第3节 搭建一座简易人行浮桥（导学案）科学浙教版2024八年级上册

该初中科学导学案围绕“搭建简易人行浮桥”展开，核心知识点为阿基米德原理与浮桥承重的关系，通过明确问题引导学生运用浮力和力学知识，用简易材料设计搭建6米长浮桥，构建前后知识联系的学习支架。 以工程实践为主线，涵盖设计、搭建、检测、改进完整流程，培养科学思维（模型建构、推理论证）和探究实践能力，小组分工协作增强团队意识，成本与安全意识渗透态度责任，习题结合实际工程问题提升应用能力。

第3节 搭建一座简易人行浮桥（导学案） 1、运用阿基米德原理等知识，理解浮力与浮桥承重的关系，认识工程设计的科学依据。 2、通过设计、计算、搭建与改进，培养工程设计思维和问题解决能力。 3、树立成本控制与安全意识，增强团队协作能力，体会科学技术的实际应用价值。 1、运用阿基米德原理设计浮桥，明确材料选择与浮桥承重、稳定性的关系。（重点） 2、按流程完成浮桥设计、搭建、检测与改进，落实小组分工协作。（难点） 1、搭建简易人行浮桥的核心科学原理是 ，浮箱所受的浮力决定了浮桥能承受的荷载。 2、浮桥搭建小组的分工包括 、采购员、绘图师和工程师，其中采购员负责材料采购、整理及多余材料处理。 3、浮桥检验的核心标准包括 性、经济性、稳定性、牢固性和工效性，各项标准按好、中、差分别记 3、2、1 分。 一、目标 1.根据浮桥设计要求，明确工程验收标准，设计浮桥施工图纸，培养应用创新思维。 2.通过浮桥的设计与制作过程，初步认识工程的关键是设计，工程是设计方案物化的结果。 3.增强成本控制意识，提高浮桥的性价比；运用科学知识和计算思维，确保浮桥的安全性和稳定性；运用批判性思维，根据实际反馈，不断改进浮桥。 二、器材 材料 规格（每个） 单价 数量 桶装水空桶 体积：19L 质量：800g 高度：50cm 15元/个 饮料瓶1 体积：1.5L 质量：40g 0.5元/个 饮料瓶1 体积：1.5L 质量：40g 0.5元/个 饮料瓶2 体积：500mL 质量：20g4个/组 1元/组 宽胶带 体积：19L 质量：800g 15元/个 长扎带 高度：50cm 体积：1.5L 质量：40g 0.5元/个 短扎带 长度：25cm 长度：30cm 0.5元/根 木条 长度：1.2m 长度：1m 长度：0.8m 2.5元/根 复合板 任意规格 3元/块 三、过程 1.明确问题。 运用阿基米德原理和力学相关知识，利用身边的简易材料，用较低的成本搭建一座长6m、可供一个约70kg的人安全通行的浮桥，浮桥要具有稳定性和牢固性。 2.设计方案。 （1）分工讨论。由于浮桥搭建工程比较复杂，全班分成6个小组，每个小组一张采购单（提供100元资金），每组负责建造1m长的浮桥。将小组的分工安排填写在表中，项目总监组织讨论浮箱的设计。 分工 项目总监 采购员 绘图师 工程师（3～4名） 职责 负责人员分配，组织讨论，督促项目实施，辅助工程师搭建浮桥，汇报浮桥的优缺点 统计需要用到的材料，用代金券去老师处采购；负责材料的整理及多余材料的处理 汇总小组意见，根据计算得出的材料数量，绘制图纸 给设计提建议，按设计方案组织成员搭建浮桥（搭建完成时，1名工程师与项目总监请老师验收浮桥） 负责人 （2）绘制图纸。根据讨论结果，确定浮桥搭建方案，画出设计草图。（工程图纸需要标注尺寸和材料名称） 3.实施计划。 （1）选择材料。根据图纸确定材料的数量，填好材料采购单。杭州市丁荷中学“浮桥大冒险”。 （2）采购材料。采购员凭采购单采购材料，并免费领取所需的建造工具。 （3）搭建浮桥。根据浮桥设计图进行搭建，记录建造浮桥所用的时间。 4.检验作品。搭建完毕，对搭建的浮桥进行检测。检测标准如下（每条标准根据好、中、差分别记3、2、1分）： ①承重性：这段浮桥至少能承载一个人（承载质量越大，得分越高）。 ②经济性：采购单上的费用不超过100元（用钱越少，得分越高）。 ③稳定性：工程师能稳定站立于浮桥之上（站立时间越长，得分越高）。 ④牢固性：不散架和变形（零件掉落越少，不变形，得分越高）。 ⑤工效性：搭建时间不超过20min（所用时间越短，得分越高）。 5.改进完善。