结构的强度纸桥的设计与制作.doc

纸桥的设计与制作（生活 动手做） 在这个实验活动中，我们要 1、采取分组的活动形式，培养学生的合作精神和有序的工作能力；通过成品展示、竞赛等活动，培养学生的既合作又竞争意识； 2、在制作过程中，培养自己不畏艰难，不循旧规，敢于创新的精神。 3、学习科技制作、理解桥的主要结构的作用，通过纸桥的设计与制作在探索中理解，材料的强度与它的几何形状有关。 4、在纸的多种承重实验研究、纸桥设计等过程中要学会独立思考 5、培养学生与他人合作共同研究的能力。 6、通过对桥的造型设计，提高创作模型的技能、技巧及可观赏性。 7、学习简单的技术设计。 活动内容 纸桥的设计与制作 背景材料 1、知识背景： 压力与压强 知道压力的概念，压力是指垂直压在物体表面上的力。 理解压强的的概念， 压强是物体单位面积受到的压力。 固体的压强跟受力面积有关，截面积对压力有直接影响，截面积越大，压力越小 拱形桥：拱起了腰的纸条可以驮起一盒火柴，这说明，向上拱起的物体最能承受外来的压力，它的强度要比没有拱起时大。火柴盒压在纸拱桥上，给予纸拱的是一种静态外力，它和作用在装甲车上的子弹冲击力不同。纸拱桥这种抵抗静态外力的本领，就叫静强度。 我们的祖先很早就发现了拱形物体的这种性质，并且把它运用到建筑上去。各地发掘出的东汉古墓，多数有“拱”式结构，可见一千几百年前我国的筑拱技术已经相当普及了。 现存的最古老的石拱桥是我国的赵州桥。赵州桥是隋朝石匠李春设计监造的，自公元616年建成，到现在已经有1300多年的历史了。这座石桥横跨在河北赵县城南洨河上，有着一个弧形的桥洞，犹如跨在河上的长虹。在漫长的岁月里，赵州桥经受了地震的摇撼，洪水的冲击，车马的压轧，仍然屹立在洨河上。（图一）赵州桥不但有个弧形的大拱，而且在桥肩还有4个小拱。当山洪暴发时，小拱可以把洪水泄走。赵州桥坚固的秘密正在拱上。我国科技人员和工人继承并发展了拱桥建筑的传统，运用现代强度理论以及工程学，创造了双曲拱桥。双曲拱桥的外形同一般的空腹式拱桥好像没有什么区别。但是你如果走到桥下一看，就会发现它的肚皮是凹的，好像由几条自行车的挡泥板拼起来的，真是拱中有拱。这种桥的优点是造价低，载重负荷大，施工方便，节省材料。宏伟的南京长江大桥的公路引桥便是这种双曲拱桥。（图二） 双曲拱比单曲拱能承受更大的载荷，主要是因为双曲拱不仅在一个方向上呈拱形，而且在与其垂直的另一方向也呈拱形。自行车的挡泥板就是这种双曲拱形的。当它受力时，力使沿着两个拱的方向更均匀地传递；某一局部受力过大时，双曲拱能迅速自行调整平衡，使整个双拱曲不会因局部受力过大而损坏。 拱形结构除了能用于建造桥梁外，另一个重大的用处就是建造水坝。特别是双曲拱形坝，由于拱形顶所受的水压力能通过拱体均匀地传递给河岸，依靠坚固的两岸来维持的稳定，它与完全靠自身重量来维持平衡的重力坝相比，不仅可以减少体积，节约材料，而且还有一定的弹性，对地基的局部变形具有一定的适应能力，有较好的抗震性能。 我们的脚上就长着“双曲拱桥”，它就是人的足弓正常的脚都可以区分出三个足弓：两个纵向的纵弓和一个横断面上的横弓。 桥的历史与发展现状： 我国古代桥梁多用木、石、藤、竹及至皮革之类的天然材料，锻铁出现以后有了简单的铁链桥。它们的强度都很低。木、藤、竹，皮革类易腐烂，能够保留至今的古代桥梁多为石桥。中国古代著名石桥有：1河北赵州安济桥、2北京泸沟桥、3泉州安平桥。 1900-1949年,这一时期中国的桥梁建设几乎处于停滞状态，特别是由中国自行建设的桥梁工程更是寥寥无几。其中代表桥梁是1943年由我国老一辈桥梁工程专家茅以升老先生主持设计并建设的杭州钱塘江大桥。（图三） 钱塘江大桥位于杭州闸口六和塔附近，是由我国工程师自行设计并监造的第一座双层式公、铁两用桥。全桥长1453米，正桥长1072米，两岸引桥长381米。于1931年11月11日举行开工典礼，1935年通车。这座现代化的钢铁大桥为沟通南北交通作出了突出的贡献，同时也标志着中国使用钢铁建设桥梁进入了一个全新的阶段。 同时期的国外桥梁已远远超过中国，钢铁技术达到高峰，出现了第一次悬索桥建设高潮。著名的桥梁有：1931年建成的纽约华盛顿桥、1937年建成的旧金山大桥、1932年建成的悉尼钢拱桥。 1950年1978年中，我国的桥梁建设经历了艰苦创业和曲折发展两个历史时期。武汉长江大桥（图四）与南京长江大桥先后建成通车。 中国桥梁建设的一大里程碑-南京长江大桥，位于江苏省南京市，正桥为公、铁层连续桁梁桥，长1576米。南京长江大桥是完全依靠自己的技术力量和国产材料建成的长江大桥，因此，它的建成标志着我国的建桥技术进入了一个独立自主的新水平、新阶段。 同时期的外国桥梁出现了多元纷呈、各显其能的新趋势。斜拉桥成为主要桥型，日本和丹麦开始实施宏伟的跨海工程计划。 1979-1999年，在这短短的二十年里，中国现代桥梁事业取得了令人刮目相看的成绩，并迅速赶上世界桥梁建设的先进水平。上海南浦大桥、杨浦大桥和徐浦大桥确定了我国桥梁的世界地位。五座悬索桥：跨度452米的汕头海湾大桥、跨度888米的广东虎门大桥、跨度900米的西凌长江大桥、跨度1385米的江阴长江大桥和跨度648米的厦门海沧大桥的同时兴建，标志着中国正在走向世界桥梁王国之列。 我国在现代桥梁建设技术方面，已跻身世界先进行列。 目前，我国已经能够熟练建造长大跨径、深水基础桥梁，桥梁建设技术跻身世界前列。据交通部部长黄镇东介绍，如预应力混凝土梁桥、各式拱桥、斜拉桥和悬索桥建设，我国都实现了技术上的突破和发展。我国先后建成了江阴长江大桥、虎门大桥、万县长江大桥、南京长江二桥等一批技术含量高、在世界上有影响的重大工程项目。江阴长江大桥主跨跨径1385米，是20世纪我国修建的跨度最大的桥梁，居世界同类斜拉悬索桥第四位。万县长江大桥特大跨钢筋混凝土拱桥设计和施工，是一项国际创新的技术，获2000年国家科技进步一等奖。虎门大桥建设成套技术获2000年国家科技进步二等奖。 新技术、新工艺、新设备的采用保障了我国桥梁建设事业的快速发展。截至去年底，全国共有各类公路桥梁24万座，共计865万延米，其中特大桥1139座，大桥12741座。这些桥梁造型优美，美观实用，成为当地的一道风景。 桥梁作为一跨越结构，其造型千姿百态，这主要受其跨度、材料、荷载及施工方法四大因素的影响，当然也包括人的意识形态或者说是审美趋向的影响。只是一些杰出的桥梁工程师，他们利用自己对工程结构的深刻理解，大胆、执着、创造性地设计出许多伟大的桥梁（式），如林同炎设计的反吊桥、曲线斜拉桥、展翅梁桥及预应力钢桥等。 2 方法背景： 纸桥的制作方法及要求： 制作时间35分钟 桥的强度（两桥墩之间）不小于15厘米，桥宽不小于5厘米 桥的承重力强，坚固（以重物重量为准） 科学的研究方法： 用声像演示的手段向学生展示桥梁用各种物件，如工字型钢、角钢等（如图），使学生理解通过改变纸的形状，可以增加柔软纸的强度并能承载一定的重量。学生自己动手试验，寻找更多的用改变纸的形状增加纸承载重量的方法，以此培养学生探索、观察、分析能力；初步训练学生能将常见的事物本质属性抽象、概括，形成科学概念的概括、推理、归纳、综合能力。 学生查找资料或向教师、家长请教“物体形状和强度的关系”及科学原理，收集和查阅有关桥梁设计、造型方面的资料和图片。训练学生学会收集、整理和初步运用多种信息，有目的地开展调查研究的方法。并将收集到的资料、信息积累起来，分类保管，树立信息积累的观念。 学生以组为单位活动。要求各活动小组根据本组设计的图纸，按制作要求密切合作，完成纸桥的制作。在制作过程中，注意用“记录纸”（或教师提供的数据表）记录相关数据。使学生学会处理观察、制作结果的科学方法。 各活动小组展示各自作品，由各组选派一名同学谈设计制作的感受。训练学生运用语言完整表达观察结果、制作过程、描述成品的能力。 科学行为习惯的养成： 通过独立完成查找资料、准备设计图纸等自主学习活动，培养学生学习的自觉性，并掌握良好的阅读技能，养成自觉进行课外阅读的习惯。 活动小组协作完成纸桥制作，培养学生团结合作的团队精神。 制作中注意记录数据，养成良好的科学行为习惯。 