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)）

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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，課本中提到兩個(gè)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(gè)是3條長條形木條不同疊放方法的試驗(yàn)，另一個(gè)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(shí)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(gè)，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(gè)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(gè)粉筆盒并排與另外2個(gè)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(shí)，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(shí)，A 4不能承載，發(fā)生坍塌。

（2）先將2個(gè)粉筆盒并排與另外2個(gè)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(shí)，還沒有發(fā)生明顯變化，當(dāng)放到第4盒粉筆時(shí)，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(gè)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(gè)試驗(yàn)是將2個(gè)木條沿長邊相互粘接成一個(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)，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(shí)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。