在工程师检测浮桥的过程中，项目总监及时地发现和记录浮桥存在的缺陷，对存在的问题组织讨论，也可以对比其他小组的浮桥，改进作品，找到解决方案，并将讨论结果记录在表中。 浮桥存在的问题 改进方案 1 2 3 6.发布成果。对作品修改和完善后，展示和发布成果。 （1）设计图纸展评。设计图纸包括设计意图、设计特色、小组设计制作过程中的感悟等。 （2）浮桥改建连接。根据完善的方案进行改建，全班把各组的短浮桥连接成一座长6m的浮桥，并在浮桥上铺设木板，搭建成一座可供人通行的临时浮桥。（3）使用最优浮桥。对本年级各班的浮桥进行评比，最好的浮桥永久保留，并在需要时供人通行。 四、问题讨论 在整个浮桥搭建工程实践过程中，你遇到了哪些困难？是如何克服困难的？搭建浮桥的过程中有哪些收获？ 1．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 2．在设计一个能承受重物的纸桥时，我们应该优先考虑的因素是（　　） A．桥的美观程度 B．桥的材料成本 C．桥的承重能力和稳定性 D．桥的建造速度 3．结构设计的一般过程是（　 　） A．明确内容、制订设计方案、制作模型或原型、优化与完善 B．制订设计方案、明确内容、制作模型或原型、优化与完善 C．明确内容、制订设计方案、优化与完善、制作模型或原型 D．制订设计方案、明确内容、优化与完善、制作模型或原型 4．如图所示为常见的梁式桥结构示意图。下列有关梁式桥结构的认识，错误的是（　　） A．梁式桥一般都由主梁、桥墩、桥台、基座等组成 B．采用桁架梁作为主要承重结构的桁架桥不属于梁式桥 C．桥墩和桥台都能够把主梁产生的向下的力传给下面的基座 D．结构简单的梁式桥，可把主梁直接架在两端的桥台上 5．桥梁不仅能够支撑起自身的重量，还能够承载来来往往的车辆。下列关于桥梁的结构与制作，说法错误的是（　　） A．常见的桥梁一般由主梁、桥墩、桥台等组成 B．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 C．拱桥是指直接将主梁的两端架在架台上的桥梁 D．与悬索桥相比，斜拉桥在荷载作用下的结构形变小，且其抵抗风的能力比悬索桥强 6．如图所示为木料抗弯强度实验。木料在悬挂重物后向下弯曲，测得木料N的下弯距离为5mm，木料M的下弯距离为8mm。从结构稳固角度考虑，下列板凳设计方案中，合理的是（　　） A． B． C． D． 7．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。（各问均填字母） (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 。 8．如图所示为杭州的西兴大桥，又称钱江三桥，是连接杭州老城区与滨江、萧山两区及萧山国际机场的重要通道之一，是一座跨钱塘江的斜拉桥。斜拉桥的索塔一般都建造得很高，多根缆索的一端固定在索塔上，每根缆索的另一端拉着桥的主梁。 (1)与悬索桥相比，斜拉桥的突出优点是 ； (2)斜拉桥的索塔一般都建造得很高的好处是 ； (3)索塔的高度并不是无限增加的，因为其高度受到诸多因素影响，请写出索塔建造高度的影响因素： （写出两方面因素即可）。 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 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（1）分工讨论。由于浮桥搭建工程比较复杂，全班分成6个小组，每个小组一张采购单（提供100元资金），每组负责建造1m长的浮桥。将小组的分工安排填写在表中，项目总监组织讨论浮箱的设计。 分工 项目总监 采购员 绘图师 工程师（3～4名） 职责 负责人员分配，组织讨论，督促项目实施，辅助工程师搭建浮桥，汇报浮桥的优缺点 统计需要用到的材料，用代金券去老师处采购；负责材料的整理及多余材料的处理 汇总小组意见，根据计算得出的材料数量，绘制图纸 给设计提建议，按设计方案组织成员搭建浮桥（搭建完成时，1名工程师与项目总监请老师验收浮桥） 负责人 （2）绘制图纸。根据讨论结果，确定浮桥搭建方案，画出设计草图。（工程图纸需要标注尺寸和材料名称） 3.实施计划。 （1）选择材料。