3重要词汇： 压力、压强、静强度、承重力 设计思路 （一） 活动内容的可行性及成功的原因： 1 活动内容的选择符合学生现有的知识结构和认知水平，注重培养学生运用综合的知识能力解决实际问题，在活动中综合运用了物理、数学、几何、美术和手工制作等多方面的知识和能力。 2 活动内容的选择具有一定的科技含量，把研究、实验、制作有机的结合起来，有助于培养学生的科技意识、科学方法和科学的探索精神。 3 活动过程设计突出以学生为主体的教学过程，启发学生自主学习，主动探索，充分发挥学生在学习上的主动性和创造能力。 4 根据活动内容，确定活动形式，精心设计活动过程是成功上好活动课的关键。 5 选择恰当的活动形式，可以有效地激发学生学习的兴趣，使他们始终保持良好的学习状态。 6 充分的课前准备，是上好活动课的前提和保障，它包括：活动方案设计、收集资料、教师课前实验、研究、制作、教学用具、材料、设备准备（录像、投影仪等）。 （二） 活动要点： 1 活动以小组为单位，全班分成若干活动小组（每组4人）采取竞赛的形式进行活动。 2 教师引导学生进行纸的强度和承重实验，确定实验目的，为进行纸桥设计做准备。 3 课前要求学生收集桥的图片资料和有关材料力学方面的资料，课上研究设计纸桥的制作图纸。 4 按照设计图纸制作纸桥。完成后，以组为单位进行展示，评比。 5 纸桥的评比要求及标准： 制作时间：35分钟（30分） 桥墩跨度20-25厘米，桥面宽5-7厘米（10分） 桥的承重强、坚固 （以重物重量为准）跨度大的于要求可酌情加分 桥的造型美观（30分） 实施条件 1 学生用活动器材 材料：八开图画纸若干张 每座桥用四张八开图画纸 用具：剪刀、糨糊、铅笔、橡皮、直尺、圆规、三角板等 架设物：图书、纸盒或木块等，由学生任意选择 2 教具和设备 天平、砝码、石子等 录放像机、电视机各一台，实物投影仪一台 3 场地要求 在普通教室内分组活动 4 指导者的人力资源 活动过程 （一）第一次活动：探究纸的形状与它所承受的重量的关系（或称：纸的强度试验）活动时间：45分钟 1 导入： 用声像演示的手段向学生展示桥梁用各种物件，如工字型钢、角钢等（如图），使学生理解通过改变纸的形状，可以增加柔软纸的强度并能承载一定的重量。启发和引导学生探索，并用试验的方法，寻找更多的用改变纸的形状增加纸承载重量的方法。 2 活动的开展 教师巡视学生试验过程并随机指导。 要求学生用文字、图表等不同形式把制作方案表述清楚。 将满意的设计图样制作成宽不小于5厘米，长不小于15厘米的“桥面”，并测量出它的承重量。选出小组内承重量最大的“桥面”，试分析承重量最大的原因，（用作架设物的书、纸盒或木块，由学生自由选择） 成果展示与交流 每一小组选出一名同学，汇报并展示小组成果，组内同学补充。选出最佳设计方案。 3 布置本次活动后的任务和下一次活动的内容： 活动后查找资料或向教师、家长请教“物体形状和强度的关系”及科学原理。 根据本次活动的实验方法和有关资料的学习，初步构思纸桥的结构造型。 收集和查阅有关桥梁设计、造型方面的资料和图片。为纸桥的设计勾画草图。 （二）第二次活动：纸桥的设计 活动时间：45分钟 1 导入： 教师布置本次活动预定完成的目标。 用同学们交流信息的方式，使学生对物体的形状与强度的关系有进一步的认识； 通过同学展示所获得的资料、纸桥草图的方式启发学生思路。 2. 活动的开展： 首先请同学们观赏部分桥梁的图片资料。本课要求各小组根据每个同学的构思和搜集的资料、图片共同研究纸桥的设计方案并画出图纸。（设计时间30分钟。） 学生以组为单位开始活动（教师巡视） 3. 活动小结： 课上同学们进行了纸桥的图样设计，不完善的地方需进一步修改，特别是如何提高桥面的承重强度应作进一步的研究和探索并利用课余时间进行制作练习，为下节课纸桥的制作作好准备。 （三） 第三次活动：纸桥的制作 活动时间：45分钟 课前要求学生根据小组设计桥的方案准备好相应的材料和用具。 1录像导入：展示前两节课活动过程。 2活动的开展： 上节课进行了纸桥的设计，各组完成了制作图纸。本课要求各活动 小组根据本组设计的图纸，按制作要求密