所示是其主体桥梁，其结构类型是什么种类？ （4）当压力超过物体的承受能力时物体会发生弯曲，拉力超过物体的承受能力时物体会被拉断。建桥过程中，解决这些情况的最佳方式是将力分散或转移。分散是将其散布到更大的面积，避免出现某个点集中受力。转移是将其从强度较弱的区域移到专门设计的受力区域。则拱桥属于把力进行 ，而悬索桥属于把力进行 。 （5）实验小组用杠杆和细线模拟斜拉桥，探究细线的拉力与什么因素有关。 如图丙所示是实验小组探究的部分过程：保持杠杆所挂物体的重力和位置不变，将细线分别固定在杠杆A、B、C三处，用弹簧测力计分别测出细线绕过杠杆顶部定滑轮后的拉力；改变杠杆的高度，重复上述测量。 这个过程中，实验小组在探究细线的拉力与什么因素的关系？通过实验和已有杠杆的知识，会发现细线的拉力与其关系是什么？ 8． 在学习“桥梁调查与模型制作”的跨学科实践中，小明和同学对无锡的桥梁进行了实地调查。如图甲所示，为古朴典雅的“无锡清名桥”，受文物保护，横卧于古运河之上；如图乙所示，为现代时尚的蠡湖大桥，整体呈“WX”型，寓意无锡之名，横跨于蠡湖之上；为深入了解桥梁的支撑方式和特点，他们制作了如丙图所示的模型，来进行研究。结合你的实践活动，回答下列问题。 （1）对我国桥梁建设做出重大贡献的科学家是 （选填“钱学森”、“袁隆平”或“茅以升”）。 （2）最古老的、有桥墩支撑的“梁桥”结构简图如丙图A所示，相对于“梁桥”而言，“无锡清名桥”的优势不包括 。 A.增加了船只的通行能力 B.优化了受力结构 C.简化了施工难度 D.提升了泄洪能力 在图丙中的B，拱桥模型测试中，当桥面重物达到一定程度后，会出现桥墩向 （选填“外”或“内”）侧移，同时塌陷的情况，所以清名桥需要进行“人流量限制”。 （3）依据桥梁的支撑方式，图丙中的模型C属于 桥。当有车辆驶入桥面时，斜拉索主要承受 力（选填“拉”或“压”，下同），桥塔主要承受 力。 （4）结合你的实践过程，请说出悬索桥相对于模型C桥梁而言，一个突出的优势。 9． 如图所示是一组桥梁，它们的设计融合了物理学中力的平衡、传递与材料科学的智慧，中国桥梁更是人类工程史上的杰作。 （1）图甲为成都市最大的自锚式悬索桥——天府新区云龙湾大桥示意图，其中锚碗发挥出功能是直接依靠它对主缆施加的 ； A.拉力 B.重力 C.压力 D.摩擦力 （2）建造桥塔主要使用混凝土，而制造主缆主要使用钢丝，从选材上可以看出两种材料中 的抗压性能更好； （3）图乙为成都最大斜拉桥金堂大桥示意图，若将拉索在桥塔的固定点从图中A位置移动到B位置，则拉索所承受的拉力将 ； 10． 如图是四种常见的不同造型的桥梁。 （1）无论什么样的桥梁结构，支撑结构产生的向上的合力与桥面及负载的合力相互 。要建造一个跨度1000米的桥，选用 （选填“拱桥”或“悬索桥”）结构更合适。 （2）若某汽车身的材料要求强度高且轻便，则表中最理想的材料是 。 材料 锰钢 铝合金 钛合金 碳纤维 性能（强度） 强 弱 强 强 密度（×103kg•m﹣3） 7.9 3.0 4.5 1.6 （3）当该汽车在桥上匀速行驶时，不计空气阻力，所受路面阻力为车总重十分之一，已知该车总质量为700kg，则当其该路面匀速直线行驶时，动力是多少牛（g取10N/kg）？ （4）使车前进的动力是 （选填“地面对车的摩擦力”或“车对地面的摩擦力”）。 【链接中考】 11． （杭州中考）土培塘桥建于1985年，桥长55米，宽5米，位于杭州严家弄路和京杭大运河的交叉处，被认定为危桥予以拆除（见左图），传统的拆除方法，既要安排爆破，又要搭建钢架，费时费力，又会使残留物淤积河道，影响航运，现使用了一种新的拆除方法，只需要两到三天就可完成拆迁。拆桥的步骤是：把两艘载重500吨的船开到桥下，排去船上的水，使船体上升，托起重280吨的桥身，离开桥墩60厘米，然后使用牵引设备，横向拖拽桥身到岸上，在陆地上拆卸桥梁。假设桥的质量分布均匀，两船作用于桥身的位置各离桥两端15米处，右图是拆桥的示意图。问： （1）若要使桥同时脱离桥墩两船应怎样排水？每只船应排出多少吨水？ （2）若仅用左船排水，则桥面先脱离 　 　 桥墩（填“左”或“右”），此时左船至少排水多少吨？ 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第1节 建筑结构与功能 第2节 桥梁的结构与功能 【题型导航】 【重难题型讲解】 1 题型1 建筑结构与功能 1 一、建筑结构及其分类 1 二、结构受力与形变 2 三、建筑结构与功能 3 题型2 桥梁的结构与功能 7 一、桥梁的结构 7 二、桥梁的受力 7 三、桥梁的设计与制作 9 【能力培优练】 11 【链接中考】 23 【重难题型讲解】 题型1 建筑结构与功能 一、建筑结构及其分类 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。