根据图纸确定材料的数量，填好材料采购单。杭州市丁荷中学“浮桥大冒险”。 （2）采购材料。采购员凭采购单采购材料，并免费领取所需的建造工具。 （3）搭建浮桥。根据浮桥设计图进行搭建，记录建造浮桥所用的时间。 4.检验作品。搭建完毕，对搭建的浮桥进行检测。检测标准如下（每条标准根据好、中、差分别记3、2、1分）： ①承重性：这段浮桥至少能承载一个人（承载质量越大，得分越高）。 ②经济性：采购单上的费用不超过100元（用钱越少，得分越高）。 ③稳定性：工程师能稳定站立于浮桥之上（站立时间越长，得分越高）。 ④牢固性：不散架和变形（零件掉落越少，不变形，得分越高）。 ⑤工效性：搭建时间不超过20min（所用时间越短，得分越高）。 5.改进完善。在工程师检测浮桥的过程中，项目总监及时地发现和记录浮桥存在的缺陷，对存在的问题组织讨论，也可以对比其他小组的浮桥，改进作品，找到解决方案，并将讨论结果记录在表中。 浮桥存在的问题 改进方案 1 2 3 6.发布成果。对作品修改和完善后，展示和发布成果。 （1）设计图纸展评。设计图纸包括设计意图、设计特色、小组设计制作过程中的感悟等。 （2）浮桥改建连接。根据完善的方案进行改建，全班把各组的短浮桥连接成一座长6m的浮桥，并在浮桥上铺设木板，搭建成一座可供人通行的临时浮桥。（3）使用最优浮桥。对本年级各班的浮桥进行评比，最好的浮桥永久保留，并在需要时供人通行。 四、问题讨论 在整个浮桥搭建工程实践过程中，你遇到了哪些困难？是如何克服困难的？搭建浮桥的过程中有哪些收获？ 1．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 【答案】A 【解析】 A．预制梁场是在工厂或工地预先制作桥梁构件，再运输到现场安装。这种方式能同时进行构件制作与现场基础施工，缩短整体工期，故A符合题意； B．预制生产能通过标准化流程提高构件精度，故B不符合题意； C．批量预制可降低成本，故C不符合题意； D．预制过程多在室内或遮护区域进行，对天气的依赖程度较低，故D不符合题意。 2．在设计一个能承受重物的纸桥时，我们应该优先考虑的因素是（　　） A．桥的美观程度 B．桥的材料成本 C．桥的承重能力和稳定性 D．桥的建造速度 【答案】C 【解析】 C．在设计能承受重物的纸桥时，核心需求是让桥能够承载重物，因此应优先考虑桥的承重能力和稳定性，这是满足“承受重物”这一功能的关键，故C符合题意； ABD．桥的美观程度、材料成本、建造速度均属于次要因素，并非承载重物的核心需求，故ABD不符合题意。 3．结构设计的一般过程是（　 　） A．明确内容、制订设计方案、制作模型或原型、优化与完善 B．制订设计方案、明确内容、制作模型或原型、优化与完善 C．明确内容、制订设计方案、优化与完善、制作模型或原型 D．制订设计方案、明确内容、优化与完善、制作模型或原型 【答案】A 【解析】结构设计过程通常遵循以下四个核心步骤：明确内容、制订设计方案、制作模型或原型、优化与完善。故A符合题意，BCD不符合题意。 4．如图所示为常见的梁式桥结构示意图。下列有关梁式桥结构的认识，错误的是（　　） A．梁式桥一般都由主梁、桥墩、桥台、基座等组成 B．采用桁架梁作为主要承重结构的桁架桥不属于梁式桥 C．桥墩和桥台都能够把主梁产生的向下的力传给下面的基座 D．结构简单的梁式桥，可把主梁直接架在两端的桥台上 【答案】B 【解析】 A．梁式桥一般都由主梁、桥墩、桥台、基座等组成，这是梁式桥的基本构造，故A正确，不符合题意； B．桁架桥是以桁架梁作为主要承重结构的桥梁，它属于梁式桥的一种，故B错误，符合题意； C．桥墩和桥台在桥梁结构中起到支撑主梁的作用，能够把主梁产生的向下的力传给下面的基座，故C正确，不符合题意； D．对于结构简单的梁式桥，可把主梁直接架在两端的桥台上，这种形式较为常见，故D正确，不符合题意。 5．桥梁不仅能够支撑起自身的重量，还能够承载来来往往的车辆。下列关于桥梁的结构与制作，说法错误的是（　　） A．常见的桥梁一般由主梁、桥墩、桥台等组成 B．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 C．拱桥是指直接将主梁的两端架在架台上的桥梁 D．与悬索桥相比，斜拉桥在荷载作用下的结构形变小，且其抵抗风的能力比悬索桥强 【答案】C 【解析】 A．常见的桥梁一般确实由主梁、桥墩、桥台等组成，主梁承受车辆等荷载，桥墩和桥台起到支撑和连接的作用，故A正确，不符合题意； B．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。梁式桥主要受弯，拱桥主要受压，悬索桥主要靠悬索承受拉力，斜拉桥通过斜拉索将主梁的荷载传递到塔柱上，故B正确，不符合题意； C．拱桥是在竖直平面内以拱作为上部结构主要承重构件的桥梁，而直接将主梁的两端架在桥台上的桥梁是梁式桥，故C错误，符合题意； D．与悬索桥相比，斜拉桥在荷载作用下的结构形变小，因为斜拉索对主梁有多个支撑点，且其抵抗风的能力比悬索桥强，悬索桥的悬索在大风作用下容易产生较大振动，故D正确，不符合题意。 6．如图所示为木料抗弯强度实验。木料在悬挂重物后向下弯曲，测得木料N的下弯距离为5mm，木料M的下弯距离为8mm。从结构稳固角度考虑，下列板凳设计方案中，合理的是（　　） A． B． C． D． 【答案】C 【解析】木料的下弯距离越小，说明抗弯强度越高（变形越小）；题目中木料N下弯距离（5mm）小于木料M（8mm），因此木料N的抗弯强度更好，应优先选用木料N制作板凳；从结构稳固性角度，三角形结构具有稳定性（斜向支撑可形成三角形受力体系，分散荷载、抵抗变形）。选项C采用斜向支撑的结构设计，相比选项D的垂直支撑（无三角形稳定结构），稳固性更强。因此，合理的设计方案为C，故C符合题意，ABD不符合题意。 7．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。（各问均填字母） (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 。 【答案】(1)B(2)B(3)C 【解析】 （1）A．纸不能承受较大的压力，故A不符合题意；B． 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为拱形，构件使用大量的三角形结构，形状和结构使其抗压能力大大增强，故B符合题意；C．纸是薄片材料，薄片材料自身不能承受较大的压力，也不能解释为何纸桥能够承受如此大的压力，故C不符合题意。 （2）ABC．设计桥时，要考虑很多原则，但安全第一，承重能力是最重要的，故A、C不符合题意，故B符合题意。 （3）A．拱形形状有一定的抗压能力，但结构相对比较简单，抗压能力不是最强，故A不符合题意； B．仅有简单的条形桥梁，抗压能力最差，故B不符合题意； C．拱形形状，结合斜拉索和桥塔的结构，使桥的抗压能力最强，故C符合题意。 8．如图所示为杭州的西兴大桥，又称钱江三桥，是连接杭州老城区与滨江、萧山两区及萧山国际机场的重要通道之一，是一座跨钱塘江的斜拉桥。斜拉桥的索塔一般都建造得很高，多根缆索的一端固定在索塔上，每根缆索的另一端拉着桥的主梁。 (1)与悬索桥相比，斜拉桥的突出优点是 ； (2)斜拉桥的索塔一般都建造得很高的好处是 ； (3)索塔的高度并不是无限增加的，因为其高度受到诸多因素影响，请写出索塔建造高度的影响因素： （写出两方面因素即可）。 【答案】(1)在荷载作用下的结构形变小，抗风能力强 (2)可以为缆索提供更大的拉力 (3)见解析 【解析】 （1）斜拉桥的拉索直接连接索塔与主梁，对主梁的支撑更直接，整体结构刚度大于悬索桥（悬索桥主缆柔性大，变形相对明显），因此斜拉桥抗风稳定性更优，主梁变形更小。 （2）索塔越高，拉索与水平面的倾斜角越大；根据力的分解，拉索拉力可分解为竖直分力（承担主梁竖向荷载）和水平分力（对主梁的水平作用）；倾斜角越大，竖直分力占比越大、水平分力越小，从而降低拉索的张力需求或减小对主梁的水平作用，优化结构受力。 （3）①过高的索塔会增加建设成本；②过高的索塔增加了施工的难度和风险；③过高的索塔会增加受到的风荷载，可能影响桥梁的稳定性和安全性；④索塔的高度需要考虑与周围环境的协调和美观性。 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $