结构与稳定性

　　一、教材内容分析：

　　本节内容在《结构和设计》中起到举足轻重的作用，不仅可使学生对结构的基本知识有更深的认识与巩固，而且也为以后结构的强度、结构的设计等教学打好基础。在教学中要充分利用探究、实验、讨论、小组合作的教学方法。

　　二、教学目标：

　　知识与技能：了解影响结构稳定的主要因素

　　过程与方法：通过讨论、分析等方法使学生懂得应用相关的理论知识

　　情感态度价值观：通过分析讨论等得到结论，培养学生的观察能力，体验学习乐趣。渗透安全教育、德育教育。

　　三、教学重点与难点：

　　重点：影响结构稳定的主要因素

　　难点：利用所学知识解决有关现象

　　四、教学策略：

　　在教学中为了使学生更易学到相关知识，必须以“影响结构稳定的主要因素”为主线，并以这条主线进行展开，使学生达到应用知识的目的。

　　五、教学资源：

　　生鸡蛋和熟鸡蛋、单脚撑自行车、照相机的三角架、陀螺、不倒翁、啤酒瓶、方木块等

　　教学过程：

　　（一）、引入新课：

　　[探究]；创新意识培养，老师拿一熟鸡蛋，请学生让它站起来。

　　方法一：当从侧面让它旋转起来时，它就会竖直地站立起来，生鸡蛋是不成的，里面的蛋清、蛋黄等液态的东西由于惯性，不随外壳一起转，所以这就成为鉴别生鸡蛋和熟鸡蛋的方法。

　　链接：这里有两个问题使人百思不解，物体运动只能使它趋向于降低重心，而鸡蛋一转，由平放而立起重心反而提高了；另外，谁都知道陀罗定向，鸡蛋在桌面上绕竖直轴转动时，转的方向不动而鸡蛋自己翻身而起；其三，任何物体底面越平越稳定，鸡蛋却偏偏不安于现状，偏要一尖儿着地立起来，本来是躺着时与桌面接触面积更大的状态更稳。

　　这个谜，直到本世纪八十年代初才解开。一位美国的物理系研究生，通过电脑进行复杂的运算，终于从理论上解决了。问题就出在旋转速度和摩擦上了。鸡蛋在旋转起来时，支持点周围也不免与支持面（桌面）产生摩擦，而这种旋转的物体总是使运动趋向于摩擦更小的状态。当鸡蛋摇摇晃晃地立起来，终于使一个尖端着地时，就逐渐达到了支持点面积最小，稳定旋转的状态，水平的能量转化成为绕对称轴旋转的动作。当然，由于摩擦，它的转速又会慢慢减小。然后开始摇晃，最后，倒下来，因为这时它要趋向重心更低，更稳定的状态。

　　方法二：轻轻一敲，那稍微碎了一点壳的蛋就稳稳地立在桌上，讲的是脑筋急转弯，是个逻辑问题，因为大家下意识的前提是鸡蛋不能损坏，这也是创新意识，要打破传统凝固思维。

　　链接：一四九二年哥伦布发现了新大陆之后，回到了西班牙。在一次欢迎宴会中，忽然有人高声说道：“我看这件事不值得这样庆祝。哥伦布不过是坐着船往西走，再往西走，碰上了一块大陆而已。任何一个人只要坐船一直向西行，都会有这个发现。”宴会席上顿时鸦雀无声，面面相觑。哥伦布笑着站起来，顺手抓起桌上放着的熟鸡蛋，说：“请各位试试五看，谁能使熟鸡蛋的小头朝下，在桌上站住?”大家都拿起面前的热鸡蛋，试着、滚着、笑着，但谁也没把它立起来，哥伦布微笑着，拿起熟蛋，把尖头往桌上轻轻一敲，那稍微碎了一点壳的蛋就稳稳地立在桌上了。那人高叫道：“这不能算，他把蛋壳摔破，当然可以站住。” 这时，哥伦布正色说道：“对!你和我的差别就在这里，你是不敢摔，我是敢摔。世界上的一切发现和发明，在一些人看来都是简单不过的。然而他们总是在别人指出应该怎样做以后才说出来。”

