5.1 建筑结构与功能 第2课时课件 -2025-2026学年八年级上册浙教版科学

该初中科学课件聚焦建筑结构的稳定性和强度，从结构分类及受力形变导入，通过长方形与三角形结构受力对比的探索活动，结合截面形状力学特性分析等学习支架，帮助学生逐步理解重心、支撑面、几何形状对结构稳定性的影响及强度的决定因素。 其亮点在于融合科学思维与探究实践，通过动手操作（如四边形和三角形结构形变实验）和实验设计（结构甲、乙、丙拉力测试）培养学生探究能力，结合工字形截面钢材等实例深化科学观念应用，助力学生建立结构与功能的联系，教师可借此提升教学的实践性和有效性。

5.1 建筑结构与功能 浙教版八年级上册 第2课时 新知导入 结构受力与形变： 建筑结构及其分类：①框架结构 ②壳体结构 ③实体结构 从受力的角度看，结构是指能够承受一定力的架构，它能通过形变来抵抗力的作用。 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。 新知讲解 建筑结构的功能 结构的稳定性：结构在外力的作用下，维持其原有的平衡状态的能力。 建筑结构的重心高低和支撑面的大小对结构的稳定性有影响。例如，上海东方明珠电视塔建造的底座支撑面大、整体重心低。 重心越低，结构越稳定； 支撑面越大，结构稳定性越好。 探索活动 1.如图甲所示，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如图乙所示的平行四边形结构。 四边形结构在力的作用下，很容易发生形状的改变 2.如图丙所示，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。 三角形结构在力的作用下，其结构保持不变 三角形结构屋顶、三角形吊臂、三角形钢架桥等都利用了三角形结构的稳定性。 三角形是所有几何形状中最坚固、稳定的结构。 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。 三角形是框架结构中最基本的构造之一。 如图所示，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。 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。 由于不同截面形状的几何特性不同，导致力在构件内的分布和传递方式不同。 截面形状 核心力学特性 适用场景 工字形 抗弯强度高，上下翼缘可有效抵抗弯曲应力，抗扭性能较弱 建筑钢梁、大型抗弯梁等需承受大弯矩、保持结构稳定的构件 口字形 封闭截面提供较好的抗扭和抗弯性能，能兼顾扭转与弯曲组合受力 需同时抵抗扭转和弯曲作用的结构，如工业厂房的支撑框架、机械机架 环形 各向同性，承受均匀分布的压力/拉力表现优异，抗内压能力强 管道、轴类构件、压力容器、输送流体的管材等 方形 两个正交方向抗弯刚度相近（正方形），实心截面抗压性能好，抗扭弱于封闭薄壁截面 建筑框架柱、设备基础承台、小型支撑梁、承受多向均匀压力的构件 圆形 受力均匀，抗扭性能极佳，各方向均匀受力表现好 承受扭转力的机械轴、各方向均匀受力的机械零部件、建筑中的圆形柱 思考与讨论 如图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。 好处：抗弯性能好、节省材料、稳定性高。 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。 例如，混凝土具有较好的抗压性，但抗拉性比较差。在制作混凝土梁的时候，通常在混凝土中加入钢筋，借助钢材的抗拉性提升梁的强度。 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。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。 如图为国家游泳中心，别名“水立方”，它用半透明膜覆盖，其重仅为同尺寸玻璃的百分之一，如同一座隔热的温室，大约20%的太阳能被用来提高泳池和室内的温度，这些半透明膜使“水立方”白天光照充足。“水立方”是“绿色、科技、人文”理念与建筑功能的高度融合。 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。 这种结构非常巧妙，用料也少，既适合蜜蜂近似圆柱形的身体，又提高了空间的利用率。 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 建筑结构与功能（二） 结构的稳定性： ①重心越低，结构越稳定； ②支撑面越大，结构稳定性越好。 结构在外力的作用下，维持其原有的平衡状态的能力。 三角形是所有几何形状中最坚固、稳定的结构。 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。 课堂练习 1．如图是生活中常见的可折叠的遮阳棚，以下关于遮阳棚结构的描述合理的是（　　） A．遮阳棚的稳定性完全取决于材料的强度 B．可折叠功能是因为采用了具有弹性的材料 C．遮阳棚收起和展开过程中，四边形的不稳定性使其能够灵活改变形状 D．