在《通用技術(shù)》課程教學中“結(jié)構(gòu)的強度與材料的形狀有關(guān)”的小實驗

熊繼承

【摘要】結(jié)構(gòu)的強度是通過構(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，當內(nèi)力達到一定數(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，這種能力就是強度。同時，在外力與材料不變的條件下，構(gòu)件被破壞的危險程度還與它的橫截面積有關(guān)。試驗在于驗證改變材料的形狀，增加橫截面積，從而增加結(jié)構(gòu)的強度。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)的強度 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)件的應力，應力、內(nèi)力和橫截面積之間的定量關(guān)系是：б=N/A（б是應力，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，應力越小，危險性越小。因此，在材料相同的情況下，應力不變，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。

在普通高中課程標準實驗教科書《通用技術(shù)》（必修2）廣東版《技術(shù)與設計2》第一章第二節(jié)“探究結(jié)構(gòu)”的分析中，討論結(jié)構(gòu)的強度與材料、強度與材料的形狀時，課本中提到兩個試驗，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，另一個是用一張張A4紙，可以通過折疊成伸縮（手風琴式）的形式而得到加固，可以緊緊地卷成管狀以進一步增強它的強度。為了驗證該試驗的真實性，我在上課的時候給學生做了如下試驗。

1實驗目的

通過試驗，使學生加深結(jié)構(gòu)的強度與材料的形狀有密切關(guān)系的認識。

2實驗準備

（1）3條長條形的木條，學生用書若干，粘木料用膠水1瓶，綁扎繩1根，重物若干；（2）70克的A4紙1張，滿裝粉筆的粉筆盒7個，散粉筆若干。

3實驗過程

試驗一：木條承重試驗

（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1相同厚度的書上，重復試驗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。 試驗二：紙張承重試驗

（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20cm擺放，將A4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A4紙的正中，當以半支粉筆放A4紙上時，A4紙沒有發(fā)生較大的變化；當以1支粉筆放在A4紙上時，A4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20cm擺放，將A4紙折疊成伸縮（手風琴式）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，當放到第3盒粉筆時，還沒有發(fā)生明顯變化，當放到第4盒粉筆時，發(fā)生明顯的傾斜，最后坍塌。

4實驗總結(jié)

（1）通過實驗，驗證了結(jié)構(gòu)的強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)。

在試驗一中，第1個試驗是木條重疊擺放，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)點而被廣泛應用。

在試驗二，第1個試驗中，A4紙張的橫戴面積是一定的，放半支到1支粉筆就將A4紙壓彎；在第2個試驗中，將A4紙折疊成伸縮（手風琴式）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。此試驗說明，相同的材料，改變了形狀，增加了橫截面積，強度也同時增加了。在實際工作中，如果是薄板材料，就可以像此實驗一樣，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度，具有相同的橫截面積，而不同截面形狀的同種材料，強度也不相同。如“工”字形強度比半框形強度強，半框形強度比全框形強度強，全框形強度比空心圓柱形強度強等等。

（2）此兩次試驗，操作簡便、直觀，所用材料容易準備，就地取材。

在試驗中，學生沒有想到：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A4紙經(jīng)過折疊時成伸縮（手風琴式）的形式，承重大大地增加了，真是奇跡，感到驚訝，吁聲一大片。此試驗趣味性強，能通過游戲方式、分組試驗方式，來增強學生對于“結(jié)構(gòu)的強度與所用材料本身的形狀密切相關(guān)”的知識性理解。

（3）承重試驗和承載試驗應選擇適當?shù)牟牧虾秃线m的尺寸，能使試驗結(jié)果對比明顯，增強說服力。

（4）需要注意的是，在試驗一中，摞放的書本應堆在平地上，不要摞得太高，注重穩(wěn)定性，這樣才能保證試驗安全和順利進行。endprint