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        在《通用技術(shù)》課程教學(xué)中“結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與材料的形狀有關(guān)”的小實(shí)驗(yàn)

        2017-12-20 01:43:53熊繼承
        中國校外教育 2017年31期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)

        ◆熊繼承

        (四川省樂山沫若中學(xué))

        在《通用技術(shù)》課程教學(xué)中“結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與材料的形狀有關(guān)”的小實(shí)驗(yàn)

        ◆熊繼承

        (四川省樂山沫若中學(xué))

        結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是通過構(gòu)件和材料來體現(xiàn)的。 構(gòu)件在外力作用下會變形,同時,構(gòu)件內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間的相互作用力發(fā)生了改變,這種改變的力為內(nèi)力。 外力越大,則構(gòu)件的內(nèi)力越大,當(dāng)內(nèi)力達(dá)到一定數(shù)值時,構(gòu)件就會被破壞。 在工程技術(shù)中不允許任何構(gòu)件在正常情況下被破壞,這就要求構(gòu)件和材料必須具有抵抗破壞的能力,這種能力就是強(qiáng)度。 同時,在外力與材料不變的條件下,構(gòu)件被破壞的危險(xiǎn)程度還與它的橫截面積有關(guān)。 試驗(yàn)在于驗(yàn)證改變材料的形狀,增加橫截面積,從而增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

        結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度 材料的形狀 橫截面積

        構(gòu)件單位橫截面積所受力的內(nèi)力稱為構(gòu)件的應(yīng)力,應(yīng)力、內(nèi)力和橫截面積之間的定量關(guān)系是:б=N/A(б是應(yīng)力,N是內(nèi)力,A是橫截面積)。 在內(nèi)力不變的情況下,構(gòu)件的橫截面積越大,應(yīng)力越小,危險(xiǎn)性越小。 因此,在材料相同的情況下,應(yīng)力不變,橫截面積越大,承載的力就越大,相同材料,改變橫截面積的方法就是改變材料的形狀。

        在普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《通用技術(shù)》(必修2)廣東版《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》第一章第二節(jié)“探究結(jié)構(gòu)”的分析中,討論結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與材料、強(qiáng)度與材料的形狀時,課本中提到兩個試驗(yàn),就是改變材料的形狀,從而增加材料的橫截面積的方法。 一個是3條長條形木條不同疊放方法的試驗(yàn),另一個是用一張張A 4紙,可以通過折疊成伸縮(手風(fēng)琴式)的形式而得到加固,可以緊緊地卷成管狀以進(jìn)一步增強(qiáng)它的強(qiáng)度。 為了驗(yàn)證該試驗(yàn)的真實(shí)性,我在上課的時候給學(xué)生做了如下試驗(yàn)。

        1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

        通過試驗(yàn),使學(xué)生加深結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與材料的形狀有密切關(guān)系的認(rèn)識。

        2實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

        (1)3條長條形的木條,學(xué)生用書若干,粘木料用膠水1瓶,綁扎繩1根,重物若干;(2)70克的A 4紙1張,滿裝粉筆的粉筆盒7個,散粉筆若干。

        3實(shí)驗(yàn)過程

        試驗(yàn)一:木條承重試驗(yàn)

        (1)如圖1。 將3條長條形的木條疊放在一起,放在兩摞厚度相同的書上,兩摞書保持一定的距離,然后在木條上懸掛的綁扎繩捆好的重物,逐漸增加懸掛物的重量,觀察疊放的木條變形情況,做好稱重記錄。(2)將試驗(yàn)1中的3條長條形木條沿長邊相互粘接,形成一個三棱柱體,放在與試驗(yàn)1相同厚度的書上,重復(fù)試驗(yàn)1的步驟,記錄三棱柱的變形情況,并做好稱重記錄。

        通過比較,3條長條形木條粘接成三棱柱體,承重量大大增加。

        試驗(yàn)二:紙張承重試驗(yàn)

