实践-调研桥梁建筑中的力平衡（课件）2025-2026学年八年级物理全册沪科版（2024）

一、调研背景与意义桥梁是交通工程的重要组成部分，其安全与稳定直接关系到行车安全和交通畅通。桥梁在承受车辆荷载、自重、风力等多种力的作用时，必须处于平衡状态才能保证结构稳定。通过调研桥梁建筑中的力平衡现象，不仅能加深对二力平衡及多力平衡原理的理解，还能认识到物理知识在工程实践中的重要应用价值。二、桥梁的主要受力类型自重：桥梁自身结构（如梁体、桥墩、桥面等）的重力，是竖直向下的力，作用点在各部分结构的重心。车辆荷载：行驶在桥梁上的车辆对桥面产生的压力，竖直向下，随车辆的行驶位置而变化。支座反力：桥墩或桥台对桥梁梁体的支持力，方向竖直向上，与梁体受到的向下的力形成平衡。风力：水平方向的力，对桥梁尤其是大跨度桥梁影响较大，可能导致桥梁的水平晃动。浮力：对于跨越水域的桥梁，水下结构会受到水的浮力，方向竖直向上。三、不同桥梁结构中的力平衡分析（一）梁式桥的力平衡结构特点：梁式桥主要由梁体和桥墩组成，梁体跨越桥墩，承受自重和车辆荷载。力平衡状态：竖直方向：梁体受到竖直向下的总重力（自身重力 + 车辆荷载）和桥墩提供的竖直向上的支座反力，这两个力大小相等、方向相反、作用在同一直线上，形成竖直方向的二力平衡，使梁体在竖直方向保持静止或匀速（车辆行驶时可近似看作动态平衡）。水平方向：在不考虑风力等水平力时，梁体水平方向不受力或受力平衡，确保梁体不会在水平方向发生移动。实例：常见的公路简支梁桥，每段梁体两端支撑在桥墩上，通过支座反力与梁体荷载平衡。（二）拱桥的力平衡结构特点：拱桥以拱圈为主要承重结构，通过拱脚将力传递给桥台。力平衡状态：拱圈受力：拱圈受到自身重力、桥面荷载产生的竖直向下的力，同时拱脚会对拱圈产生斜向上的支持力。这两个力的合力与拱圈受到的其他力平衡，使拱圈处于稳定状态。拱脚与桥台的平衡：拱圈对拱脚产生向外的推力，桥台通过自身重力和地基的反作用力提供向内的约束力，这两个力大小相等、方向相反，形成水平方向的力平衡，防止拱脚外移。实例：赵州桥作为经典的石拱桥，其拱圈结构通过力的传递与平衡，实现了千年不倒的奇迹。（三）悬索桥的力平衡结构特点：悬索桥由主缆、塔架、加劲梁和锚碇组成，主缆通过塔架悬挂加劲梁。力平衡状态：主缆受力：主缆受到加劲梁、桥面及车辆荷载传递的竖直向下的拉力，同时主缆两端的锚碇提供水平向内的拉力，使主缆处于张紧状态，这两个方向的力形成平衡。塔架受力：塔架受到主缆斜向下的拉力，同时地基对塔架产生竖直向上的支持力和水平反作用力，这些力的合力为零，使塔架保持竖直稳定。加劲梁受力：加劲梁受到竖直向下的重力和车辆荷载，以及主缆提供的竖直向上的拉力，二者平衡，保证加劲梁不会下垂或掉落。实例：江阴长江大桥，主缆通过两端的锚碇固定，将桥面荷载传递到地基，实现了大跨度的跨越。四、桥梁施工中的力平衡控制基础施工阶段：在桥墩基础施工时，需保证基础所受的地基承载力与桥墩的总重力平衡，防止桥墩沉降或倾斜。例如，桩基础通过桩身与土壤的摩擦力和桩端阻力平衡桥墩的重力。梁体架设阶段：架设梁体时，需通过吊装设备的拉力与梁体的重力平衡，确保梁体在吊装过程中保持平稳，避免碰撞或掉落。此时吊装拉力与梁体重力是一对平衡力，大小相等、方向相反。桥面铺装阶段：铺装材料的铺设需均匀，使桥面荷载均匀分布在梁体上，保证梁体各部分受力平衡，避免局部受力过大导致结构损坏。五、桥梁维护中的力平衡监测荷载监测：通过安装传感器，实时监测桥梁承受的车辆荷载、风力等，确保实际受力不超过设计荷载，维持力的平衡状态。结构变形监测：监测桥梁的沉降、位移、挠度等变形情况，若发现异常变形，可能是力平衡被打破的信号，需及时排查原因，如支座损坏导致支座反力变化等。加固维修：当桥梁结构出现老化或损伤，导致受力不平衡时，需进行加固维修。例如，对裂缝处进行修补增强结构强度，或更换损坏的支座以恢复正常的支座反力，重新建立力的平衡。六、调研结论与启示结论：桥梁建筑中，无论是梁式桥、拱桥还是悬索桥，其稳定的核心在于力的平衡。竖直方向的重力与支持力、水平方向的推力与约束力、拉力与反拉力等，共同构成了桥梁的力平衡系统，任何一个力的失衡都可能导致桥梁结构损坏甚至坍塌。启示：物理中的力平衡原理是桥梁设计、施工和维护的重要理论基础。工程师通过精确计算和优化结构，使桥梁各部分受力达到平衡，确保桥梁的安全与耐用。这让我们深刻认识到，基础物理知识在工程实践中具有不可替代的作用，学好物理知识能为解决实际问题提供有力的支撑。七、调研拓展建议实地参观当地的桥梁，观察桥梁的结构特点，结合所学知识分析其受力平衡情况。查阅桥梁设计图纸或资料，了解不同桥梁的设计荷载和力平衡计算方法。采访桥梁工程师，了解他们在设计和施工中如何控制桥梁的力平衡，以及遇到的力平衡相关问题及解决措施。2024沪科版物理八年级全册实践 调研桥梁建筑中的力平衡第七章 力与运动授课教师： . 班 级： . 时 间： . 问题缘起我国古代有不少载入史册的桥梁建筑，如有四大古桥之称的赵州桥、洛阳桥、广济桥和卢沟桥。近现代的桥梁建筑也硕果累累，如茅以升先生主持设计建造的我国第一座现代化大型桥梁——钱塘江大桥，还有现代举世闻名的港珠澳大桥等。钱塘江大桥这些宏伟壮观的桥梁建筑中，力与平衡知识是如何应用的?下面让我们对我国桥梁建筑进行调查研究。点击图片观看活动方案查阅并整理资料。1.了解我国著名桥梁的历史、人文背景及结构特点；2.了解我国不同地区桥梁建筑的结构特点，以及它们和力平衡的关联。任务一：桥梁类型按照其力学结构，可分为：梁式桥拱式桥斜拉桥悬索桥洛阳桥坐落于泉州东郊的洛阳江上，始建于北宋，主要由“宋四家”之一的蔡襄主持修建，是中国现存最早的跨海梁式大石桥；在建桥技术上首创了“筏型基础”“种蛎固基”“浮运架梁”等先进技术。洛阳桥属于梁式桥，即以梁作为主要承重结构，梁架在桥墩上。为使桥墩稳固，设计上首创“筏型基础”的新型桥基，即在江底沿着桥梁中线抛掷石块，并向两侧展开一定宽度，形成一条横跨江底的矮石堤，作为桥墩的基址。洛阳桥梁桥赵州桥赵州桥坐落在石家庄市赵县的洨河上，始建于隋朝，距今已有 1400 余年历史，是世界上现存年代最久远、跨度最大、保存最完整的单孔坦弧敞肩石拱桥。赵州桥属于拱式桥，全桥只有一个大拱，净跨 37.02 米，跨度大，弧形平；大拱由 28 道拱券组成，拱券纵向并列砌筑；大拱的两肩上，各有两个小拱，不但节约了石料减轻了桥身的重量，还可减轻洪水对桥身的冲击。拱桥北盘江大桥北盘江大桥连接云贵两省，主跨388 米，横跨号称“世界大裂缝”的花江大峡谷，桥高 565 米，是世界第一高架桥，车辆行驶其上，仿佛置身云端。北盘江大桥属于斜拉桥，即将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的桥梁；大桥中间没有桥墩，靠224 根斜拉索就将整个桥面吊在了 500 多米的高空。点击图片观看斜拉桥杨泗港长江大桥杨泗港长江大桥坐落于武汉境内长江水道之上，截至2024年底是世界上跨度最大的双层悬索桥，跨江 1700 米不设桥墩，体现我国现代高超的建桥水平，桥有上下两层，具有机动车道、非机动车道、人行观光道等，集过江交通与观光旅游于一体。杨泗港长江大桥杨泗港长江大桥属于悬索桥，即依靠主缆和吊索支撑桥面的桥梁；该桥的主缆采用的钢缆，每根的直径达到1米，能够承受极大的拉力；桥面则采用轻量化的钢箱梁结构，可有效地减少桥梁的自重；桥面通过吊索与主缆相连，吊索均匀分布在整个桥面，将桥面的重量分散到主缆上。悬索桥 调研你所在地区的桥梁建筑结构与特点。以你感兴趣的桥梁建筑为例，分析其受力及力平衡的情况，撰写调查报告。任务二:武汉境内有众多桥梁，仅长江大桥已建成的就有 11座， 这些桥梁包括梁桥、斜拉桥、悬索桥等，其中最著名的是武汉长江大桥。武汉长江大桥鹦鹉洲长江大桥天兴洲长江大桥白沙洲大桥武汉长江二桥下面以武汉长江大桥为例，分析其受力与平衡情况。武汉长江大桥武汉长江大桥属于梁式桥，主桥为三联连续梁，我们可以将其进一步简化为如图所示的简支梁，梁在桥墩的支持力F1、F2以及梁自重G、桥面上物体的压力F压的作用下处于静止状态，根据力的平衡条件可得F1 + F2 =G+F压。梁在自身重力及物体压力作用下会发生弯曲，这要求梁具有较好的抗弯能力，武汉长江大桥采用钢桁架的设计，这种结构形式具有良好的承载能力和稳定性，能够承受较大的荷载和变形。交流评价 分享调查报告，交流并评价报告中所用证据及形成结论的合理性。 举办一个关于“桥梁建筑中的平衡之美”的展览。拓展研究 查阅资料，了解世界知名桥梁建筑的历史、人文内涵及结构特点，了解物理学在建筑中的重要作用。国外的著名大桥有美国的金门大桥，英国的伦敦塔桥，丹麦的大贝尔特桥、日本的明石海峡大桥等，可以选择一个，查阅资料，了解其历史、人文内涵及结构特点。金门大桥伦敦塔桥大贝尔特桥明石海峡大桥跨学科实践 了解桥梁中的力平衡1.安济桥，是一座位于河北省石家庄市赵县城南洨河之上的石拱桥，因赵县古称赵州，又称赵州桥。如图1所示，赵州桥是一座多孔拱桥，主要是由28个拱券构成，每块拱石的侧面都凿有细密斜纹，加强拱石横向联系。赵州桥在受到外力作用时，桥墩和拱体会承受来自桥面和桥上物体的压力。拱形结构属于一种薄壳结构，国家大剧院也是这种结构，如图2所示，薄壳结构在受到外力作用时，能够把力沿着整个壳体表面向四周传递，使壳体单位面积上受到的力并不大，更为重要的是，在壳体上不存在作用力集中于一个地方的情况。(1)赵州桥每块拱石的侧面都凿有细密斜纹，目的是____________； 增大摩擦力(2) 站立在地面上，人的脚能够承载较大的重力，主要是因为___；BA.脚骨骼的数量多B.脚骨骼组成拱形结构C.脚部的肌肉发达D.脚骨骼比钢铁还要坚硬(3)下列对赵州桥的薄壳结构受力示意图分析正确的是___。CA. B. C. D. 2.巢马城际铁路马鞍山长江公铁大桥建成后将是世界上最大跨度的三塔斜拉桥。 如图是某个斜拉桥的结构模型简等于图，所有钢索对桥面的合力______ (填“大于”“小于”或“等于”)桥面的重力。3.从我国第一座现代化大型桥梁到目前世界上最长的跨海大桥——中国港珠澳大桥，我国近现代桥梁建筑硕果累累。如图所示的是港珠澳大桥，客    (2)当这辆货车在桥面上匀速直线行驶时，货车所受阻力是其车重的0.1。求货车匀速行驶时受到的牵引力。  调查身边的桥梁 请你调研你所在地区的桥梁，并完成调查表。谢谢观看！