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探究桥梁建筑中的力平衡
[问题缘起]
从先人的独木踏溪，到后来的一桥飞跨南北，几千年来，桥作为交通枢纽防御要塞，跨越时空，方便了人们的生活，促进了经济的发展，加快了文化的交流，对交通运输和国防建设等发挥了重要的作用。下面我们一起探究桥梁中的力平衡。
[活动方案]
任务一:了解桥梁的发展历史，知道材料对桥梁发展的促进作用。
任务二:认识梁桥和拱桥，了解梁桥和拱桥的受力情况。
任务三:实验探究桥面形状与承重的关系。
任务四:了解悬索桥和斜拉桥的结构和力学原理。
任务五:实验探究影响斜拉桥拉索拉力大小的因素。
[问题缘起]
从先人的独木踏溪，到后来的一桥飞跨南北，几千年来，桥作为交通枢纽防御要塞，跨越时空，方便了人们的生活，促进了经济的发展，加快了文化的交流，对交通运输和国防建设等发挥了重要的作用。下面我们一起探究桥梁中的力平衡。
[活动方案]
任务一:了解桥梁的发展历史，知道材料对桥梁发展的促进作用。
任务二:认识梁桥和拱桥，了解梁桥和拱桥的受力情况。
任务三:实验探究桥面形状与承重的关系。
任务四:了解悬索桥和斜拉桥的结构和力学原理。
任务五:实验探究影响斜拉桥拉索拉力大小的因素。
答案
任务一提示:建桥的主要材料有藤、木、竹、砖、石、钢铁和混凝土等。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。受材料强度和长度的限制,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。
任务二提示: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。
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。
任务三提示:(1)将同样厚度的A4纸叠成不同形状。在纸上逐渐添加重物,直到A4纸被压扁,比较不同形状纸的承重能力。
(2)以书本为“桥面”,仿照梁桥和拱桥的结构,在“桥面”上逐渐增加重物,直到“桥面”被压扁。
任务四提示:悬索桥和斜拉桥都由塔柱和缆索组成,但两种桥梁主体的受力原理不同。悬索桥是通过吊索将桥面荷载传到主缆上,再由主缆传到锚和索塔上;斜拉桥是通过斜拉索将主梁承担的荷载传到桥塔上。
任务五提示:物体越重,绳子所受的拉力越大;绳子与杠杆夹角越大,拉力越小。
任务二提示: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。
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。
任务三提示:(1)将同样厚度的A4纸叠成不同形状。在纸上逐渐添加重物,直到A4纸被压扁,比较不同形状纸的承重能力。
(2)以书本为“桥面”,仿照梁桥和拱桥的结构,在“桥面”上逐渐增加重物,直到“桥面”被压扁。
任务四提示:悬索桥和斜拉桥都由塔柱和缆索组成,但两种桥梁主体的受力原理不同。悬索桥是通过吊索将桥面荷载传到主缆上,再由主缆传到锚和索塔上;斜拉桥是通过斜拉索将主梁承担的荷载传到桥塔上。
任务五提示:物体越重,绳子所受的拉力越大;绳子与杠杆夹角越大,拉力越小。
解析
【分析】本题是围绕桥梁建筑中力平衡展开的探究性题目，分为五个任务逐步推进。解题思路为：先明确各任务的探究方向，任务一探究建桥材料对桥梁发展的作用；任务二认识梁桥、拱桥的结构与受力特点；任务三通过实验探究桥面形状与承重的关系；任务四了解悬索桥和斜拉桥的力学原理；任务五探究影响斜拉桥拉索拉力大小的因素，结合各任务的提示内容梳理核心知识点，完成探究任务。
【解析】任务一：建桥材料随发展从藤、木等天然材料逐步发展到钢铁、钢筋混凝土等新型材料，材料强度和耐久性的提升使桥梁跨度和承重能力大幅提高；任务二：梁桥受力明确、施工简单，拱桥承重潜力大但对地基要求高，桥梁支撑结构设计成三角形可保证稳定性；任务三：通过将相同厚度的A4纸叠成不同形状，或仿照梁桥、拱桥结构，逐渐添加重物比较承重能力；任务四：悬索桥通过吊索将桥面荷载传至主缆，再传至锚和索塔；斜拉桥通过斜拉索将主梁荷载传至桥塔；任务五：斜拉索拉力受物体重量和绳子与杠杆夹角影响，物体越重拉力越大，夹角越大拉力越小。
【答案】任务一提示:建桥的主要材料有藤、木、竹、砖、石、钢铁和混凝土等。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。受材料强度和长度的限制,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。任务二提示: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。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。任务三提示:(1)将同样厚度的A4纸叠成不同形状。在纸上逐渐添加重物,直到A4纸被压扁,比较不同形状纸的承重能力。(2)以书本为“桥面”,仿照梁桥和拱桥的结构,在“桥面”上逐渐增加重物,直到“桥面”被压扁。任务四提示:悬索桥和斜拉桥都由塔柱和缆索组成,但两种桥梁主体的受力原理不同。悬索桥是通过吊索将桥面荷载传到主缆上,再由主缆传到锚和索塔上;斜拉桥是通过斜拉索将主梁承担的荷载传到桥塔上。任务五提示:物体越重,绳子所受的拉力越大;绳子与杠杆夹角越大,拉力越小。
【知识点】力学原理、桥梁结构、影响拉力的因素
【点评】本题结合生活中常见的桥梁建筑，以探究任务的形式将物理力学知识与实际应用结合，引导学生理解桥梁发展的材料基础、不同桥型的受力特点及相关力学规律，注重培养学生的探究能力和理论联系实际的意识。
【难度系数】0.7
【解析】任务一：建桥材料随发展从藤、木等天然材料逐步发展到钢铁、钢筋混凝土等新型材料，材料强度和耐久性的提升使桥梁跨度和承重能力大幅提高；任务二：梁桥受力明确、施工简单，拱桥承重潜力大但对地基要求高，桥梁支撑结构设计成三角形可保证稳定性；任务三：通过将相同厚度的A4纸叠成不同形状，或仿照梁桥、拱桥结构，逐渐添加重物比较承重能力；任务四：悬索桥通过吊索将桥面荷载传至主缆，再传至锚和索塔；斜拉桥通过斜拉索将主梁荷载传至桥塔；任务五：斜拉索拉力受物体重量和绳子与杠杆夹角影响，物体越重拉力越大，夹角越大拉力越小。
【答案】任务一提示:建桥的主要材料有藤、木、竹、砖、石、钢铁和混凝土等。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。受材料强度和长度的限制,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。任务二提示: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。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。任务三提示:(1)将同样厚度的A4纸叠成不同形状。在纸上逐渐添加重物,直到A4纸被压扁,比较不同形状纸的承重能力。(2)以书本为“桥面”,仿照梁桥和拱桥的结构,在“桥面”上逐渐增加重物,直到“桥面”被压扁。任务四提示:悬索桥和斜拉桥都由塔柱和缆索组成,但两种桥梁主体的受力原理不同。悬索桥是通过吊索将桥面荷载传到主缆上,再由主缆传到锚和索塔上;斜拉桥是通过斜拉索将主梁承担的荷载传到桥塔上。任务五提示:物体越重,绳子所受的拉力越大;绳子与杠杆夹角越大,拉力越小。
【知识点】力学原理、桥梁结构、影响拉力的因素
【点评】本题结合生活中常见的桥梁建筑，以探究任务的形式将物理力学知识与实际应用结合，引导学生理解桥梁发展的材料基础、不同桥型的受力特点及相关力学规律，注重培养学生的探究能力和理论联系实际的意识。
【难度系数】0.7
