结构与稳定性

结构与稳定性
第八周 第7次课 班级：高二（5-6）班 执教日期：2012/03/27 累计教案：7个
一、教学内容分析：
教材的地位和作用
本节内容是在“常见结构的认识”学习的基础上，分析结构的两大重要性质之一——稳定性，使学生进一步认识结构，为后续的结构设计奠定基础。
二、学生对象分析：
学生在生活中已经有了稳定这类前概念，知道它是对某物体的某方面性能的一种形容、一种描述、一种评价，但未能将之上升到科学的程度：“稳定性阻碍翻倒或移动”。因此，如何正确地理解稳定性的概念成为本节课教学上的难点。
三、教学目标：
1.知识与技能：了解影响结构稳定的主要因素
2.过程与方法：通过探究、实验、讨论、分析等方法使学生懂得应用相关的理论知识
3.情感态度价值观：通过分析讨论等得到结论，培养学生的探究、实验、分析问题的能力，体验学习乐趣。渗透安全教育、德育教育。
四、教学重点、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。
五、课时安排：
1课时
六、教学用具：
多媒体课件、纸张、矿泉水瓶、不倒翁
七、教学方法：
多媒体课件、案例交流、学生试验、
八、教学过程：
1、结构与稳定性
1、引入
播放视频，学生扣篮时摔倒。
问：在这则视频中，同学们看到什么？答：————
问：篮球架为什么会倒塌呢？（答案可能会五花八门）
倒塌就是结构的稳定性遭到破坏，或者说原来的平衡状态遭到破坏。那么结构的稳定性指的是什么，结构的稳定性到底都跟哪些因素有关呢？这就是我们今天要学习的内容。
学生活动：完成书上 P12 马上行动
填表说明下表中的物体有可能因受到哪些力的作用而出现不稳定现象，并根据你的生活经验，简要说明原因。
物体 受到的外力 不稳定的主要原因
静止放置的自行车 风的推力 受力面积过大而支撑面积小
落地灯 其它物体与它碰撞时产生的外力 重心过高
底口小大的空竹篓 其它物体与它碰撞时产生的外力 与地面接触面积较小
2、结构与稳定性
结构的稳定性：是指结构在负载的作用下维持其平衡状态的能力（即受外力后恢复原有平衡状态的能力）。稳定性是结构的重要性质之一。
那到底什么样的结构才具用稳定性呢？
演示实验一
利用如图所示的装置做演示，不断改变支架的倾斜角，观察结构在什么样的情况下会发生翻到。
证明结构的重心所在点的垂线落在结构底面的范围内，就是稳定的，不会出现倾倒。
意大利比萨斜塔修建于1173年, 动工五六年后，塔身从三层开始倾斜，直到完工还在持续倾斜。当地人都希望保持倾斜，但不倒塌，因为它能吸引众多游客。比萨斜塔为什么斜而不倒？（从事观测该塔的专家盖里教授根据比萨斜塔近几年来倾斜的速度推测出，斜塔将于250年后因塔身的重心超出塔基外缘而倾倒）思考：采取什么措施可以让它保持斜而不倒？
案例分析：静态自行车是如何保持稳定的
探究：运动中的自行车是如何保持稳定的？
自行车只有2个轮子，却为什么可以保持平衡呢？甚至，高手在骑车的时候，可以双手离开车把，任由车子向前走而不担心摔倒（但要担心前面呼啸而来的汽车）。物理学家拿出一个陀螺，放在地上转一下，并开始用鞭子使劲抽打它，随着陀螺越转越快，陀螺也像不倒翁一样，虽然只有一个尖着地，却左右摇摆而不肯倒下。这就是陀螺效应：旋转的物体有保持其旋转方向（旋转轴的方向）的惯性。
陀螺只有一个旋转方向，已经很稳定了。而自行车有2个轮子，显然自行车轮子在高速旋转的时候，会使自行车更稳定。因此，骑车人撒开车把也不会倒下。
陀螺效应在保持自行车稳定中也许起到不可忽略的效果，但是，如果自行车单单凭借陀螺效应保持稳定，那么，初学者也应该在高速骑车时不会倒下。但是，2个陀螺似乎并不足以支撑骑车人重达几十公斤的身体的倾斜。刚学习骑车往往会摔得很惨。从另一个方面看，骑独轮车的杂技演员由于车速很低，甚至车轮完全停止转动，则基本无法依靠陀螺效应保持平衡。
自行车的平衡首先来自于骑车人腰部的肌肉。熟练的骑车人，其身体形成自动的条件反射，当自行车稍微倾斜倒下时，人的身体会感受到，腰部肌肉会自动动作，把身体拉向另一侧，形成的反向力矩促使车身抬起。我们学习骑自行车，也就是训练身体的肌肉完成这种条件反射，而一旦学会，这个控制回路就保持在小脑中，随时可以启用，许多年也不会忘记。
指出：刚才我们所讲的结构稳定性的条件只适用于静态的结构
试验二：将一张纸不用任何工具使它立起来（对试验一结论的应用）
拓展：屏风的摆放
3、影响结构稳定性的主要因素
（1）结构的形状
利用刚才实验二的结果说明
问：纸张经过折叠后就能够立在桌子上，这前后改变的是什么呢？
答：结构的形状
演示几何不变体系（受到外力，在不考虑材料变化的条件下，其几何形状与位置都能保持不变，这样的的体系称为几何不变体系）与几何可变体系（在不考虑材料变化的条件下，在外力作用下容易引起其几何形状与位置发生变化，这样的的体系称为几何可变体系）
由于三角形构成稳定的几何结构，故工程结构的桁架都是由三角形组成的。
（2）结构与地面所形成支撑面的大小
试验四：两个相同的矿泉水瓶子，一个正常摆放，另一个倒过来放置，对他们分别施以相同的力。观察试验现象得出与地面所形成支撑面越大结构越稳定。
拓展：照相机的三脚架
问：生活中还有哪些是增大结构与地面所形成支撑面而稳定结构的例子？（桌子、椅子等）
重新演示自行车稳定性与支撑面的形状的关系
问：现让轮胎的的位置不变如何增大它的稳定性？（减少支撑脚与地面的角度）
？？
揭示：在一定范围内，支撑架与底面的夹角越小（自行车越斜）， ABC的面积越大，自行车的重心容易落在三角形内，稳定性好。
（3）重心位置的高低
试验五：一个空矿泉水瓶子，小石头若干。往空瓶子里逐渐地加石头发现推倒它越来越困难，也就是结构越来越稳。观察试验现象得出重心的位置越低结构越稳定。
问：生活中还有哪些结构采用降低重心的方法提高其稳定性。（落地扇、不倒翁等、塔）
4、知识应用
探究：（1）自行车骑起来时，只有两个支撑点，为什么不会倒下呢？
（2）为什么落地风扇、电脑液晶显示屏不易倾倒？
（3）拦河坝往往要砌成上窄下宽的形状，为什么？
（4）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不摔倒？
（5）观察学校的篮球架，并思考：篮球架要有较高的稳定性，需要具备哪些条件？
（6）分析为什么增加拉杆以前，人字梯容易倒。增加拉杆以后，人字梯不会倒？
原因：（1）增加拉杆以后，人字梯的两边支脚分别与桌面支撑，中间由拉杆固定。施力
以后，梯子的重心落在两边的支脚与桌面行成的接触面范围内，所以梯子不会倒。
如果没有拉杆，人字梯的两边支脚与桌面的位置不能固定，梯脚间又是铰连接不稳固，施力以后，梯子的重心不固定，所以梯子不稳定。
（2）另外，增加拉杆以后，两个梯面的上半部分就与拉杆构成稳定的三角形。这也进一步加强了梯子的稳定性，保证梯子承受外界的压力。
5、逆向思维
以上我们分析的都是结构的稳定性在生活中的应用，那么我们是不是也可以
利用不稳定的结构来实现某些功能呢？
问：如何使结构不稳定？答：重心高、与地面所形成的支撑面小。
案例分析：候风地动仪
候风地动仪是我国汉代科学家张衡在公元132年利用减小稳定程度原理制成了测定地震震源方向的灵敏仪器。
候风地动仪是用青铜铸成的，直径八尺，外壁上均匀分布着八条龙，龙嘴里含着小铜球，龙头各向一方。在龙头下面的地上放着八个昂首张口的铜蛤蟆，当笼嘴里含着的小铜球落下时，能正好落在蛤蟆嘴里。
候风地动仪内部的中央有一根竖立的铜柱叫做柱摆，又名都柱。都柱的重心高，支面小，因此稳定性差，受到轻微的震动就容易倾斜。当某地发生地震时，从震源区传来的震动使都柱的下部发生微小的移动，都柱的上部就会倒向震源方向。都柱倾倒时，推动这个方向的杠杆，使相连的笼嘴张开，于是笼嘴里的小铜球就落到它下面的蛤蟆嘴里。所以，看到哪个笼嘴里的小铜球下落，就知道哪个方向发生了地震。
过去农村地区，人们用木制水桶在深井打水，常常要在水桶边缘绑上一个小重物，使水桶降到水面时能自动侧翻，方便水桶进水。请根据所学的知识，从结构的稳定性分析这一做法。
让学生举出生活中利用不稳定的结构实现一定功能的事例
利用倒置的啤酒瓶可以测地震等。
结构的稳定性只与上述因素相关吗？请讨论。
6、课堂小结
（1）结构的稳定性：是指结构在负载的作用下维持其平衡状态的能力。
（2）对于一个结构而言，如果重心的垂线落在结构底面的范围内，就是稳定。否则将不稳定。
（3）影响结构稳定性的因素主要有：重心位置的高低、结构与地面所形成的支撑面的大小、结构的形状等。
九、教后感