结构普遍存在于自然界和人类创造的各种事物中，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 建筑工程能够很好地体现结构与功能的关系。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 1、框架结构是指以刚性的杆作为梁和柱组成的结构、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、壳体结构是指层状的结构、它是由若千块薄板组成的、薄板做成具有曲面轮廓的外形，看起来造型轻巧而优雅。 3、实体结构是指结构体本身是实心的结构，利用自身来承受力、承受的力分布在整个实体上。 二、结构受力与形变 实验表明，当物体受到不同的力作用时，会产生拉伸、压缩、弯曲等形变。通常情况，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。 常见的建筑结构：横梁 三角形桁架结构 弧形拱结构 三、建筑结构与功能 1、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。 2、结构的稳定性的影响因素：重心高低 支撑面的大小 3、结构的强度是指结构抵抗外力作用的能力。结构的强度与结构的形状、材料、连接方式等有密切的关系。三角形结构是最稳定的。 【典例1】某校科学小组开展“设计纸桥承重”项目。活动中，同学们发现将纸折成“W”形作为桥面比直接用白纸平铺作为桥面承重能力强。如图： 查阅资料：“W”形折叠属于瓦楞结构。瓦楞纸板由交替的平面层和W”形波浪层组成，具有质量轻、强度高的特点，广泛应用于包装、建筑等领域。 该小组同学为探究“W”形瓦楞结构的承重能力与哪些因素有关，设计了以下实验： 小组同学选择厚度相同的牛皮纸，制作三种不同波浪高度（5mm、10mm、15mm）的“W”形瓦楞结构模型并在上方铺上一张卡纸，其余条件相同。为测量承重能力，将模型水平放置，在卡纸上方逐渐添加细沙，直至模型弯曲超过2cm，测量此时细沙总质量。 （1）实验中，为测量承重能力通过观察测量模型弯曲超过2cm时的细沙总质量，这种研究方法是 （填“控制变量法”或“转换法”）。 （2）如表为某小组得出的实验数据： 波浪平均高度（mm） 5 10 15 最大承重（g） 352 658 465 根据数据，该小组能得出的结论： 。 （3）应用拓展 ①快递运输中防震包装盒，常使用泡沫、塑料等弹性材料来制作瓦楞结构。请从能量角度解释选用这些材料的好处 。 【解答】解：（1）实验中，承重能力本身不易直接测量，通过测量模型弯曲超过2cm时细沙的总质量来间接反映承重能力，这种将不易测量的量转化为可测量量的研究方法是转换法。 （2）分析实验数据可知：当波浪平均高度从5mm增加到10mm时，最大承重从352g增加到658g，承重能力显著提升；而当波浪高度进一步增加到15mm时，最大承重下降至465g。由此可得出结论：在一定范围内，“W”形瓦楞结构的波浪高度增加，其承重能力先增大后减小，本实验中波浪高度为10mm时承重能力最强。 （3）①从能量角度解释：泡沫、塑料等弹性材料具有较好的弹性，在受到外力冲击时，材料发生弹性形变，会吸收外界的能量，从而减少冲击力对包装盒内物品的影响，起到防震保护的作用。 跟踪训练1膜结构是建筑行业中新发展起来的一种结构形式，它是一种具有一定强度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。国家游泳中心“水立方”（如图）是世界上首个完全由膜结构进行全封闭的大型公共建筑。它采用的ETFE（乙烯﹣四氟乙烯共聚物）膜只有一张牛皮纸厚，捧在手上轻若鸿毛。ETFE膜的延展性、耐火性、绝热性都非常出色，即便是冰雹撞击薄膜的较大响声也无法传递到场馆之内。通过以上信息可以推断，这种建筑材料不具备的特点有（　　） A．熔点低 B．韧性好 C．密度小 D．隔音性较好 【解答】解：ETFE膜的延展性、耐火性、绝热性都非常出色，即便是冰雹撞击薄膜的较大响声也无法传递到场馆之内。通过以上信息可以推断，这种建筑材料具备的特点有韧性好、密度小、隔音性较好、熔点高，不具备的特点有熔点低。故A符合题意，BCD不符合题意。 故选：A。 跟踪训练2如图所示，这是我国科学家们研发的新型建筑材料——“月壤砖”，它可能用于未来在月球上建造房屋。据悉，“月壤砖”呈榫卯结构，密度与普通砖块相当，但其抗压强度是普通红砖和混凝土砖的三倍以上。