        (1)如圖2。 先將2個粉筆盒并排與另外2個粉筆盒并排相距20c m擺放,將A 4以搭紙橋的方式平

        放在2排粉筆盒上,然后將散粉筆分別以半支、1支放在A 4紙的正中,當(dāng)以半支粉筆放A 4紙上時,A 4紙沒有發(fā)生較大的變化;當(dāng)以1支粉筆放在A 4紙上時,A 4不能承載,發(fā)生坍塌。

        (2)先將2個粉筆盒并排與另外2個粉筆盒并排相距20c m擺放,將A 4紙折疊成伸縮(手風(fēng)琴式)的形式,以搭紙橋的方式平放在2排粉筆盒上,依次疊放1盒粉筆、2盒粉筆、3盒粉筆,當(dāng)放到第3盒粉筆時,還沒有發(fā)生明顯變化,當(dāng)放到第4盒粉筆時,發(fā)生明顯的傾斜,最后坍塌。

        4實(shí)驗(yàn)總結(jié)

        (1)通過實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與所用材料本身的形狀(即通過改變材料的形狀,增加材料的橫截面積)有關(guān)。

        在試驗(yàn)一中,第1個試驗(yàn)是木條重疊擺放,橫截面積與木條的本身的寬、高相關(guān),承重物較輕,第2個試驗(yàn)是將2個木條沿長邊相互粘接成一個三棱柱體,橫截面積在原3條木條的基礎(chǔ)增加了三棱柱內(nèi)空的面積。3條材料相同的木條,采用不同的擺放方式,3條長條形木條以三棱柱擺放方式比3條長條形木條重疊疊放方式增加了橫截面積,承重量就增加了。 因此人們常常把構(gòu)件直接做成一定的形狀,如工業(yè)生產(chǎn)中的“工”字梁,角鋼、管材等型材。 由于這些型材在相同結(jié)構(gòu)的情況下,具有用料少、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。

        在試驗(yàn)二,第1個試驗(yàn)中,A 4紙張的橫戴面積是一定的,放半支到1支粉筆就將A 4紙壓彎;在第2個試驗(yàn)中,將A 4紙折疊成伸縮(手風(fēng)琴式)的形式,在材料不變的情況下,通過折疊,增加了材料的橫截面積,從而增加了材料的強(qiáng)度,承載重物量就增加了,放1盒粉筆甚至3盒粉筆都沒有發(fā)生變形彎曲情況,再放上一盒粉筆就開始變形了。 此試驗(yàn)說明,相同的材料,改變了形狀,增加了橫截面積,強(qiáng)度也同時增加了。 在實(shí)際工作中,如果是薄板材料,就可以像此實(shí)驗(yàn)一樣,可以通過折疊改變結(jié)構(gòu)來加固。

        同時,材料的橫截面的形狀也極大地影響它的強(qiáng)度,具有相同的橫截面積,而不同截面形狀的同種材料,強(qiáng)度也不相同。 如“工”字形強(qiáng)度比半框形強(qiáng)度強(qiáng),半框形強(qiáng)度比全框形強(qiáng)度強(qiáng),全框形強(qiáng)度比空心圓柱形強(qiáng)度強(qiáng)等等。

        (2)此兩次試驗(yàn),操作簡便、直觀,所用材料容易準(zhǔn)備,就地取材。

        在試驗(yàn)中,學(xué)生沒有想到:第一,3條長木條采用不同的擺放方式,能完全改變承重量;第二,簡單的A 4紙經(jīng)過折疊時成伸縮(手風(fēng)琴式)的形式,承重大大地增加了,真是奇跡,感到驚訝,吁聲一大片。 此試驗(yàn)趣味性強(qiáng),能通過游戲方式、分組試驗(yàn)方式,來增強(qiáng)學(xué)生對于“結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與所用材料本身的形狀密切相關(guān)”的知識性理解。

        (3)承重試驗(yàn)和承載試驗(yàn)應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾秃线m的尺寸,能使試驗(yàn)結(jié)果對比明顯,增強(qiáng)說服力。

        (4)需要注意的是,在試驗(yàn)一中,摞放的書本應(yīng)堆在平地上,不要摞得太高,注重穩(wěn)定性,這樣才能保證試驗(yàn)安全和順利進(jìn)行。

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