实践 调研桥梁建筑中的力平衡（教学课件）物理新教材沪科版八年级全一册

物理八年级全一册 •沪科版 第七章 力与运动 跨学科实践 调研桥梁建筑中的力平衡 从千年古桥到跨海长虹，在桥梁建筑中寻找力与平衡之美。 学习目标——物理学科素养 01 物理观念 1. 知道静止的桥梁处于平衡状态； 2. 理解二力平衡的条件； 3. 认识梁、拱、索中的拉力与压力； 4. 说出四种基本桥型的受力特点。 02 科学思维 1. 对比四种桥型，归纳受力与结构的关联； 2. 推理构件内部拉压的传递路径； 3. 理清结构、受力与材料的联系。 03 科学探究 1. 查阅整理名桥的历史、人文与结构资料； 2. 实地观察本地桥梁，拍照记录结构类型； 3. 以案例为对象分析受力，完成调查报告。 04 科学态度与责任 1. 调研中保持好奇、严谨与实证意识； 2. 了解我国桥梁工程成就，增强民族自豪感； 3. 体会物理与历史、工程、艺术的跨学科联系； 4. 养成合作交流、尊重证据的科学态度。 教学重难点 教学难点 教学重点 1. 认识梁、拱、悬索、斜拉四种桥型的受力特点； 2. 能用二力平衡分析桥梁整体的受力与平衡； 3. 了解我国名桥的历史、人文背景与结构特点； 4. 学会查阅资料、实地观察并撰写桥梁调查报告。 1. 判断不同桥型中压力与拉力的传递路径； 2. 分析拱桥拱脚受到的竖向压力与水平推力； 3. 结合实地观察，完成本地桥梁的受力与平衡判断。 一、问题缘起：宏伟桥梁中藏着力的平衡 这些横跨江河湖海的桥梁，靠什么力保持平衡？ 从古代石拱桥到现代跨海大桥，桥梁始终静止地跨越水面 你可能会困惑 桥为什么不会塌下来？ 巨大的桥面、车辆和行人重量，究竟由哪些结构承担？ 重力最终由谁承担？ 力在桥身内部怎样传递，又如何相互抵消、保持平衡？ 带着这两个问题，我们先从我国四大古桥和近现代大桥说起。 四大古桥：古人怎样让石桥千年不倒？ 赵州桥 · 隋代 · 李春设计 世界现存最早、跨度最大、保存最完整的单孔坦弧敞肩石拱桥。 受力：拱圈以受压为主，石块抗压，屹立一千四百余年。 洛阳桥 · 北宋 · 蔡襄主持 我国现存最早的跨海梁式石桥，现存长约 731 米、45 座石墩。 受力：石梁搭在石墩上，荷载经梁、墩直传江底基础。 广济桥 · 广东潮州 中段由十八只木船并排连成可启闭浮桥，桥亭连缀两岸。 受力：两岸石墩与固定梁跨承重，活动浮段可分合通行。 卢沟桥 · 北京永定河 金代所建联拱十一孔石桥，多孔拱圈连续布置。 受力：各孔拱圈分担压力，共同抵御河水冲击与桥面荷载。 同样是石桥，梁式与拱式的受力方式并不相同——这正是我们要比较的重点。 近现代大桥：怎样跨越更长、更宽的江面？ 钱塘江大桥（1937） 由茅以升主持设计建造，是我国第一座自行设计建造的现代化大型桥梁。 它是一座公铁两用双层钢桁梁桥。 受力：钢桁梁把桥面荷载分解到一根根杆件，受拉、受压的杆件协同工作，共同保持结构平衡。 港珠澳大桥（现代跨海工程） 集桥、岛、隧于一体的集群工程，三座通航孔桥均为双塔钢箱梁斜拉桥。 受力：斜拉索受拉、桥塔受压，把大跨度桥面的荷载传到桥塔和基础上。 这座大桥的详细案例，我们放在第四章专门分析。 从古桥到现代大桥，跨越能力不断增强，背后都离不开力与平衡的规律。 二、温故知新：什么是力的平衡 什么是二力平衡？静止的物体为什么能保持不动？ 平衡状态：物体保持静止，或做匀速直线运动。 