这主要是由于该材料具有较大的（　　） A．导热性 B．磁性 C．弹性 D．硬度 【解答】解：物质的物理属性包含：密度、比热容、硬度、透明度、导电性、导热性、弹性、磁性，“月壤砖”呈榫卯结构，密度与普通砖块相当，但其抗压强度是普通红砖和混凝土砖的三倍以上，这主要是由于该材料具有较大的硬度，故D符合题意，ABC不符合题意。 故选：D。 跟踪训练3某项目小组同学周末参观了深圳南头古城，对古城随处可见的古墙砖感到兴趣，开展了相关的实践活动。 【活动目的】从砖块的制作工艺和发展出发，结合所学的物理知识，分析各种应用实例。 【活动方案】（一）结合热学和力学知识，探究砖块的制作工艺； （二）结合数学和建筑学知识，探究砖块在当前建筑中的应用； （三）结合天文学知识，探究砖块的发展和新场景的应用。 【实施过程】 （一）一块砖是如何从土变成砖的？ （1）一块砖从土变成砖的过程涉及多个复杂工序，主要包括原料准备、制坯成型、干燥、烧制和后期处理等环节。在制坯成型环节，将纯土加水揉炼，制成砖坯。传统工艺依赖牛力踩踏或水车研磨，现代则使用制砖机挤压成型。可见纯土加水揉炼后，具有 （填：“弹性”、“塑性”、“脆性”或“惯性”），并且说明力可以改变物体的 。 （二）砖块在当前建筑中的应用； （2）使用砖块砌墙时，有平放、侧放、竖放三种方法，如图1所示。若一块重50N的长方体砖块的长、宽、高分别为0.2m、0.1m和0.05m，将它如图三种情况下放在水平地面上，这砖块对地面最小压强与最大压强之比为 。 （3）建筑工人在砌墙时常用铅垂线来检查墙壁是否倾斜，如图（2），这是利用了重力的方向总是 。装修房屋时，工人师傅将一根装满水的透明塑料软管的两端贴在墙面的不同地方，然后按照水面位置做出标记，这两点就在同一等高线上，如图（3）所示，这是利用了 原理。 （三）新型砖块的发展和新场景的应用。 材料1：月球本身不发光，因反射太阳光而明亮。月球上无水，几乎没有大气，温度变化急剧，表面布满了由小天体撞击形成的撞击坑。月球直径约为地球的四分之一，质量约为地球的十分之一，引力相当于地球的六分之一。 材料2：人类从1969年至今不断地飞往月球探秘，将来人们很有可能会搬到月球上去居住。中国月球基地计划将在2030年前后实施。目前，我国科学家分析月壤成分，研制“月壤砖”，并搭乘天舟八号飞船前往空间站，开展太空暴露实验，检验其能否胜任未来建造月球屋的重要任务。 （4）如图（4）所示，这是我国科学家们研发的新型建筑材料—“月壤砖”，它可能用于未来在月球上建造房屋。据悉，“月壤砖”呈椫卯结构，密度与普通砖块相当，但其抗压强度是普通红转和混凝土砖的三倍以上。假设一块体积为2000cm3的“月壤砖”，带到月球后受到的重力约为8N，则它的密度约为 kg/m3。 （5）月球屋建筑需跨学科协作，结合材料科学、机器人技术、空间工程和生物学，逐步实现从实验到实际应用的跨越。你认为，建筑月球屋需要注意什么事项呢？写出一个，并简要说明理由。（模仿示例，但不得与示例相同。） 示例：要考虑密封性和气压维持，因为月球没有人类需要的空气和大气压。 作答： 。 【解答】解：（1）传统工艺依赖牛力踩踏或水车研磨，现代则使用制砖机挤压成型。可见纯土加水揉炼后，具有塑性，并且说明力可以改变物体的形状。 （2）砖平放时对地面的压强最小，为：p1；砖立放时对地面的压强最大，为：p2； 所以这砖块对地面最小压强与最大压强之比为：。 （3）建筑工人在砌墙时常用铅垂线来检查墙壁是否倾斜，这是利用了重力的方向总是竖直向下的。 装修房屋时，工人师傅将一根装满水的透明塑料软管的两端贴在墙面的不同地方，然后按照水面位置做出标记，这两点就在同一等高线上，这是利用了连通器的原理。 （4）假设一块体积为2000cm3的“月壤砖”，带到月球后受到的重力约为8N，在地球上的重力为：G地＝6×8N＝48N；质量为：m4.8kg， 质量不随位置的改变而改变，所以它的密度约为：ρ2.4×103kg/m3。 （5）需要考虑保温性，因为月球表面昼夜温差大。 故答案为：（1）塑性；形状；（2）1：4；（3）竖直向下；连通器；（4）2.4×103；（5）需要考虑保温性，因为月球表面昼夜温差大。 题型2 桥梁的结构与功能 一、桥梁的结构 1、常见的桥梁一般由主梁、桥墩、桥台等组成。主梁直接承受自身重力以及车辆等重力，桥墩承受主梁向下的力并将力传到基座，桥台指桥的两端起支撑作用的部分。按照结构和受力特点,桥梁可分为梁式桥、拱桥、悬索桥、斜拉桥等 2、梁式桥是指采用梁或桁架梁作为主要承重结构的桥梁。 