5.1 建筑结构与功能 课件 2025-2026学年浙教版科学八年级上册

该初中科学课件围绕建筑结构与功能，系统讲解结构定义、分类（框架、壳体、实体）、受力变形、稳定性及强度，通过创设情境从蜘蛛网、C60等结构引入，以“如何认识结构”设问建立认知支架，引导学生逐步探究。 其亮点在于突出探究实践与科学思维，通过橡胶棒受力形变实验、跳板受力分析等活动，结合国家大剧院、钱塘江大桥实例，强化结构与功能的科学观念。采用实验操作与实例论证，助学生直观理解抽象概念，教师使用可提升课堂互动与教学效率。

创设情境 各种事物都具有结构，如原子的结构、细胞的结构、人体的结构、建筑物 的结构、宇宙的结构等。在工程上，为了实现特定的功能，需要设计并制造具有独特结构的装置。 我们如何认识结构及其影响因素？如何进行简单的结构设计？ 建筑都有结构，如房屋的结构、桥梁的结构、塔的结构等。建筑结构展示了人类的智慧和创造力，带来了 美的享受。 建筑结构有什么特点？这样的结构对 其功能的实现有什么独特的价值？ 第五章第1节 建筑结构与功能 探究实践 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。 什么是结构？ 蜘蛛网的结构 C60 的分子结构 中华艺术宫的结构 探究实践 建筑结构的分类： 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等。 框架结构 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。 杭州钱塘江大桥 我国自行设计和建造的第一座铁路、公路两用双层桥——钱塘江大桥，它是典型的框架结构桁架梁桥。 框架结构的种类很多，广泛应用于房屋建造、桥梁工程、航空工业等。框架结构使用的材料可以是木材、金属、塑料等。 探究实践 壳体结构 壳体结构是指层状的结构，它是由若干块薄板组成的，薄板做成具有曲面轮廓的外形，看起来造型轻巧而优雅。 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。 壳体架构建筑有许多优点，如用料少、跨度大、坚固耐用等。国家大剧院就是采用壳体结构屋顶，大大减轻了屋顶所受的力，减少了场地中间的立柱数量。 国家大剧院 上海“在水一方”科幻馆 探究实践 桥墩、房屋的基座、雕塑的基座、城墙等都属于实体结构。 实体结构 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。 结构稳定，承载能力强，安全性高，具有耐久性。建筑物的基座通常由石头、混凝土等材料做成实心的结构承担基座上方的建筑物所受的重力。 桥墩 建筑是由建筑材料按一定规则组成的受力结构体系，各个部分（如梁、柱等）相互联结成为一个整体，起着承受外力（又称荷载）的作用，并将其传递到基座。 建筑都有它特定的架构形态，以体现它的结构特性。 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。 探究实践 水电站的坝体 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，以确定结构的稳固性、可靠性。 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。 每个结构需要承受一定大小的力的作用。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。 杭州钱塘江大桥 国家大剧院 甲 乙 丙 丁 1. 如图5.1-5甲所示，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，如图5.1-5乙所示，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，如图5.1-5丙所示，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，如图5.1-5丁所示，观察橡胶棒因中部受压力而产生的形变。 试验表明，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。 力能使物体发生形变。 探究实践 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。 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。 当横梁中部受到如图甲所示的压力F1时，横梁的两端会受到支撑物对它的支持力F2、F3的作用，横梁发生弯曲，上部被压缩，下部被拉伸，如图乙所示。 F2 F3 F2 F3 F1 F1 甲 乙 压缩 拉伸 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。 跳板受力变形 F1 F2 运动员站的一端受到压力F1，固定的一端受到支持力F2，跳板会发生弯曲，上部被拉伸，下部被压缩。 拉伸 压缩 探究实践 三角形桁架结构是由杆件连接成三角形的一种空间结构，如图甲所示。三角形桁架各杆件受力形变。 当三角形桁架上部受到力F1 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，如图乙所示。 F1 B C A F2 F3 B、C 杆件 A 杆件 甲 乙 三角形桁架各杆件受力图 压缩 拉伸 探究实践 如图5.1-8所示，当弧形拱受到向下的压力F1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。 F4 F5 F2 F3 F1 有些建筑物采用弧形拱结构。 压缩 压缩 请分析图5.1-9中石拱桥A、B、C、D 四处石块的受力情况。 图5.1-9 石拱桥 A处石块主要受两侧石块的水平推力、竖直约束力和自身重力，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处石块受地基的竖直支持力和水平约束力，同时传递上方石块的压力。 探究实践 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。 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。 影响结构稳定性的因素： （1）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。 东方明珠电视塔 （2）建筑结构的形状。 底座支撑面大、整体重心低的建筑物稳定性好。 什么形状结构的稳定性好？ 1. 如图5.1 -11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 5.1-11乙所示的平行四边形结构。 2. 如图5.1 -11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。 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。 三角形结构的建筑物稳定性好。 探究实践 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。 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。 三角形结构屋顶 三角形吊臂 三角形钢架桥 探究实践 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5.1 - 13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，这样可以大大增加结构的强度，使结构能承受更大的荷载。 三角形结构 探究实践 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、环形和圆形等，其承受力的大小也不一样。 工字形 口字形 环形 圆形 影响结构强度的因素： （1）框架构件的截面形状 工字形、圆形、矩形截面钢材，抗弯能力工字形最强。 探究实践 （2）结构构件的材料 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。 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。 影响结构强度的因素： 图5.1-15是某建筑中使用的钢材，请画出所用钢材的截面图示。这样的截面有什么好处呢？ (1)结构简单：角钢加工方便,适合多种连接方式。 (2)刚性强：在两个互相垂直的方向上都有较好的承载能力。 探究实践 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。 建筑结构的功能和形式表现： 当然，良好的结构设计不仅表现在其功能上，还需要表现在其形式上，如展现美，反映时代特征、文化内涵等。 图5.1-16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”白天光线充足。“水立方”是“绿色、科技、人文”理念与建筑功能的高度融合。 图5.1-16 国家游泳中心 蜂窝结构 蜂窝由无数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，其结构和功能堪称完美。 科学阅读 蜂窝结构 蜂窝结构给了工程师们很大的启示。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这些性能，它们的内部大量地采用了蜂窝结构。 迁移应用 1.下列建筑结构中，其基本结构分类不正确的是（     ） A.壳体结构，国家大剧院屋顶 B.框架结构，国家体育场主体结构 C.实体结构，水电站的坝体 D.壳体结构，国家游泳中心 D 迁移应用 2.安全帽之所以承受很大压力，是因为它利用的原理是（    ） A.拱形 B.圆顶形 C.三角形 D.以上均不是 B 3.结构适应性强、抗震性能好、耐久年限较长，多层、高层建筑都可采用的建筑结构类型是（ ） A.砖混结构 B.砖木结构 C.钢结构 D.钢筋混凝土结构 D 板书设计 第1节 建筑结构与功能 建筑结构与功能 结构稳定性：与重心高低、支撑面积大小、形状有关 建筑结构 及分类 建筑结构 的功能 结构受力 与形变 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。 分类：框架结构，壳体结构，实体结构 横梁： 三角形桁架结构： 弧形拱结构： 压缩、拉伸、弯曲 结构的强度：结构的形状、材料、连接方式等有关 建筑结构的功能和形式表现： 建筑的结构决定了其功能，功能的实现需要相应的结构来保障。 $