二力平衡的四个条件： ① 作用在同一个物体上； ② 大小相等； ③ 方向相反； ④ 作用在同一条直线上。 满足这四个条件，物体受到的两个力相互抵消，物体保持平衡。 配套视频：03_二力平衡复习微课.mp4（备用复习） F₁ F₂ 静止的物体 两个力大小相等、方向相反、共线 整体受力（简化分析） · 重力 G：桥梁和车辆的总重，竖直向下； · 支持力 N：桥墩、支座竖直向上托住桥梁。 桥梁静止，G 与 N 彼此平衡。 但整体平衡只是表象：桥面梁、拱圈、主缆、斜拉索等内部构件之间，还在不断传递拉力与压力，把荷载一步步传到桥墩和地基。 G N N 桥墩 / 支座 把桥梁看成一个研究对象：整体受哪些力而平衡？ 三、认识桥梁的四种基本结构 梁桥与拱桥：荷载分别靠什么构件传下去？ 梁桥：梁直接搭在桥墩上 桥面梁（梁身）直接搁置在桥墩上，中间没有拱或缆索。 竖向荷载顺着梁身直接传给桥墩，再由桥墩传到地基。 受力特点：梁主要承受弯曲与压力，跨度不能做得太大。 拱桥：拱圈以受压为主 桥面荷载沿拱圈向两侧传递，拱圈主要承受压力。 拱脚除承受竖向压力外，还受到向外的水平推力，需要桥墩抵住。 受力特点：石材、混凝土抗压能力强，很适合建造拱桥。 梁靠抗弯承压传力，拱靠把压力沿拱圈分散到两侧拱脚——传力路径不同，材料选择也不同。 悬索桥与斜拉桥：缆索怎样把桥面吊起来？ 悬索桥：主缆只受拉 粗大的主缆跨过桥塔，一根根吊杆把桥面悬挂在主缆下方。 主缆和吊杆都承受拉力，桥塔承受压力。 受力特点：钢材抗拉性能好，悬索桥的跨越能力最强。 斜拉桥：斜拉索直接吊桥面 多根斜拉索从桥塔直接斜拉到桥面，把桥面荷载传给桥塔。 斜拉索承受拉力，桥塔承受压力。 受力特点：结构刚度大、造型挺拔，是现代大跨桥梁常用形式。 缆索负责受拉、桥塔负责受压：用材料各自擅长的受力方式，跨越越来越宽的江河海湾。 四、案例调研：名桥中的力平衡 赵州桥：坦弧敞肩石拱怎样把压力传到两岸？ 赵州桥 · 隋代 · 李春 位于河北赵县洨河，世界现存最早、保存最完整的单孔坦弧敞肩石拱桥，距今一千四百余年，全长约 64.4 米。 桥面荷载沿拱圈向两侧传递，拱圈以受压为主；拱脚受压，同时产生向外的水平推力，由两岸桥台抵住。 石材抗压能力强，最适合建造石拱桥。 配套视频：01_赵州桥3D结构与受力.mp4；02_四大古桥力学可视化.mp4 拱圈受压 钱塘江大桥：钢桁梁怎样把荷载分解到杆件？ 钱塘江大桥（1937） 由茅以升主持设计建造，是我国第一座自行设计建造的现代化大型桥梁。 它是一座公路、铁路两用的双层钢桁梁桥。 受力分析 钢桁梁由一根根三角形排列的杆件组成，把桥面荷载分解到各杆件上。 有的杆件受压、有的杆件受拉，受拉与受压杆件协同工作，共同保持结构平衡。 建造时间线 · 1934 年开工建设； · 1937 年建成通车，翻开我国自行设计建造现代化桥梁的一页。 钢桁梁用受拉、受压杆件的分工协作，把大跨度桥面的荷载稳稳传到桥墩和地基。 港珠澳大桥：斜拉索与桥塔怎样托起超长桥面？ 港珠澳大桥（现代跨海工程） 集桥梁、人工岛、海底隧道于一体的集群工程。 三座通航孔桥均为双塔钢箱梁斜拉桥，跨越宽阔海面。 受力分析 一根根斜拉索从桥塔斜拉到桥面，把桥面荷载直接传给桥塔。 斜拉索承受拉力，桥塔承受压力，再由桥塔把力传到水下基础。 配套视频：04_港珠澳大桥CG建造.mp4 现代大跨桥梁正是综合运用受拉的缆索与受压的桥塔，才实现了前所未有的跨越距离。 五、跨学科实践：我们的调研方案 调研一座桥，要从哪些学科角度观察？ 物理学 分析桥梁的力平衡，弄清拉力、压力分别由哪些构件承受，力是怎样一步步传递到桥墩和地基的。 历史 了解桥梁的建造年代、设计建造者，以及它所处时代的社会条件、人文背景和历史意义。 工程技术 研究桥梁属于哪种结构形式，使用了石材、木材、钢材还是混凝土，了解关键的施工技术。 建筑艺术 观察桥梁的造型、比例、线条与周边环境的配合，体会桥梁结构本身蕴含的平衡之美。 四个角度相互补充：先看清结构与受力，再理解历史、技术与艺术，调研才完整。 任务一：先通过资料了解要调研的桥梁 书籍与教材 查阅桥梁史、建筑工程类书籍和教材，记录基本资料。 博物馆与实地史料 参观桥梁博物馆或查阅碑刻、档案等实物史料。 网络权威资料 从政府、科研机构等权威网站查找准确的数据与介绍。 纪录片与影像资料 观看桥梁工程纪录片，补充建造过程与结构细节。 分组合作整理资料 任务二：怎样调研一座本地桥梁？ ① 观察记录 到桥边实地观察，判断它属于梁桥、拱桥、悬索桥还是斜拉桥，记录主要结构组成。 ② 拍照测量 从不同角度拍照留存，测量并记录桥长、桥宽、跨径等基本尺寸。 ③ 分析受力 对照受力知识，画出受力示意图，分析拉力、压力由哪些构件承担，判断桥梁怎样保持平衡。 ④ 撰写报告 把观察、照片、测量数据和受力分析整理成调查报告，得出本组的结论与发现。 四步依次推进：先看清结构，再采集数据，接着做受力分析，最后形成报告。 调查报告应该写清哪些内容？ 1. 桥梁名称与位置 写明桥名、所在河流与地理位置。 2. 结构类型 判断属于梁桥、拱桥、悬索桥还是斜拉桥。 3. 历史与人文背景 建造年代、建造者与桥梁的历史意义。 4. 主要受力分析 画出受力示意图，标明受力构件与力的方向。 5. 力平衡判断 说明桥梁在哪些力的作用下保持平衡。 6. 照片与资料 附上现场照片、测量数据和引用资料来源。 7. 结论与发现 总结本组的结论，写出调研中的新发现与思考。 受力示意图和真实照片是报告最有说服力的部分，要认真准备。 六、交流评价与拓展研究 第一步：分享调查报告 各组依次展示报告，介绍调研桥梁与本组的分析过程。 第二步：交流证据与结论 说明证据来源，讨论结论是否由证据合理推出，互相提问补充。 三条评价标准 标准一 · 证据真实可查 照片、测量数据和资料来源真实、能够核对，不编造信息。 标准二 · 受力分析正确 受力示意图方向、拉压构件判断和力平衡分析符合物理规律。 标准三 · 结论由证据推出 结论建立在观察和受力分析之上，理由充分，不空泛下判断。 怎样交流并评价各组的调查报告？ 展板内容 各组制作展板，呈现桥梁照片、结构特点、受力示意图和本组结论。 模型与图示 可制作桥梁简易模型，或用受力示意图直观展示拉力、压力与平衡关系。 讲解词 围绕结构、受力与美感准备讲解词，向参观者说清这座桥为何平衡、为何美观。 分工与展示形式 明确组员分工，选定展板、模型、口头讲解等展示形式，在班级内集中展出交流。 策划展览：桥梁建筑中的平衡之美 现代跨海大桥 金门大桥（悬索桥） 粗大的主缆只承受拉力，一根根吊杆悬挂桥面，桥塔承受压力，因此能实现很大的跨越距离。 悉尼海港大桥（钢拱桥） 巨大的钢拱以受压为主，把桥面荷载沿拱圈传到两岸拱脚，钢铁的抗压性能支撑起厚重的拱形。 拓展结论：无论桥梁形态如何变化，都是让拉力与压力各得其所、相互配合，物理学规律正是桥梁工程的基础。 拓展研究：世界名桥里的力平衡 课堂小结 课堂小结 整体受力平衡 桥梁整体在重力与支持力作用下保持静止；桥面之下，受拉、受压的构件分工协作、共同维持结构平衡。 四种桥型受力各异 梁桥主要受弯压，拱桥拱圈受压，悬索桥主缆受拉，斜拉桥拉索受拉、桥塔受压；不同材料适合不同桥型。 物理规律是工程基础 从古代石拱桥到现代大跨斜拉桥，桥梁设计都遵循力平衡与拉压传递的物理规律，科学支撑着工程创新。 调研实践方法 认识一座桥梁要走通：查阅资料 → 实地观察测量 → 受力分析 → 撰写调查报告，并用证据支撑结论。 平衡，是一座座桥梁跨越江河、屹立百年的根本原因。 小结：桥梁为什么能够保持平衡？ 课堂练习：用受力规律检验判断 课堂练习 · 例 1（选择题） 例 1　赵州桥是我国现存最古老、保存最完整的敞肩石拱桥，历经一千四百余年仍屹立不倒。在桥面荷载作用下，它的拱圈主要承受的是（　　） A．拉力　　　　B．压力 C．浮力　　　　D．摩擦力 提示：先回忆拱桥拱圈的受力特点，再判断石块更适合承受哪一种力。 课堂练习 · 例 2（拱桥受力判断） 例 2　观察一座石拱桥：桥面受到竖直向下的荷载后，这些力是怎样沿拱圈传递到两岸桥墩的？为什么拱脚处的桥墩还要抵住一个向外的水平推力？ 【解析】桥面荷载先由桥面传到拱圈；拱圈把压力沿拱肋向两侧拱脚方向传递，整个拱圈以受压为主。拱圈受压后会产生把两个拱脚向外撑开的趋势，因此桥墩（拱座）除承受竖直向下的压力外，还要抵住拱脚向外的水平推力。石材抗压能力强，所以适合用来建造拱桥。 课堂练习 · 例 3（桥型受力归类） 例 3　请将下列桥梁类型与主要受力构件及受力特点对应起来。 桥型：① 梁桥　② 拱桥　③ 悬索桥　④ 斜拉桥 A．拱圈——主要受压 B．主缆——只受拉，通过吊杆悬挂桥面 C．斜拉索——受拉，直接把桥面吊到桥塔 D．梁——主要受弯曲与压力 【解析】梁桥桥面梁直接搭在桥墩上，梁主要受弯曲与压力，对应 D；拱桥拱圈以受压为主，对应 A；悬索桥主缆只受拉、吊杆悬挂桥面，对应 B；斜拉桥斜拉索受拉、把桥面吊到桥塔，对应 C。正确对应：①—D，②—A，③—B，④—C。 课后作业 探究新知 作业 内容 同步作业 查阅本地一座桥梁的资料，完成《桥梁建筑中的力平衡》调查报告框架初稿，写明桥型、主要受力构件与受力特点。 自主安排 实地拍摄一座本地桥梁，判断它属于梁桥、拱桥、悬索桥还是斜拉桥，并标注主要受力构件；选看配套视频《赵州桥3D结构与受力》《港珠澳大桥CG建造》，补充课堂认识。 谢谢聆听 谢谢聆听 平衡跨越江河，物理规律托起一座座坚固而优美的桥梁。 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.45 Lavf59.27.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v1.3.8 Lavf59.27.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v1.2.18 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.65 $