3、拱桥是用拱网或拱肋作为桥身主要承重结构的桥 4、悬索桥通过索塔悬挂缆索，并将缆索锚固于两岸(或桥两端)从缆索上垂下吊杆，吊住桥面主梁 5、斜拉桥是将主梁用许多根拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁 二、桥梁的受力 梁式桥的受力 在荷载的作用下，桥的主梁受到向下的作用力发生形变而向下弯曲，主梁就产生向上的弹力，支撑着梁上的物体。 拱桥的受力 拱桥在竖直方向荷载作用下，对整座桥产生了一个指向桥台的挤压的力，把桥的拱部紧紧地挤压在一起:桥的拱部把受到荷载的重力传递至拱形结构的两端，因此，基座不仅受到竖直向下的压力，也受到水平方向的力。从而，两侧基座会给拱形结构施加相互作用力，即竖直向上的支持力和水平方向的力。 悬索桥的受力 悬索桥用悬挂在两边索塔上的缆索作为主要承重结构、并在两岸修筑巨大的锚碇结构来固定缆索的两端。桥面主梁通过吊杆吊在缆索上，在竖直方向荷载作用下，通过吊杆使缆索承受拉力，支撑着桥的主梁。 斜拉桥的受力 斜拉桥将多根缆索的一端固定在索塔上，另一端拉着桥的主梁。荷载通过缆索传至索塔，再通过索塔传至桥的基座。 三、桥梁的设计与制作 结构设计必须遵循设计的一般过程，一般需经历如图所示的若干环节。 【典例2】如图1是某建筑工程学院的大学生们制作的“巨型”纸桥，理论承重1500千克。 （1）这座“巨型”纸桥能够承受如此大的压力的主要原因是 。 A.纸能承受较大的压力 B.纸桥的形状和结构使其抗压能力大大增强 C.纸是薄片材料 （2）设计桥时，下面哪一项是最重要的 。 A.美观 B.承重能力 C.节约材料 （3）如果你也要设计一座纸桥，如图2三种形状的“桥”，哪个抗压能力最强 。 【解答】解：（1）这座“巨型”纸桥能够承受如此大的压力的主要原因是纸桥的形状和结构使其抗压能力大大增强，故选B。（2）设计桥时，承重能力是最重要的，故选B。（3）如果你也要设计一座纸桥，如图2三种形状的“桥”，栱形结合三角形的形状抗压能力最强，故选C。 故答案为：（1）B；（2）B；（3）C。 跟踪训练110．如图所示是南京长江大桥、南京八卦洲长江大桥和南京栖霞山长江大桥。 （1）南京长江大桥是长江上第一座由中国自主设计和建造的双层式铁路、公路两用桥梁，在中国桥梁史和世界桥梁史上具有重要意义。走在桥上欣赏江景的人对桥面的压力是由于 （选填“鞋子”或“桥面”）的形变产生的。以桥上行驶的汽车为参照物，桥头堡是 （选填“静止的”或“运动的”）。 （2）南京八卦洲长江大桥享有“中华第一斜拉桥”的美誉，一辆载重汽车从桥梁左端匀速驶向索塔A的过程中，索塔A的左侧拉索的拉力 。 A.一直增大； B.一直减小； C.先减小后增大； D.先增大后减小。 （3）从桥梁结构的类型分析，南京栖霞山长江大桥属于 。 A.拱桥； B.梁式桥； C.悬索桥； D.斜拉桥。 【解答】解：（1）压力属于弹力，是物体发生弹性形变产生的，人对桥面的压力是鞋子发生弹性形变，从而对桥面产生压力。以桥上行驶的汽车为参照物，桥头堡相对于汽车的位置在不断改变，所以桥头堡是“运动的”。 （2）将索塔A视为支点，载重汽车对桥面的压力为阻力，索塔A左侧拉索的拉力为动力。根据F1L1＝F2L2可知，载重汽车从桥梁左端匀速驶向索塔A的过程中，阻力臂（汽车到索塔A的水平距离，可等效为阻力臂）不断减小，而阻力（汽车重力）大小不变，拉索拉力的动力臂不变，故动力（索塔A左侧拉索的拉力）就会一直减小。故ACD不符合题意，B符合题意。 故选：B。 （3）如图，南京栖霞山长江大桥有悬挂的拉索，符合悬索桥的结构特点。故ABD不符合题意，C符合题意。 故选：C。 跟踪训练2阅读下面材料，完成题填空： 横跨德夯大峡谷的湖南湘西矮寨大桥（如图甲）其结构如图乙所示。这座没有桥墩、没有支架的“云中大桥”是世界桥梁建设史上的奇迹，创造了四项世界第一：一是主跨1176米，成为当时跨峡谷跨度世界第一的大桥；二是首次采用塔梁分离式结构，主塔与钢桁梁无刚性连接，显著降低地震、温度变形对结构的影响，同时减少山体开挖67万立方米，保护生态；三是首创岩锚吊索结构，以高强度、耐腐蚀、抗疲劳、轻质碳纤维复合材料作为锚索材料，将主缆拉力通过锚索传递至稳定岩体的创新工程技术，解决了陡峭峡谷、岩溶地质等难以建造重力锚碇区域的施工难题；四是全球首创“轨索滑移法”架设钢桁梁，利用永久吊索安装水平轨索，解决了传统高山峡谷地形条件下桥梁建设的诸多难题。 （1）根据形状和结构分类，常见的桥梁包括梁桥、拱桥、悬索桥和斜拉桥，矮寨大桥属于 桥。如图丙，大桥主桁架（核心承重骨架）采用带竖腹杆的华伦式三角形桁架，用三角形做桁架的优点是 ；（写出一条即可） （2）碳纤维复合材料的密度为1.8g/cm3，传统钢绞线的密度为7.8g/cm3。