　　[引出问题]：那到底什么样的结构是稳定的，什么样的结构又是不稳定的？

　　（二）、新课内容：

　　结构的稳定性是指结构在负载的作用下，维持原有平衡状态的能力。

　　[探究]：不倒翁为什么不倒？

　　[分析]：研究不倒翁的结构，发现它的重心低。

　　结合生活现象：以前的农作物个子高，遭遇暴风骤雨容易倾覆，造成减产；现在的农作物普遍个子矮。就是利用了重心低结构稳定的原理。

　　[引导学生得出结论]：重心的高低影响结构的稳定性。重心越低,稳定性越好;重心越高,稳定性越差。

　　[举例]：落地电风扇或者宾馆里的落地灯，它们都有一个比较大的底座。

　　[引导学生得出结论]：结构的底座，结构与地面接触所形成的支撑面的大小。支撑面越大越稳定，越小越不稳定。

　　[探究]：学生拿一本书，让它直立在桌面上，它马上倾倒了，显然，其稳定性不好。

　　同样的一本书，把它的下端各书页展开一定的角度，仍旧将它直立在桌面上，它就能很好的挺立住。

　　[实例展示]：三角架

　　[分析]：照相机的三角架为什么能保持平衡？

　　[引导学生得出结论]：结构或构件的形状影响其稳定性。

　　[教师总结]：影响结构稳定性的主要因素：重心位置的高低、结构与地面接触所形成的支撑面的大小和结构的形状。

　　[案例分析]：静止状态的单车如何保持稳定

　　（1）双腿支撑

　　（2）单腿支撑

　　[探究]：道具采用一辆自行车，调整单脚支撑位置，研究何时最易倒下，何时最平衡？

　　[试验 ]：学生骑自行车、

　　[电脑展示]：电子图片

　　（师生互动进行，教师提问，学生作答）

　　[教师讲述]：在静止情况下，自行车本身不能自我平衡，需要加一支撑脚。当由骑车人和自行车构成一个 系统时，系统动起来之后，骑车人为系统注入动力，从而在自行车前进的时候，通过人的不断调节，自行车和骑车人与地面垂直，使自行车的重心落在车轮与地面接触的面积内。因此，在没有明显的外力干涉时，这一动态系统能够表现出一种稳定。

　　[教师总结]：运动状态下与静止状态下物体的稳定条件有所不同。结构的稳定性在日常生活中有着广泛的应用，一方面人们利用稳定的结构抵抗外力、承受负载，另一方面又利用不稳定的结构实现某些功能。

　　1.倒置的啤酒瓶可以预报地震

　　2.在打水的桶口边挂一重物，在水面时能自动翻倒打水。

　　[学生快速阅读案例]：（打印稿）

　　虎丘是苏州两千五百仓桑的见证。高高耸立在山顶的虎丘塔已经成了苏州的标志。

　　虎丘斜塔日益著名，并且因为它和吴王墓扑朔迷离的关系令科学家和游客兴致倍增。

　　到了公元15xx年，唐伯虎、王鏊等人因池水干涸，发现墓门，留下石刻。1955年人民政府清理剑池时确时找到了一条长约10米的石胡同，尽头呈喇叭状，容四人并立，并有一横三竖四块青石琢成的长方形石板，显然均为人工所为。根据墓门的形制和朝向，完全符合春秋战国时期的墓制。因此推测可能为吴王墓。但因墓恰巧在塔底下，且规模宏大，一旦开挖必影响塔，因而作罢，未打开墓门，留下千古之谜。现在的情况是虎丘后山为土堆砌，前山为巨石，因而推测后山为人工所堆。如果是这样，就和虎丘塔的倾斜有关。因为地基不牢，重6000吨的塔便倾向土堆的一边。所以，我们不妨认为，是吴王墓的建造引起了虎丘塔的倾斜，而虎丘塔的倾斜又保护了底下的吴王墓，使之不能开挖，成了一只真正保护吴王墓的白虎。就就是塔与墓两个重要古迹之间的关系。

　　虎丘塔是全国重点文物保护单位。虎丘塔高47。7米，比意大利比萨斜塔矮6米；塔尖偏离中心2。34米，是比萨塔的一半；虎丘塔建于961年，比比萨塔早完工390年。请大家注意右侧塔身呈弧型曲线。因此，由此推测，和意大利比萨塔一样，虎丘塔在建塔时就开始倾斜。最后一层塔似乎偏向左边，这是因为1638年遭雷击失火烧毁，重建时为改变重心、纠正倾斜的结果。

　　我们知道，与虎丘塔同期的杭州雷峰塔在三十年代倒塌。到五十年代，虎丘塔岌岌可危，不仅倾斜严重，而且周身裂缝遍布，最宽处达80厘米。1956年采用铁箍喷浆法，如箍桶一般，每层塔内用钢筋箍起来，地基灌浇水泥，有效地消除了裂缝。关于56年修塔，有一段有趣的历史。当年开会讨论修塔方案时，有一老工人坐在墙角微微地笑，主持会议的人见他胸有成竹的样子，便请他发言。老工人再三推辞后，终于提出了箍桶匠修桶的原理和方案，引起全场哄堂大笑。此事便搁浅。不久，来了一位苏联专家。看完虎丘塔下山路上，陪同人员讲了上面这段故事，苏联专家十分感兴趣，重又上山，于是外国专家发的话，便开始具体制定修塔方案。

　　1981年开始用五年时间加固地基。在塔基下人工打44个孔，灌钢筋水泥，在44个桩下做水泥壳体，地下防水，更换部分砖体，制止了塔身的继续倾斜。

　　[学生分组讨论]：为什么倾斜而不倒塌？（其重心向地面引垂线仍旧落在底座范围内）

　　补充：比萨斜塔

　　结构重心的位置：结构重心所在点的垂线是否落在结构底面的范围内，落在就是稳定的，没有就是不稳定的。

　　[小试验]：（1）请学生用桌上的空矿泉水瓶子做各种稳定试验。

　　（2）用积木叠出不同的结构，分析不同结构的稳定性。在动手实验中得出结论：结构的稳定性还与结构的形状有关。

　　[练习]:(1)在拥挤的公共汽车上已没有座位，你必须站着，而扶手你让给了旁边的老人，你在公共汽车上要如何才能保持自己的没摔倒？

　　（2）p023页第1题