遮阳棚收起时，四边形结构会变成三角形结构以节省空间 2．如图所示是一款移动黑板，为了增加其稳定性，合理有效的措施是（　） A．支撑直杆采用可伸缩结构 B．增加黑板的厚度C．减小黑板底座的支撑面积 D．加大黑板底座的质量 C D 3．某同学对建筑结构的稳定性很感兴趣，进行了以下实验探究。 实验器材：若干材料和长度相同的短木棒、钉子、弹簧测力计 实验设计： ①如图所示，用钉子将四根短木棒钉成一个四边形结构，标记为结构甲。用弹簧测力计对结构甲的一个角施加一个水平方向缓慢增加的拉力F，当结构甲刚变形时记下弹簧测力计的读数为F1。 ②将三根短木棒钉成一个三角形结构，标记为结构乙。用弹簧测力计对结构乙的一个角施加一个水平方向缓慢增加的拉力F，当结构乙刚变形时记下弹簧测力计的读数为F2。 ③保持结构甲的形状，在其内部加入一根短木棒，使其构成两个三角形，标记为结构丙。用弹簧测力计对结构丙的一个角施加一个水平方向缓慢增加的拉力F，当结构丙刚变形时记下弹簧测力计的读数为F3。（底部固定装置均省略）   （3）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。根据实验结果说明这样做的目的是什么。 （1）对比结构甲和结构乙，是为了探究 　     　 对结构稳定性的影响。 形状 （2）该同学在实验中发现，对结构甲只施加了一个很小的力就很容易使它变形，但对结构乙和结构丙所施加的力已经达到了弹簧测力计的最大测量值，结构乙和结构丙均未发生明显的变形。请对该实验现象进行分析。 增强框架的稳定性，使其不容易变形。 结构乙是三角形结构，结构丙内部构成两个三角形，也利用了三角形的稳定性，所以它们的稳定性强，需要较大的力才能使其变形；而结构甲是四边形结构，不具有稳定性，所以只需要很小的力就容易使其变形。 $水立方是中国建筑史上的一个创新之作，它是一个177米乘以177米的方形建筑，场馆外观如同一个冰晶状的立方体，看起来形状很随意的建筑立面却遵循着严格的几何规则。而它的施工过程更是中国工程技术人员填补行业空白的过程。该场馆由中国建筑工程成总公司和澳大利亚PTW建筑师事务所联合设计完成。中国人认为没有规矩不成方圆，按照制定出来的规矩做事，就可以获得整体的和谐。在中国传统文化中，天圆地方的设计思想催生了水立方，它与原型的鸟巢国家体育场相互呼应，相得益彰。方形是中国古代城市建筑最基本的形态，它体现的是中国文化中以纲常伦理为代表的社会生活规则。而这个方盒子又能够最佳体现国家游泳中心的多功能要求，从而实现了传统文化与建筑功能的完善结合。但是只把场馆设计成方形太过单一，并不能给来自各国的观众带来深刻印象。后来，设计师从肥皂泡泡上获得了灵感，这些泡泡看起来杂乱无章，没有任何规律可言。其实这种结构包含了12面体和14面体两种单元。而且它们的夹角都是近乎完美的120度，并沿着三条轴线向外散布。正是因为借鉴了这一模型，才大大减少了水立方需要的钢材数量。整个建筑主体只用了6700吨钢结构就建成了。而且设计师发现这种类似蜂巢的结构强度要比普通的钢筋横梁结构强出很多。水立方与鸟巢相似，也采用了传统的防雷技术，它的地下基础部分是钢筋混凝土结构，而地上部分是钢骨架。通过把钢骨架和混凝土中的钢筋相互焊接连接，共同形成了一个类似立方体的法拉第，有效避免了电磁干扰以及雷电袭击。同时该建筑在设计中还充分考虑了环保需求，多达10万平方米的建筑外立面居然全被塑料覆盖，那么他到底又有何种优异的性能？ 都说蜂窝结构能省材料，但你可能不知道用这种六边形设计反而会让造价翻倍。今天我们就来拆解这个反常识的工程袭击。首先来看为什么工程师痴迷这种蜂巢设计。六边形排列能让材料利用率冲到90%以上，比传统结构轻最多80%。飞机机翼用上它，就像把铁疙瘩换成羽毛球排骨架，但重点来了，这种完美结构需要精密模具压制成型，一套模具够盖3间平房，你说成本能不高吗？接下来是它的隐藏技能，应力分散，就像你用手压鸡蛋，很难捏碎，蜂窝结构能把冲击力均匀分摊到每个六边形单元，抗震性能直接拉满，不过要注意，这种结构最怕尖锐物撞击，拿根筷子捅蜂巢就知道局部破损会引发连锁反应。说到实际应用，建筑工地最爱它的隔音隔热性能，用蜂窝铝板做幕墙，相当于给大楼穿件羽绒服。但施工队最头疼，安装环节差1毫米都可能导致结构失效，必须请专业团队操作，人工费又是个无底洞。最后补充两个常见误区，第一，不是所有蜂窝结构都怕火。航天器用的陶瓷基复合材料能扛住2000度高温。第二，汽车用蜂窝刚不是为了省钱，而是碰撞时能像手风琴一样折叠吸，能保命，比省钱重要多了。下次见到蜂窝设计也只看省了多少料，算算背后这些隐形成本。 你知道为什么三角形是最稳定的图形吗？其实这跟它的结构有很大的关系。我们知道三角形的三个角是固定不变的，所以它的形状是不会发生变化的那如果把两个相同的三角形组合在一起，就成了一个平行四边形，而这个平行四边形又可以轻易的被扭曲变形。但如果你再加一个三角形进去，这个时候无论你怎么去掰它它都不会发生改变。因为多了一个三角形之后，就相当于增加了更多的支撑点，从而让整个结构变得更加稳定了。所以从古至今，桥梁、房屋等建筑大多都采用了三角形的设计，就是为了增加其稳固性，防止意外的发生。