相同长度，粗细一样的锚索，碳纤维复合材料锚索相比钢绞线锚索可减重 %（保留整数）。桥面距谷底高度差为355米，若桥面气压为7.5×104Pa，谷底气压为1.0×105Pa，则桥面相对于谷底每平方米承受的压力差为 。 【解答】解：（1）根据形状和结构分类，常见的桥梁包括梁桥、拱桥、悬索桥和斜拉桥。如图乙所示，矮寨大桥属于悬索桥。 三角形具有稳定性，用三角形做桁架的优点是：稳定性高，更安全。 （2）相同长度，粗细一样的锚索，体积相等， 则碳纤维复合材料锚索相比钢绞线锚索可减重： 。 桥面相对于谷底每平方米承受的压力差为： 。 故答案为：（1）悬索；稳定性高； （2）77；2.5×104N。 【能力培优练】 1． 在以“桥”为主题的研究中，不同研究小组展开了各自的研究。 A小组课题：空心桥墩承重能力与桥墩造型关系。 分别使用一张A4纸制成各种周长相同、形状不同的空心桥墩模型，然后向模型上逐本添加练习本，直至刚好压塌桥墩模型，并记录此时添加的练习本数量。 序号 横截面形状 练习本数量 1 10 2 13 3 16 4 20 5 （1）制作桥墩模型时，除了需要选用规格相同的A4纸外，还需要满足的条件是 。 （2）部分实验数据如上表，可得出的结论是 ；推理可知表格中序号 的桥墩承重能力最好。 B小组课题：受力面构造对承重能力的影响。 用水笔在一块长方体形状的海绵侧面画上方格线后，将其架于两垫块上（图甲）。用力下压海绵正中间时，现象如图乙所示。 （3）用海绵块来研究受压后的情况，主要是利用了海绵块具有较好的 ； 【解答】解：（1）根据控制变量法，探究不同形状的物体的承重能力时，必须控制其他因素相同，选用厚度和材料都相同的张纸是需要的。 （2）1、2、3、4组实验，模型材料、高度、周长相同而横截面形状不同，且当横截面的棱数越多时，承重越大，因此可得结论为：材料、高度、周长等相同时，横截面的棱数越多，柱子的承重越大。 柱子横截面周长一定时，随棱数增加柱子的承重增大，横截面为圆形的柱子，其棱数可视为无数条，因此其承重最大，即序号为5。 （3）海绵易发生形变，因此用海绵块来研究受压后的情况。 2． 如图是建筑工程中承重钢筋混凝土梁柱的结构示意图。已知钢筋的密度为7.8g/cm3，横截面积为50mm2，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 mm的钢筋线密度较大。 【解答】解：根据ρ和V＝Sh可得横截面积为50mm2，长为10m的钢筋质量： m＝ρV＝ρSL＝7.8×103kg/m3×50×10﹣6m2×10m＝3.9kg； 钢筋的密度一定，直径大的钢筋，横截面积大， 在长度一定时，由m＝ρV＝ρSL可知，直径大的钢筋，质量大， 由ρ线可知，直径大的钢筋的线密度大，即直径为16mm的钢筋线密度较大。 故答案为：3.9；16。 3． 近年来阿克苏地区地震频繁，却没有人员伤亡，得益于物理学在建筑中的应用。摩天大楼之所以在地震、台风中屹立不倒，除了它自身的外观设计和建筑结构之外，还因为它有“镇楼宝器”——阻尼器，如图是上海中心大厦的“上海慧眼”，它的质量达1000吨，创世界纪录．由于阻尼器的质量大， 也大，保持原来运动状态的能力强。使得阻尼器在建筑由于地震、台风摇晃时反向摆动，从而起到减振作用，阻尼器来回摆动过程中，到达最高点时 （选填“处于”或“不处于”）平衡状态。 【解答】解：（1）惯性的大小与物体的质量有关，阻尼器的质量大，惯性也大，保持原来运动状态的能力强； （2）阻尼器来回摆动过程中，到达最高点时，阻尼器受到的拉力和重力不在一条直线上，不是一对平衡力，所以阻尼器不处于平衡状态。 故答案为：惯性；不处于。 4． 阅读下列短文，回答问题。 榫卯惊艳千年的古建智慧 我国使用榫卯最早证据见于河姆渡遗址，距今有7000余年的历史，榫卯主要用于建筑架构。如图甲所示，广州陈家祠的建筑群是一座典型的岭南古建筑，也采用了大量的独特榫卯结构。榫卯是木质器物之间起连接作用的一种结构，凸出部分叫榫（或榫头），凹进部分叫卯（或榫口、榫槽），如图乙所示。其特点是在物件上不使用钉子，利用卯榫加固物件，在牢固的基础上，为了满足于不同的应用方式，其结构样式更是多达上百种，例如有楔钉榫、挖烟袋锅榫、夹头榫（嵌夹牙条与牙头）等，体现出中国古老的文化和智慧。 从物理性质方面来看，木质材料由纵向纤维构成，只在纵向上具备强度和韧性，横向容易折断。榫卯通过变换其受力方式，使受力点作用于纵向，避弱就强。 木质材料受温度、湿度的影响比较大，榫卯在同质同构的链接方式下，使连接的两端共同收缩或舒张，整体结构更加牢固。 （1）木质材料受温度、湿度的影响比较大，榫卯在同质同构的链接方式下，整体结构更加牢固的原因是 ； （2）榫头和卯口之间通过凹凸形状的配合，使得两者之间形成摩擦力，如图丙所示，当把安装好的榫卯结构向外拉时，榫头与卯口之间相互挤压，通过 的方式增大摩擦力，竖直向上拉时摩擦力的方向与拉力的方向 ，这为榫头和卯口提供了连接的牢固性，使得结构不易松动或分离； （3）如图丙中下方构件固定在水平地面上，竖直向上的拉力为120N时才能将上方构件匀速拉出，已知两构件榫头和卯口之间滑动摩擦力大小f与压力FN的大小关系如图丁所示，则两构件榫头和卯口之间的压力为 N。 （4）如图戊所示，一种木构件右边的小长方体是榫头，若如图摆放的木构件与某一带卯口的木构件咬合成长方体，则该带卯口的木构件卯口朝左时的俯视图是 俯视 A．B．C．D． （5）如图己所示为小明设计的家用桌凳，利用榫卯结构制作配套板凳如图a，图b为该凳的凳面和凳脚结构，则横档的结构是 。（填序号） A．B．C． 【解答】解：（1）由材料可知，木质材料受温度、湿度的影响比较大，榫卯在同质同构的链接方式下，使连接的两端共同收缩或舒张，所以整体结构更加牢固。 （2）由丙图可知，当把安装好的榫卯结构向外拉时，榫头与卯口之间相互挤压，接触面粗糙程度不变，压力增大，使得榫卯结构间的摩擦力也增大；竖直向上拉时榫头相对于卯口向上运动，摩擦力的方向与拉力的方向相反。 （3）当竖直向上的拉力为120N时才能将构件匀速拉出，榫头和卯口之间滑动摩擦力大小为120N，由图丁可知，榫头和卯口之间滑动摩擦力大小f与压力FN的大小成正比，且当压力为500N时，滑动摩擦力大小为100N，所以榫头和卯口之间的压力为。 （4）由于榫头位置在构件下方中央位置，所以从俯视图可知，C为所对应的卯口，故选C。 （5）根据图a中凳面和凳脚的结构，发挥空间想象能力，横档需要与凳面和凳脚互相卡住的结构，故选B。 5． 探究空心柱子的承重比与横截面的形状、周长的关系。 【问题】 科技小组在桥梁调查活动中发现，桥桩有大有小且形状各异，承重能力也不同。查阅资料获知，工程上用承重比（柱子能承受的最大质量与柱子质量的比值）反映承重能力。他们猜想空心柱子的承重比与其横截面的形状、周长有关。 【证据】 （1）实验中需要的测量工具除刻度尺外，还需要 。 （2）用纸板制成高度相同的各种空心模型。 （3）测出模型的横截面周长、质量。 （4）测量模型承受的最大质量。多次重复实验，算出承重比，数据填入下表。 组别 横截面形状 周长/cm 承重比 1 三角形▲ 18 3500 2 三角形▲ 24 3300 3 三角形▲ 30 3140 4 四边形■ 30 3320 5 五边形 30 3510 6 六边形 30 3760 【解释】 （5）分析1、2、3组数据可得到的结论是 。 （6）在研究承重比与横截面的形状关系时，除纸板高度、周长相同外，还需控制相同的因素有 （写出一个）。 （7）请在图中画出周长一定时，承重比与形状的关系图像。 【交流】 （8）根据表格数据和图像，科技小组同学进一步推测，在柱子的其它因素一定时，横截面为 形的柱子承重比最大。 【解答】解：（1）探究空心柱子的承重比与横截面的形状、周长的关系，需要测量周长和称重，实验通过测量质量计算承重比，故需要天平测量质量； （5）分析1、2、3组数据，横截面形状相同时，周长越大，承重比越小； （6）在研究承重比与横截面的形状关系时，除纸板高度、周长相同外，根据控制变量法知，需要控制材料与厚度相同，改变横截面的形状； （7）根据数据画图，如下： （8）根据表格数据和图像，科技小组同学进一步推测，在柱子的其它因素一定时，横截面的边数越多，称重比越大，而边数越多越接近圆形，故为圆形的柱子承重比最大。 故答案为：（1）天平；（5）横截面形状相同时，周长越大，承重比越小；（6）材料与厚度；（7）见解答；（8）圆。 6． 在“桥梁调查与模型制作”跨学科实践活动中，同学们对家乡的桥梁进行了研究，如图是单塔双索斜拉大桥，桥塔两侧对称的拉索承受了桥梁的重力。当桥塔高度改变时，拉索与桥塔的连接点相对于桥塔顶端位置不变。下列说法正确的是（　　） A．为了减小拉索承受的拉力，可适当减小桥塔高度 B．当桥塔高度改变时，拉索所受的拉力将不会改变 C．汽车从桥梁左端驶向桥塔时，左侧拉索的拉力一直减小 D．汽车从桥梁左端驶向桥塔时，左侧拉索的拉力一直不变 【解答】解：AB、桥塔高度减小，拉索与桥面夹角变小，根据力臂是从支点到力的作用线到垂直距离知，拉力的力臂减小，根据杠杆平衡条件，此时阻力和阻力臂不变，动力臂减小，故动力变大，则拉索承受的拉力变大，即桥塔高度改变时，拉索所受的拉力改变，故BA错误； CD、以桥塔与桥面接触处为支点，当载重汽车从桥梁左端匀速驶向桥塔时，左侧拉索的力臂不变，而阻力臂逐渐减小，根据杠杆平衡条件F1L1＝F2L2，重力不变，阻力臂减小，则左侧拉索的拉力一直减小，故D错误，C正确。 故选：C。 7． 阅读短文，回答问题。 中国桥梁 中国是桥的故乡，被誉为“桥的国度”。中国桥梁是中华民族勤劳智慧的象征，以雄伟的身姿，跨越江河湖海，连接天南地北，见证了中国的历史变迁和现代化进程。 木材是较早的建桥材料，但木材本身质松易腐，牢固性、耐久性比较差。受材料硬度和长度的限制，在河面较宽的河流上不宜架设木质桥梁，因此木桥逐渐被木石混合或砖、石等材质的桥梁所取代。钢铁的生产以及钢筋混凝土的出现为建造桥梁提供了新的材料，桥的跨度和承重能力得到了大幅度提高。 桥梁能承受的最大重力不仅与材料有关，还与桥的结构有关。在桥梁设计中，桥梁的支撑结构常常被设计成三角形，以保证桥梁的稳定性和承载能力。桥梁的种类多种多样，常见的有梁桥、拱桥、悬索桥和斜拉桥等，如图甲所示。通常情况下，梁桥受力明确，施工工艺简单、成熟；拱桥外形美观，承重潜力大，但对地基稳定性要求高，施工较为复杂。悬索桥是通过吊索将桥面荷载传到主缆上，再由主缆传到锱碗和索塔上；斜拉桥是通过斜拉索将主梁承担的荷载传到桥塔上。 （1）在桥梁设计中，为什么桥梁的支撑结构常常被设计成三角形？ （2）现代桥梁建造都使用钢筋混凝土，请说出钢筋混凝土的一种物理性质及优点。 （3）港珠澳大桥是中国走向“桥梁强国”的里程碑，如图乙所示是其主体桥梁，其结构类型是什么种类？ （4）当压力超过物体的承受能力时物体会发生弯曲，拉力超过物体的承受能力时物体会被拉断。建桥过程中，解决这些情况的最佳方式是将力分散或转移。分散是将其散布到更大的面积，避免出现某个点集中受力。转移是将其从强度较弱的区域移到专门设计的受力区域。则拱桥属于把力进行 ，而悬索桥属于把力进行 。 （5）实验小组用杠杆和细线模拟斜拉桥，探究细线的拉力与什么因素有关。 如图丙所示是实验小组探究的部分过程：保持杠杆所挂物体的重力和位置不变，将细线分别固定在杠杆A、B、C三处，用弹簧测力计分别测出细线绕过杠杆顶部定滑轮后的拉力；改变杠杆的高度，重复上述测量。 这个过程中，实验小组在探究细线的拉力与什么因素的关系？通过实验和已有杠杆的知识，会发现细线的拉力与其关系是什么？ 【解答】解：（1）在桥梁设计中，支撑结构常常被设计成三角形，以保证桥梁的稳定性和承载能力； （2）现代桥梁建造都使用钢筋混凝土，钢筋混凝土具有硬度大且抗压性好的特点，同时价格经济划算； （3）港珠澳大桥是斜拉索拉着，属于斜拉桥； （4）根据图中拱桥将其从强度较弱的区域移到专门设计的受力区域，属于转移，而悬索桥属于把力分散开来； （5）将细线分别固定在杠杆A、B、C三处，用弹簧测力计分别测出细线绕过杠杆顶部定滑轮后的拉力；改变杠杆的高度，重复上述测量。改变的是高度，探究拉力大小与杠杆高度的关系，当阻力和阻力臂一定时，杠杆越高，拉力的动力臂越大，根据杠杆平衡条件知，拉力越小。 8． 在学习“桥梁调查与模型制作”的跨学科实践中，小明和同学对无锡的桥梁进行了实地调查。如图甲所示，为古朴典雅的“无锡清名桥”，受文物保护，横卧于古运河之上；如图乙所示，为现代时尚的蠡湖大桥，整体呈“WX”型，寓意无锡之名，横跨于蠡湖之上；为深入了解桥梁的支撑方式和特点，他们制作了如丙图所示的模型，来进行研究。结合你的实践活动，回答下列问题。 （1）对我国桥梁建设做出重大贡献的科学家是 （选填“钱学森”、“袁隆平”或“茅以升”）。 （2）最古老的、有桥墩支撑的“梁桥”结构简图如丙图A所示，相对于“梁桥”而言，“无锡清名桥”的优势不包括 。 A.增加了船只的通行能力 B.优化了受力结构 C.简化了施工难度 D.提升了泄洪能力 在图丙中的B，拱桥模型测试中，当桥面重物达到一定程度后，会出现桥墩向 （选填“外”或“内”）侧移，同时塌陷的情况，所以清名桥需要进行“人流量限制”。 （3）依据桥梁的支撑方式，图丙中的模型C属于 桥。当有车辆驶入桥面时，斜拉索主要承受 力（选填“拉”或“压”，下同），桥塔主要承受 力。 （4）结合你的实践过程，请说出悬索桥相对于模型C桥梁而言，一个突出的优势。 【解答】解：（1）钱学森主要贡献在航天等领域，袁隆平主要贡献在杂交水稻领域，而茅以升是著名的桥梁专家。 （2）A.对于“无锡清名桥”（拱桥），拱形结构增加了桥下空间，增加了船只的通行能力，A选项不符合题意； B.拱形结构将压力分散，优化了受力结构，B选项不符合题意； C.拱形结构的施工相对梁桥更为复杂，并没有简化施工难度，C选项符合题意； D.拱形结构使水流通过更顺畅，提升了泄洪能力，D选项不符合题意。 故选C。 在图丙中的B，拱桥模型测试中，拱形结构的拱桥上方重物达到一定程度后对下方桥墩有向外的推力，会出现桥墩向外侧移，同时塌陷的情况； （3）桥梁的支撑方式，图丙中的模型C属于斜拉桥，拉索的目的是拉着桥面不下沉，桥塔的作用是支撑桥面，故拉索主要承受拉力，桥塔主要承受压力； （4）悬索桥是一种以主缆为主要承重构件的桥梁，通过悬挂在塔架上的高强度缆索支撑桥面荷载，具有建造的跨度大、造型优美等特点，对比模型C桥梁而言的优势是跨度更大。 故答案为：（1）茅以升；（2）C；外；（3）斜拉；拉；压；（4）跨度更大。 9． 如图所示是一组桥梁，它们的设计融合了物理学中力的平衡、传递与材料科学的智慧，中国桥梁更是人类工程史上的杰作。 （1）图甲为成都市最大的自锚式悬索桥——天府新区云龙湾大桥示意图，其中锚碗发挥出功能是直接依靠它对主缆施加的 ； A.拉力 B.重力 C.压力 D.摩擦力 （2）建造桥塔主要使用混凝土，而制造主缆主要使用钢丝，从选材上可以看出两种材料中 的抗压性能更好； （3）图乙为成都最大斜拉桥金堂大桥示意图，若将拉索在桥塔的固定点从图中A位置移动到B位置，则拉索所承受的拉力将 ； 【解答】解：（1）锚碇发挥功能是通过与主缆之间的摩擦力来固定主缆的，若没有摩擦力，主缆就会滑动，无法起到固定作用。拉力、重力、压力都不是锚碇发挥功能的直接依靠。故D正确； （2）桥塔主要承受压力，建造桥塔使用混凝土，主缆主要承受拉力，制造主缆主要使用钢丝，说明混凝土的抗压性能更好，钢丝抗拉性更好； （3）把桥看成杠杆，桥的重力为阻力，拉索的拉力为动力。根据杠杆平衡条件F1L1＝F2L2，当拉索在桥塔的固定点从 A 位置移动到 B 位置时，动力臂变小，阻力和阻力臂不变，可知动力会变大，即拉索所承受的拉力将变大。 10． 如图是四种常见的不同造型的桥梁。 （1）无论什么样的桥梁结构，支撑结构产生的向上的合力与桥面及负载的合力相互 。要建造一个跨度1000米的桥，选用 （选填“拱桥”或“悬索桥”）结构更合适。 （2）若某汽车身的材料要求强度高且轻便，则表中最理想的材料是 。 材料 锰钢 铝合金 钛合金 碳纤维 性能（强度） 强 弱 强 强 密度（×103kg•m﹣3） 7.9 3.0 4.5 1.6 （3）当该汽车在桥上匀速行驶时，不计空气阻力，所受路面阻力为车总重十分之一，已知该车总质量为700kg，则当其该路面匀速直线行驶时，动力是多少牛（g取10N/kg）？ （4）使车前进的动力是 （选填“地面对车的摩擦力”或“车对地面的摩擦力”）。 【解答】解：（1）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，即支撑结构产生的向上的合力与桥面及负载的合力相互平衡，悬索桥的建造的跨度较大，因此要建造一个跨度1000米的桥，选用悬索桥结构更合适； （2）若该车身的材料要求强度高且轻便，根据表中信息可知，碳纤维性能最强，密度最小，因此最理想的材料是碳纤维； （3）该车总重力： G＝mg＝700kg×10N/kg＝7000N， 不计空气阻力，所受路面阻力fG总7000N＝700N， 因为该汽车在桥上匀速行驶，则动力F＝f＝700N； （4）汽车轮子在地上能够向前滚动，是因为轮子与地面之间有摩擦力，也就是滚动摩擦，方向向前，这个力就是汽车前进的动力，即使车前进的动力是地面对车的摩擦力。 【链接中考】 11． （杭州中考）土培塘桥建于1985年，桥长55米，宽5米，位于杭州严家弄路和京杭大运河的交叉处，被认定为危桥予以拆除（见左图），传统的拆除方法，既要安排爆破，又要搭建钢架，费时费力，又会使残留物淤积河道，影响航运，现使用了一种新的拆除方法，只需要两到三天就可完成拆迁。拆桥的步骤是：把两艘载重500吨的船开到桥下，排去船上的水，使船体上升，托起重280吨的桥身，离开桥墩60厘米，然后使用牵引设备，横向拖拽桥身到岸上，在陆地上拆卸桥梁。假设桥的质量分布均匀，两船作用于桥身的位置各离桥两端15米处，右图是拆桥的示意图。问： （1）若要使桥同时脱离桥墩两船应怎样排水？每只船应排出多少吨水？ （2）若仅用左船排水，则桥面先脱离 　 　 桥墩（填“左”或“右”），此时左船至少排水多少吨？ 【解答】解：（1）两船同时等速排水，因桥的重力由两只船承担，而两船所处的位置是对称的，故两船对桥的作用力相同，所以每只船应排出140吨水。 答：两船同时等速排水，每只船应排出140吨水。 （2）左边受到向上的力桥面先脱离；以B点为支点，设左船对桥的支持力为F，根据杠杆的平衡条件F×CB＝G， 可得：F1886500N， m192500kg＝192.5t。 答：左船至少排水192.5吨。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $$