普通高中课程标准实验教科书
PHYSICS
主编 束炳如 何润伟
上海科技教育出版社
物 理 选 修 2-2
沪科教版
第１章桥梁与承重结构
图１－20苏 州 的 石 拱 桥
图１－22拱 桥 受 力 分 析 示 意 图
“人造 彩 虹 ”———拱 桥
为了解决梁桥跨度小、高度低等问题，人们设 计 建 造 了 各 种 形式的拱桥。
拱桥跟梁桥相比，它的承重结构有什么特点呢？ 当汽车行驶 到拱桥的中部时，桥的拱券受力情况怎样？ 桥的支座受力情况又 怎样？
为了研究拱桥承重结构的特点和它的受力情况，我们先来做 几个实验。
实践 活 动1
为方便起见，我们可用硬纸板来进行模拟实验。
1．将硬纸板架成如图1-21a所示的梁桥模型，在板上面加重 物；它的承重能力如何？
2．将纸板弯曲成拱形 （图1-21b），在 它 上 面 加 重 物 ；它 的 承 重能力是否有提高？
3．再在拱形纸板上平加一块纸板（图1-21c），这就成了一座 简易的拱桥了。 为什么拱桥的承重能力能大大提高呢？
图１－27旧 金 山 金 门 大 桥 图１－24 公 伯 峡 黄 河 大 桥 图１－23四 川 旺 苍 东 河 桥
桥面设在承重结构上方 的叫做上承式桥； 桥面设在 承重结构中部的叫做中承式 桥； 桥面设在承重结构下方 的叫做下承式桥。
由图1-22可以看出，拱桥承重结构的显著特点是，它能把受 到的重力（包括桥的自重和车辆等的重力），通过拱形结构，将拉 力变为压力，并将这个压力传递到岸边的桥墩上去。 拱桥与梁桥 相比，它既可以防止桥梁弯曲，又可以大大提高承重能力。
由于拱桥承重结构的上述特点，人们根据实际 需 要 ，设 计 制 造了三种形式的拱桥。 图1－23所示是下承式拱桥，图1－24所示 是中承式拱桥，图1－24所示是上承式拱桥。
你能分析图1－26中三种拱桥的承重和受力情况吗？ 请在图 中画出受力情况的示意图。
主拱 主拱
主拱 吊杆
吊杆
立柱 立柱
随 着 社 会 的 发 展 ， 需 要 建 造 能 通 过 和 承 受 如 载 重 汽 车 、火 车等 的 坚 固 而 平 坦 的 桥 梁 。 人 们 发 现 ，采 用 悬 挂 结 构 ，不 仅 能 增 加 桥 的 跨 度 ，而 且 桥 也 坚 固 。 现 代 的 悬 索 桥 和 斜 拉 桥 都 是 由 一 些 钢 缆 架 在 巨 大 的 桥 塔 上 ，桥 面 通 过 钢 索 悬 挂 在 钢 缆 上 ，桥 的 两 端 固 定 到 竖 立 在 岸 边 或 水 中 的 塔 柱 上。
图１－25 贵 州 江 界 河 大 桥
a上 承 式 b中 承 式 c下 承 式
图１－26三 种 拱 桥 结 构 示 意 图
图１－21 模 拟 拱 桥 实 验 a
b
c
4．2 内燃机
蒸汽机效率低的一个重要原因， 就是它采用了外燃的方式。
那么能不能让燃料直接在汽缸内部燃烧做功呢？ 为此，人们经过 了约半个世纪的探索，发明了内燃机。
内燃机的种类很多，常见的有汽油机和柴油机等。 我们先研 究汽油机的结构、工作原理和工作过程，再将柴油机与汽油机进 行比较，最后介绍内燃机的主要技术参数等。
汽油 机 的 工 作 原 理
汽油机是最常见的内燃机，它的工作原理是怎样的呢？
实践活动1 观察燃气燃烧膨胀做功
如图4-13 所示，在玻璃管中滴入几滴汽油（或酒精），塞紧橡 皮塞子。
图4－13 燃 气 膨 胀 做 功
图4－11 汽 油 机 图4－12 柴 油 机
橡 皮 塞
玻 璃 管 电 极
第4章热机与能量转化
图4－29反 冲 小 车 1．简述蒸汽轮机的工作原理。
2．比较内燃机和蒸汽轮机，试分析它们的优缺点。
3．举例说明蒸汽轮机在生产中的应用。
4．如果燃烧1kg煤 产生大约25MJ热 量 ，某 发电
厂每秒需要燃烧100kg的煤。 根据图4-26能 量流向图计算一下，每100t煤进入该发电厂，
能为我们提供多少电能？损失的能量相当于多 少吨煤是无用的？
家 庭 作 业 与 活 动
课 外 活 动
上网或到图书馆查询资料，了解蒸汽轮机和燃气轮机的发展过程。
4．5 喷气发动机和火箭发动机
人类为了圆飞天梦，发明了飞机和火箭。 早期的飞机是用活 塞式内燃机带动螺旋桨转动而获得动力的，但其飞行速度受到了 限制，最快仅为750km/h。 1942 年诞生的喷气式歼击机，突破了活 塞式飞机性能的极限，获得了较高的飞行速度、高度和机动性能。
喷气式飞机使用的是喷气发动机（jet engine）。 这种发动机只 能在大气层内飞行。 为了飞出地球，又研制了火箭发动机（rocket engine）。
喷气发动机和火箭发动机的原理和结构是怎样的呢？
反冲 运 动
为了研究喷气发动机和火箭发动机，请先来探究反冲运动。
实践活动1 探究反冲运动
取一 只 小 玻 璃 药 瓶 ，在 瓶 盖 上 钻 一 个 小 孔 ，再 将 它 固 定 在 如 图4-29 所示的小车上。
1. 在小药瓶中装入半瓶开水，盖紧瓶盖。
2. 将适量酒精倒入小车上放有棉球的容器中。
3. 点燃酒精棉球。
请观察并思考：
1. 当水蒸气从药瓶盖的小孔中喷出时，小车怎样运动？
2. 小车向前运动的力量是从哪里来的呢？ 请运用牛顿运动定 律解释。
图4－27国 产 飞 豹 战 机 展 翅 翱 翔 图4－28发 射 中 的 防 空 导 弹
欢迎你选择学习物理 2－2！
你已经学过了物理 1、物理 2 和物理 2－1，初步体验了物理学与 技术结合的魅力。 通过你的选择，现在你又跨进了物理 2－2 的大门，
这里将向你展现的是人类探索机械的成果和历程。 机械技术的发展 与人类社会的历史一样源远流长， 它对社会生产和经济的发展起着 极其重要的作用，是推动人类社会进步的重要因素。
在本模块中，你将通过研究桥梁、起重机、汽车、冰箱和空调的物 理原理，学习力、机械、热和热机等内容；在实验探究、设计制作等饶 有趣味的活动中，你将研究日常生活中常见的力学结构、机械和热机 的物理原理； 你将进一步感受到物理学在科学技术的发展中有着何 等重要的广泛应用，对人类生活和社会的发展起着何等巨大的作用。
物理学神秘吗？ 不！ 物理学是关于你周围世界发生的事物的科 学。 无论是能量转换机械，生产各种产品的机械，从事各种服务的机 械，还是家庭、个人生活中应用的各种机械等，无一不与物理学有关。
物理学就在你的心中，就在你的脚下。 通过本系列的学习，你从 事科学技术工作的愿望很可能会成为现实。 当你自己设计制作一座 漂亮的桥梁模型时，你会发现自己是一位“工程师”，是一位应用物理 原理解决实际问题的“专家”，你会感受到物理学探索是一项多么激 动人心的事业。
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第１章桥梁与承重结构
第１章 桥梁与承重结构
图１－１赵 州 桥
１．1
桥 梁 与 人 类 的 生 活 、生 产 密 切 相 关 。 正 是 四 通 八 达 的 公 路 桥 、 铁 路 桥 ， 把 世 界 联 系 得 如 此 紧 密 ； 正 是 功 能 各 异 的 立 交 桥 、 过 街 天 桥 、 高 架 桥 ， 让 生 活 便 捷 、 工 作 轻 松 ； 正 是 这 些 优 美 多 姿 的 “彩 虹 ”，把 大 地 装 扮 得 更 美 。 图1-1 是 著 名 的 赵 州 桥 ，它 造 型 优 美 、古 朴 典 雅 。
从 独 木 桥 到 优 美 的 石 拱 桥 ， 从 宏 伟 壮 观 的 钢 铁 桥 梁 ， 到 现 代 化 的 斜 拉 桥 …… 人 们 在 设 计 、 建 造 这 些 桥 梁 时 ， 对 它 们 的 结 构 、材 料 等 ，是 如 何 考 虑 的 呢 ？
各 种 桥 梁 的 承 重 结 构 和 受 力 情 况 各 有 什 么 特 点 呢 ？ 选 用 怎 样 的 材 料 、建 造 怎 样 的 桥 ，才 能 既 节 省 材 料 ，又 能 承 受 足 够 的 荷 重 ？
本 章 以 桥 梁 为 背 景 ， 首 先 研 究 材 料 的 力 学 性 质 ； 然 后 研 究 常 见 桥 梁 的 承 重 结 构 及 其 力 学 特 点 ；最 后 还 将 让 你 动 手 造 一 座 桥 的 模 型 ，以 充 分 展 示 你 的 才 能 。 通 过 本 章 的 学 习 ，你 还 能 了 解 我 国 桥 梁 建 设 方 面 的 伟 大 成 就 。
材料的弹性和范性
桥是用建筑材料 建 造的 。 最 早 的 桥 梁 大 多 用 木 材 和 石 料 建 造。 选择建桥材料取决于哪些因素呢？
建桥 的 常 用 材 料 及 特 点
建桥材料的力学性质是人们首先关注的问题。
石头———便宜且坚固，耐压，但不耐拉。
钢材———坚固，耐压也耐拉。
混凝土———坚固，耐压，但不耐拉。
钢筋混凝 土 ———用 钢 筋 加 固 的 混 凝 土 构 件 则 可 提 升 其 耐 拉 能力。
图1-2 所示的是一座用钢筋加固的混凝土梁桥， 钢筋在桥梁 的下部，这样的桥梁承载能力较大。
无论是 建造 桥 梁 ，还 是修 筑铁路、公路，建 造 房 屋 ，制 造 各 种 交通工具、生产设备，都要使用各种不同的材料。 不管哪种材料，
它们受 力 时，都要或 多 或少 发 生形变 ；不同的材料 受 力发生形变 的情况是不同的。 下面我们就来研究材料受力和发生形变问题，
也就是材料的弹性和范性问题。
材料 的 弹 性 与 范 性
固体材料的弹性和范性是其重要的两种力学性质。 那么，什 么是弹性？ 什么是范性呢？
■弹 性 和 弹 性 形 变
如 图1-3 所 示 ，弹 簧 受 力 作 用 时 ，它 会 发 生 形 变 ；停 止 用 力 后，它的形变会完全消失。 一般说来，固体的这种形变叫做弹性形 变（elastic deformation）。 固体能恢复它原来形状的这种性质，叫做 弹性（elasticity）。
固体在不同的受力情况下发生的形变是不同的。 固体受到两 个 在 同 一 直 线 上 ，但 方 向 相 反 的 拉 力 时 ，长 度 增 加 ，横 截 面 积 变
梁
钢 筋
图１－2钢 筋 混 凝 土 梁 桥 赵州桥因桥两端肩部各
有两个小孔，不是实的，故称 敞肩型， 这是世界造桥史上 的一个创造 （没有小拱的称 为满肩或实肩型）。
这 是 一 章 一 节 的 开 端，将你带入所要研究的 问题情景，了解所要探索 的主要内容。
实践 活 动
这里 将 让 你 像 科 学 家 和 工程师那样， 进行科学和技 术的探索， 通过实践体验科 学与技术的密切关系。
沪科教版
图１－37 桁 架 课外 活 动
观 察 桥 梁 、 房 梁 、 电 视 塔 架 、 起 重 机 等 钢 建 筑 结 构 ， 可 以 发 现 它 们 许 多 都 是 由 各 种 三 角 架 构 成 的 ，为 什 么 要 用 三 角 形 作 为 它 们 的 基 本 结 构 呢 ？ 同 学 们 可 以 做 几 个 实 验 。
（1） 自 选 材 料 ， 并 设 计 方 案 ， 研 究 三 角 形 结 构 的 承 重 能 力 （图1-36a）。
（2） 用 相 同 的 材 料 ， 自 己 设 计 方 案 ， 研 究 四 边 形 结 构 的 承 重 能 力 （图1-36 b、1-36 c）。
（3） 比 较 三 角 形 结 构 与 四 边 形 结 构 的 承 重 能 力 ，哪 一 种 结 构 更 稳 定 ？
（4） 试 分 析 三 角 形 承 重 结 构 特 点 和 受 力 情 况 ，说 明 这 种 承 重 结 构 的 优 越 性 。
（5） 将 三 角 形 结 构 组 合 起 来 就 可 以 做 成 各 种 建 筑 构 架 （图1-37），这 种 结 构 叫 做 桁 架 。
（6） 实 地 观 察 一 种 钢 结 构 建 筑 ，看 看 它 们 由 哪 些 三 角 形 构 成 ，并 将 它 们 画 下 来 。
图１－36 各 种 结 构 承 重 能 力 比 较
图１－35 塔 式 起 重 机
a b c
a 拉 萨 河 特 大 桥 局 部 构 造
b
第１章桥梁与承重结构
的 苏 通 大 桥 ，主 塔 高306 m，斜拉 索长 580 m，创 造 了斜拉索桥的“世界之最”。
目前，万里长江上已架起公路桥梁62 座，还有 10 座正在建设中。 黄河上也建成公路桥梁 70 座。
全国公路桥梁总数已达31 万座，累计长度 1．25 万 千米。 不久的将来，长三角地区将有7 座世界级的 桥梁，它们是南京长江三桥、润杨长江大桥、江阴长 江大桥、苏通长江大桥、沪崇长江大桥、东海大桥以 及杭州湾大桥。
随着经济实力的壮大，桥梁建设也取得了长足 进展。 从建南京长江大桥起，我国在技术上完全自 立；今天实用美观的斜拉桥、悬索桥等，为城市增添 了一道道风景。 我国桥梁技术总体上进入了国际先 进行列，有些方面达到国际领先水平。
新世纪的中国将发生更为深刻的变化，桥梁建 设也会向更高水平发展，一批越江跨海的宏伟工程 已摆到我 们面前，比如 浙江杭州 湾跨海大桥 、上 海
长江口越江工程、广东伶仃洋跨海工程等。 我们一 定要为21 世纪中国和世界桥梁技术的发展书写更 加光辉灿烂的篇章，让江河大地落下更多更美的彩 虹。
1．参照图1-31，请思考以下问题：
（1） 斜 拉 桥 的 重 力 竖 直 向 下 ，钢 索 的 拉 力 斜 向两侧，它们之间存在什么关系？
（2） 钢 索 的 上 端 系 在 桥 墩 的 塔 柱 上 ，两 侧 斜 向的拉力对它产生什么效果？
（3） 塔 柱 两 侧 的 钢 索 成 对 称 分 布 ，为 什 么 要 这样做？ 如果不对称分布，对两侧钢索的拉力
有什么要求？
2．画出斜拉桥的受力分析图。
3．上网了解现代桥梁主要使用哪些建筑材料，尤 其是高新科技材料。
4．着重调查家 乡的一座拱 桥或梁桥，或 悬索桥，
利用所了解的情况编写一份调查报告。
家庭 作 业 与 活 动
图１－33 筷 子 桥
１．3 设计制作：制作自己的桥
知道了不同类型的桥梁和各自的特点，你想自己制作一座桥 吗？
请你与同学一起自己动手制作一座桥，并在班级进行评比。
活动 指 导
活动开始前，同学们应根据本地的 特 点 及 取 材 的 情 况 ，定 出 统一的评比要求，下面的一些要求供参考。
1． 制作要求
主桥面长度：不小于50 cm。
桥面宽度：不小于20 cm。
桥的承重：≥10 kg。
2． 材料
用生活中的废弃材料，如包装盒、饮料瓶、包装带、胶水等。
3． 外观设计 创新、有特色、美观。
4． 成果展示
完成制作后，要向同学、老师和家长报告和演示制作成果。 报 告应包括制作目的、制作过程、效果演示、存在问题、改进措施等。
报告前要做好充分准备。
5． 评价
对制作桥梁的评判，可以从桥的坚 固 程 度 （通 过 桥 上 所 放 重 物来判断）、性价比、美观、是否有创意等方面来综合评比，桥的自 重越轻越好。
6． 总结评价
填写“活动评价表”，做好总结评价工作。 要客观评价自己在 设计制作活动中的表现，认识自己的进步和不足。 对同学的评价 也要公正、客观，要看到他人的长处和进步。
课外 活 动
准备一些竹筷， 分 几 个 小 组 进 行 搭 筷 子 桥比赛。 搭桥的方法如图1-33 所示。
图１－32 建 造 中 的 宁 波 跨 海 大 桥
18 19
1.下 表 是 两 款 轿 车 说 明 书 上 提 供 的 性 能 参 数 ，仔 细阅读表中的相关数据， 尽可能多地对它们所 传达的物理意义给出正确的解释。 如果准备购 车，你对表中哪些参数最关心？ 为什么？ 比较两 款车，从节油方面考察，哪一款车更为经济？
2.为了在使用交通工具的过程中尽可能减少不必 要的能量损耗，提高效率，人们不断地改进相关 的设备和设施。 如城市快速交通系统中的地铁 和轻轨， 工程师们将车站铁轨路基抬高一定的 高度，使列车进站减速时，自动地将一部分动能
3．x
第3 章家庭作业与活动
项目名称 甲款车 乙款车
长×宽×高（mm） 4416×1668×1438 4365×1695×1410
轴距 2471 2610
轮距 前/后 1429/1422 1470/1470
最小离地间隙 137 130
整车质量（kg） 1128 1170
最小转弯直径（m） 10.5 10.4
行李箱容积（L） 660 416
排量（mL） 1596 1840
最大功率（kW/r/min） 64/5800 84/6000
最大转矩（N·m/r/min） 135/3000 160/4000
最高车速（km/h） 165 185
0～100km/h 加速时间（s） 16.5 12
80km/h 等速油耗（L/100km） 6.9 5.8
转化为势能；出站时，又自动地将势能转化为动 能，以减少能耗。 汽车在行驶过程中，需要频繁 刹车，频繁启动，因而白白消耗大量能量。 你能 否提出一种设计方案， 以尽可能减少这种能量 损耗。 将你设计的方案与同学交流，并评估其经 济性与可行性。
3.无论是在欧美国家，还是在国内，玩具汽车都是 一个非常巨大的市场。 试比较国内市场上常见 的各种玩具汽车， 透视其中的设计理念和设计 原理，然后合作设计一种新的玩具汽车，设法做
出样品，进而参加相关的竞赛活动。
4.汽车中用到齿轮传动的系统主要有
， 用 到 液 压 传 动 的 系 统 主 要 有 ， 用 到 皮 带 传 动 的 主 要 有 ， 用 到 链 条 传 动 的 系
统主要有 。
5.图3-34 是行星齿轮结构示意图。 观察并分别讨 论 当 齿 圈 、行 星 架 、太 阳 轮 固 定 时 ，其 他 两 个 部 件的转动情况。 将讨论结果填在右表中的空白 处。
课题 研 究
汽车对人类生活产生了巨大的影响。 为了更好地了解这些问题，同学们可以分小组开展调 查研究活动。 每个小组完成某个课题，写出调查研究报告，向全班同学汇报调查研究结果。
调查研究课题示例：
1． 当地汽车数量的增加情况和由此给社会带来的影响。
2． 制造汽车所需要的原材料情况。
3． 从汽车对环境的影响看现代汽车的发展趋势。
4． 汽车和汽车工业对国民经济产生的影响。
建议：调查时要利用学校和当地的图书馆、网络资源等，收集并整理相关信息资料，从中找 出规律性的东西。
齿 圈
太阳轮 行星架 减速 与主动轮同向
行星架 太阳轮
太阳轮 齿圈 行星架
行星架 齿圈
太阳轮 齿圈
齿圈 太阳轮 增速 与主动轮反向
6.自 行 车 、履 带 拖 拉 机 等 机 械 设 备 都 采 用 了 链 条 传动。试指出自行车链条传动（图3-35）中，哪个 是主动链轮，哪个是从动链轮？ 并证明两个链轮 的转速跟它们的齿数成反比。
图3-34 行 星 齿 轮 结 构
图3-35 自 行 车 链 条 传 动 棕
链 条 F F′ A F1
棕 B
飞 轮 曲 柄 链 轮
R 齿 圈
行 星 轮 行 星 架
太 阳 轮
课题 研 究
这里 将 使 你 学 会 如 何 进 行调查研究，收集资料，提出 问题， 找到解决问题的方法 和对策。
设计 制 作
学物理要“做中学”、“学中 做”。 这样你会心更灵，手更巧，
让你展示自己的创新精神和实 践能力，享受成功的喜悦。
课外 活 动
这里将让你自己动手， 选择 器材，探究你喜欢的科学技术问 题， 使你的才华得到充分展示，
体会科学和技术的无穷魅力。
1．右 表 是 型 号 为KFR - 25GW / Z1 分 体 空 调 器 的 说 明 书 中 给 出 的 主 要 技 术 指 标 ， 请 阅 读 了 解 其 主 要 的 技 术 参 数 。
2．想 一 想 上 题 表 中 的 制 冷 （ 热 ） 量 为 什 么 大 于 制 冷 （热 ）功 率 ？
3．上 网 了 解 空 调 器 的 发 展 过 程 ， 并 简 要 地 用 文 字 予 以 概 括 。
4．请 用 图 示 的 方 法 ， 从 物 理 学 的 角 度 简 述 空 调 器 的 制 热 原 理 。
家 庭 作 业 与 活 动
适用面积(制冷/制热)(m2) 制冷量(W) 制热量(W) 噪声dB(A) 方式 内机序号 制冷功率(W)
电流(A) 制热功率(W)
电流(A) 内机尺寸(宽×深×高)(mm) 外机尺寸(宽×深×高)(mm)
循环风量(m3/h) 除湿量(×10-3m3/h)
净质量(kg)
（12-19） / （10.7-13.7）
2800 2900 30-37/48
——
—
——
— 950 4.4 900 4.3 795×182×265 695×255×423
420
——
— 7.2/31
如果突然将 急速行驶的 自行车前轮 和 后 轮 同 时刹住，使车轮停止转动，自行车将怎样运动？
这种急刹车的情况是非常危险的，甚至会造成 交通事故，其原因是自行车车轮被“抱死”。
图3-30 是汽车前轮和后轮抱死时可能发生的 情况。 汽车前轮抱死后，便失去了导向作用。 这样，
就很可能会出现交通事故，甚至会引发重大恶性交 通事故。
为避免图3-30 所示情况的发生， 人们在传统
的制动系统的基础上，加装上可检测制动器制动状 态（“抱死”或 未“抱死”）以 及能够自动 调节管路系 统压力大小的附加装置，以便对汽车制动过程进行 干预。保证汽车在紧急制动时车轮不产生“抱死”现 象 。 这 种 装 置 叫 做 制 动 防 抱 死 系 统 （Anti -lock Braking System），缩写为 ABS。 近年来，我国生产的 汽车几乎都安装了制动防抱死系统。 图3-31 是常 见的ABS 系统原理示意图。
ABS 系统是力学和自动控制在汽车上的 一个 信息 浏 览
ABS 系统
只 有 后 轮 抱 死 的 情 况 只 有 前 轮 抱 死 的 情 况 图3-30 车 轮 抱 死 现 象
重要应用。 它由轮速传感器监测车轮的转速，监测 信号汇集到电子控制模块（EUC）上进行分析。 当 发现 车 轮 快 要 抱 死 时 ， 电 子 控 制 模 块 立 即 发 出 指 令给制动压力调节器，以“一放 一收”的“点 放”
方式来控制车轮制动器，解除车轮的抱死现象。
ABS 系统所采用的“点放”式制动，既可以急 剧降低轮速， 又可以保持轮胎与地面有足够的附 着力。 这就有效地保证了行车安全。
电子控制模块 穴ＥＣＵ雪
执行器（制动 压力调节器）
轮速传感器
制动 轮缸
制动踏板 ＡＢＳ故障
警示灯
制动主缸
图3-31ABS系 统 原 理 示 意 图
家庭 作 业 与 活 动
这里将向你提供丰富多彩 的项目，检验你探究、实践的成 效，让你再次体验成功的喜悦。
信息 浏 览 、STS
这些栏目将 向 你 展 示 历 史 上 的科技发明故事， 揭示科学技术 的进步与社会发展的关系， 反映 最新的科技成果， 展望科学技术 的未来， 将进一步激发你勇于攀 登科学技术高峰的热情。
沪科教版
目 录
1．１ 材料的弹性和范性 7
1．2 桥梁的承重结构及其特点 12 1．3 设计制作：制作自己的桥 19
2．1 起重机的平动与转动 22
2．2 探究共点力作用下物体的平衡条件 26 2．3 探究有固定转动轴物体的平衡条件 30
2．4 起重机的平衡与稳度 33
3．１ 平动与转动的转换装置 41 3．2 汽车变速箱与机械传动 44 3．3 汽车制动器与液压传动 50 3．4 研究自行车链条传动装置 54
1
第 章 桥梁与承重结构 6
第 2 章 起重机与平衡 22
3
第 章 汽车与传动 40
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4．１ 蒸汽机与第一次工业革命 59
4．2 内燃机 64
4．3 热机的能量转化与效率 73
4．4 蒸汽轮机 76
4．5 喷气发动机和火箭发动机 81
5．１ 家用电冰箱 87
5．2 冬暖夏凉不是梦 91
5．3 制冷设备与环境 95
第 5 章 家用制冷设备及其原理 86
总结与评价 科技成果展示报告会 105
第 4 章 热机与能量转化 58
回顾与展望 机械的使用与社会发展 99
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第 １ 章
桥梁与承重结构
桥 梁 与 人 类 的 生 活 、生 产 密 切 相 关 。 正 是 四 通 八 达 的 公 路 桥 、 铁 路 桥 ， 把 世 界 联 系 得 如 此 紧 密 ； 正 是 功 能 各 异 的 立 交 桥 、 过 街 天 桥 、 高 架 桥 ， 让 生 活 便 捷 、 工 作 轻 松 ； 正 是 这 些 优 美 多 姿 的 “彩 虹 ”，把 大 地 装 扮 得 更 美 。 图 1-1 是 著 名 的 赵 州 桥 ，它 造 型 优美 、古 朴 典 雅 。
从 独 木 桥 到 优 美 的 石 拱 桥 ， 从 宏 伟 壮 观 的 钢 铁 桥 梁 ， 到 现 代 化 的 斜 拉 桥 …… 人 们 在 设 计 、 建 造 这 些 桥 梁 时 ， 对 它 们 的 结 构 、材 料 等 ，是 如 何 考 虑 的 呢 ？
各种 桥 梁 的 承 重 结 构 和 受 力 情 况 各 有 什 么 特 点 呢 ？
选 用 怎 样 的 材 料 、建 造 怎 样 的 桥 ，才 能 既 节 省 材 料 ，又 能 承 受 足 够 的 荷 重 ？
本 章 以 桥 梁 为 背 景 ， 首 先 研 究 材 料 的 力 学 性 质 ； 然 后 研 究 常 见 桥 梁 的 承 重 结 构 及 其 力 学 特 点 ；最 后 还 将 让 你 动 手 造 一 座 桥 的 模 型 ，以 充 分 展 示 你 的 才 能 。 通 过 本 章 的 学 习 ，你 还 能 了 解 我国 桥 梁 建 设 方 面 的 伟 大 成 就 。
赵州桥因桥两端肩部各 有两个小孔，不是实的，故属 于敞肩型， 这是世界造桥史 上的一个创造 （没有小拱的 称为满肩或实肩型）。
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图１－3 弹 性 形 变 实 验 施 加 外 力 产 生 形 变
原 状 除 去 外 力 形 变 消 失
１．1
材料的弹性和范性
桥是用 建筑材 料建造的 。 最 早 的 桥 梁 大 多 用 木 材 和 石 料 建 造。 选择建桥材料取决于哪些因素呢？
建桥 的 常 用 材 料 及 特 点
建桥材料的力学性质是人们首先关注的问题。
石头———便宜且坚固，耐压，但不耐拉。
钢材———坚固，耐压也耐拉。
混凝土———坚固，耐压，但不耐拉。
钢筋 混 凝 土 ———用 钢 筋 加 固 的 混 凝 土 构 件 则 可 提 升 其 耐 拉 能力。
图1-2 所示的是一座用钢筋加固的混凝土梁桥， 钢筋在桥梁 的下部，这样的桥梁承载能力较大。
无论 是 建 造 桥 梁 ，还是修 筑铁路、公路 ，建造 房 屋 ，制 造 各 种 交通工具、生产设备，都要使用各种不同的材料。 不管哪种材料，
它 们 受 力时，都要 或 多或少发生形变；不同的 材料受力发生形变 的情况是不同的。 下面我们就来研究材料受力和发生形变问题，
也就是材料的弹性和范性问题。
材料 的 弹 性 与 范 性
固体材料的弹性和范性是其重要的两种力学性质。 那么，什 么是弹性？ 什么是范性呢？
■
弹 性 和 弹 性 形 变如 图 1-3 所 示 ，弹 簧 受 力 作 用 时 ，它 会 发 生 形 变 ；停 止 用 力 后，它的形变会完全消失。 一般说来，固体的这种形变叫做弹性形 变（elastic deformation）。 固体能恢复它原来形状的这种性质，叫做 弹性（elasticity）。
固体在不同的受力情况下发生的形变是不同的。 固体受到两 个 在 同 一 直 线 上 ，但 方 向 相 反 的 拉 力 时 ，长 度 增 加 ，横 截 面 积 变
梁
钢 筋
图１－2 钢 筋 混 凝 土 梁 桥
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小，这种形变叫做拉伸形变。 固体受到两个在同一直线上方向相 反的压 力 时，长度缩 短，横截面积 变 大，这种形变叫做 压缩 形 变 。 下表还给出了其他几种受力形变的情况。
名称 拉伸形变 压缩形变 剪切形变 弯曲形变 扭曲形变
产 生 条 件
固 体 受 到 两 个 在 同 一 直 线 上 方 向 相反的拉力
固 体 受 到 两 个 在 同 一 直 线 上 方 向 相反的压力
固 体 受 到 两 个 方 向 相 反 、 互 相 平 行 和 靠近的拉力或压力
杆 状 固 体 两 端 固 定 ， 中间受垂直于杆的力
杆状固体一 端固 定，另一端沿垂直 于杆的方向 受到 两个方向相反、互 相平行的力
特 点
长 度 增 大 ，截 面 积 变小
长度缩短，截面积 变大
组 成 固 体 的 物 质 层 之间发生相对移动
是一种复合形变。 靠 近凸面的物质层发生 拉伸形变， 靠近凹面 的物质层发生压缩形 变
组成固体的 物质 层之间发生相对 转动
图 示
应 用 举 例
斜拉桥拉索的形变 建筑物支柱的形变 铆钉的形变 桥 梁 的 形 变 螺 丝 刀 的 形 变 弹 性 形 变 的 几 种 形 式
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图１－7 研 究 实 心 材 料 的 形 变 a 实 物
b 各 种 形 状 的 钢 材 构 件
实 践 活 动 1 研究工字形、管形等材料的承重本领
为什 么 常用 的 钢 材 、钢梁等 要做成 图1－4 所示的形状，让我 们来做图1－5 所示的实验。
1． 将图 1-5a 所示的卡片纸叠成条形，做图 1-5b 所示的实验。
研究它的承重能力。
2． 将卡片纸折叠成工字梁形状，进行图 1-5c 的实验。 研究它 的承重本领，并比较上述两种情况下材料的承重能力。
3． 将卡片纸卷成圆筒形，进行图 1-6 所示的实验，探究管形 材料的承重本领。
通过以上实验，你有什么发现？ 你能说明为什么承重用的钢 材常做成工字形、管形吗？
实 践 活 动 2 建筑材料为什么做成空心的
为什么承重用的钢材常常做成工字形、管形等形状？ 让我们 再做一个实验（如图1－7 所示），并分析其原因。
图１－5 探 究 工 字 形 材 料 的 承 重 本 领
a b c
图１－6 探 究 管 形 材 料 的 承 重 本 领
F a
b
c
图 １ －4 建 筑 中 常 用 的 几 种 钢 材
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橡 皮 泥
原 状 施 加 压 力
产 生 形 变
停 止 用 力 形 变 保 留 中性面
Ｆ
图１－8 实 心 材 料 形 变 时 的 中 性 面
如图 1-8 所示，用力向下压橡皮时，橡皮的不同层面发生的 形变是否相同？
橡皮中是否存在既未被拉伸，又未被压缩的层面？
请你先猜想一下，再做一做这个实验。
图1－8 是固体材料受力发生弯曲形变的示意图，凸面一侧的物 质层发生拉伸形变，凹面一侧的物质层发生压缩形变，在材料的中 间却存在着既不发生拉伸形变，又不发生压缩形变的物质层。 这一 物质层叫做中性面。 离中性面越远的物质层，形变越大，承担的力也 就越大。 而靠中性面越近的物质层形变越小，承担的力也就越小。
正是由于上述 原因，工程技 术中，常把抗 弯曲形变的构 件设 计成空心的，如房屋钢梁和 脚 手架 用管 材代替 棒 材等 ，这 样既 节 省了原材料，又减轻了构件的自重。 工字钢、槽钢、角钢和瓦楞钢 等都是根据这个道理设计制造的。
范性 和 范 性 形 变
实际工作中 ， 人们并 不是只需要利 用固 体的 弹性 和弹 性 形 变，还常常要将金属材料加 工成各种形状 的金属 制品 ，如将 铁 丝 弯成衣架，把铁片、铝片冲压成各种器皿等。
事实上，固体材料的形变大小跟作用力的大小以及材料的性 质有关。 作用的力越大，形变也越大。 但是当形变超过某个限度，
即使外力停止作用，固体也 不 能完全恢复 到 它原 来的 形 状，有一 部分形变将被永久地保留下来。
当外力超过一定限度引起较大的形变，从而使一部分形变在 除去外力以后仍保 留下来 ， 这种保 留下来的形变叫做 范性形变
（plastic deformation）（图 1-9）。 固体能保留永久形变的性质叫做 范性（plasticity）。
范 性 和 弹 性 都 是 固体材料的特性，范性 形 变 和 弹 性 形 变 在 生 活 和 生 产 中 都 有 重 要 的意义。 有些情况下，
人 们 需 要 利 用 材 料 的 弹 性 ， 例 如 ， 梁 桥 上 有
图１－9 范 性 形 变
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20世纪中叶以来， 随着混凝土浇注技术和吊 装机械的改进，模板式建筑得到了发展。
模板式建筑 是用活动式 大尺寸 模 板 作 为 拼 装 的工具，机械化 浇注混凝 土的一种施 工方法，多用 于大型桥梁、多层、高层楼房的建筑上。 工具式模板 有全现场浇注、 现场浇注与预制相结合两种方法。
但建筑中的 主要承重 构件一般都 采用现场浇 注 的 方法施工。
在建筑桥梁 、楼房等大型 建筑时，还采 用 了 高 强度预应力混凝土预制构件。 在制作时，事先拉伸 钢筋，使钢筋保持张力，然后，把混凝土浇注在受拉 伸长的钢筋上。 目前许多重要的建筑物都采用了这
种预应力混 凝土构件， 它 不仅可以节 约70％的钢 筋，而且可以把构件做得很长、很大，比一般钢筋水 泥构件更适于建筑跨度很大的桥梁。
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模 板 式 浇 注 和 高 强 度 钢 筋 混 凝 土 构 件
图１－10 用 高 强 度 预 应 力 混 凝 土 构 件 建 筑 桥 梁
1． 举出生活和 生产中，利用 材料范性 形 变 的 两 个 例 子。
2． 指针式压强表（图1-11），内部有一根弯成弧形的 一端封闭的扁形金属管，当管内气压增大时，弯管 就会伸张开一些； 当气压减小时， 弯管便又收拢 些。 通过齿条、齿轮和指针就能把弯管的这些微小 形变显示出来， 从经过校正的刻度盘上就能读出 气压的数据。 这是利用了金属弯管的弹性形变还 是范性形变？
3． 自行车车架为什么用钢管而不用实心圆钢制成？
4． 指出下列物体的形变是弹性形变还是范性形变：
家庭 项家庭 作 业 与 活 动
卷曲的空 心弹簧管
图１－11 气 压 表 A. 机 械 钟 表 内 上 紧 的 发 条 B. 塔 式 起 重 机 工 作 时 的 吊 臂 C. 缠 绕 在 熔 丝 盒 接 线 柱 上 的 熔 丝 D. 碰 瘪 的 铝 锅
车辆通过时，梁桥会发生一定程度的弯曲,车辆通过后，梁桥的形变 会消失;撑杆跳高运动员用的撑杆，跳高时，撑杆会发生弯曲，撑杆 用过后，形变会消失。 在另一些情况下，人们需要利用材料的范性，
例如制作桥梁的各种钢材需要通过加热轧制形成一定的形状，铆合 连接构件的铆钉等则需要用模具锻压成型。
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１．2
桥梁的承重结构及其特点
桥梁 的种类繁 多 ，根据承 重构件受力情 况，主要可 分为 梁式 桥（梁桥）、拱形桥、悬索桥（吊桥）、斜拉桥等。 这些桥梁的承重结 构和力学特性各有怎样的特点呢？
从独 木 桥 到 多 孔 梁 桥
最初的桥是用一根树干架在小河的两岸构成的，这就是独木 桥（图1-13）。 如果木头的长度小于两岸的距离，则可在两岸之间 用一至数个木材作支撑 ，再用木 材铺设，于是便 形成了多孔 木 桥
（图1-14）。 独木桥或简易多孔木桥的承载能力有限，而且使用寿 命不长。 因此，人们便用石料等建材设计、建造了多孔梁桥。
图１－12 广 西 邕 江 大 桥
图１－13 独 木 桥
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图１－14 多 孔 梁 桥图1-15 所示的是我国第一座跨海梁式大石桥———泉州洛阳 桥， 它有44 座船形桥墩。 桥梁承受压力作用的部分叫做承重结 构。 梁桥的承重结构和受力情况是怎样的呢？
如图1-16 所示，当人、车辆等通过梁桥时，桥面会弯曲。 如果 桥面弯曲得太厉害，就会发生危险。
单孔梁桥的受力和形变情况如图 1-17 所示。 当桥面受到向 下的 压 力 时 ，桥 墩 对 桥就产生了向 上的 作用力，在这些力的作 用 下 ， 梁 的 上 部 被 挤 压 ， 受 到 压 力 作 用 ； 下 部 被 拉 伸 ， 受 到 拉 力 作 用。
减轻梁桥弯曲程度最简单的方法是在桥梁的下面加桥墩（图 1-18）。 图 1-19 是梁桥受力情况的简图。
请想 一 想 ， 选 取 怎 样的方法可 以 增 加 桥 梁 的 抗 压 和 抗 拉 能 力。
多孔梁桥虽然可以较好地减轻桥梁的弯曲程度， 但跨度小、
高度低，不利于通航。 是否有更好的解决办法呢？
图１－15 我 国 第 一 座 海 港 大 石 桥 ——— 泉 州 洛 阳 桥
图１－16 简 单 的 梁 桥 易 弯 曲
图１－17 弯 曲 的 梁 中 的 压 力 和 拉 力 示 意 图
图１－19 梁 桥 受 力 分 析 图１－18 有 桥 墩 的 梁 桥
压 力 拉 力
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图１－20 苏 州 的 石 拱 桥
图１－22 拱 桥 受 力 分 析 示 意 图
“人造 彩 虹 ”———拱 桥
为了解决梁桥跨度小、高度低等问题，人们设计、建造了各种 形式的拱桥。
拱桥跟梁桥相比，它的承重结构有什么特点呢？ 当汽车行驶 到拱桥的中部时，桥的拱券受力情况怎样？ 桥的支座受力情况又 怎样？
为了研究拱桥承重结构的特点和它的受力情况，我们先来做 实验。
实践 活 动 1
为方便起见，我们可用硬纸板来进行模拟实验。
1． 将硬纸板架成如图 1-21a 所示的梁桥模型，在板上面加重 物；它的承重能力如何？
2． 将纸板弯曲成拱形 （图 1-21b），在 它 上 面 加 重 物 ；它 的 承 重能力是否有提高？
3． 再在拱形纸板上平加一块纸板（图 1-21c），这就成了一座 简易的拱桥了。 为什么拱桥的承重能力能大大提高呢？
图１－21 模 拟 拱 桥 实 验 a
b
c
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图１－27 旧 金 山 金 门 大 桥
图１－24 公 伯 峡 黄 河 大 桥 图１－23 四 川 旺 苍 东 河 桥
桥面设在承重结构上方 的叫做上承式桥； 桥面设在 承重结构中部的叫做中承式 桥； 桥面设在承重结构下方 的叫做下承式桥。
由图1-22 可以看出，拱桥承重结构的显著特点是，它能把受 到 的 重 力（包括桥 的自重和车辆 等的重 力），通过拱形结构 ，将拉 力变为压力，并将这个压力传递到岸边的桥墩上去。 拱桥与梁桥 相比，不仅大大提高了承重能力，而且增加了跨度。
由于 拱桥承重 结构的上述 特点 ，人 们根 据实际 需 要 ，设 计 制 造了不同形式的拱桥。 图1－23 所示是下承式拱桥，图 1－24 所示 是中承式拱桥，图1－25 所示是上承式拱桥。
你能分析图1－26 中三种拱桥的承重和受力情况吗？ 请在图 中画出受力情况的示意图。
主拱 主拱
主拱 吊杆
吊杆
立柱 立柱
随 着 社 会 的 发 展 ， 需 要 建 造 能 通 过 和 承 受 如 载 重 汽 车 、火 车 等 的 坚 固 而 平 坦 的 桥 梁 。 人 们 发 现 ，采 用 悬 挂 结 构 ，不 仅 能 增 加 桥 的 跨 度 ，而 且 桥 也 坚 固 。 现 代 的 悬 索 桥 和 斜 拉 桥 都 是 由 一 些 钢 缆 架 在 巨 大 的 桥 塔 上 的 ， 桥 面 通 过 钢 索 悬 挂 在 钢 缆 上 ， 桥 的 两 端 固 定 到 竖 立 在 岸 边 或 水 中 的 塔 柱 上 。
图１－25 贵 州 江 界 河 大 桥
a 上 承 式 b 中 承 式 c 下 承 式
图１－26 三 种 拱 桥 结 构 示 意 图
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悬 索 桥 的 钢 缆 是 由 多 根 钢 丝 组 成 ，钢 缆 的 钢 丝 有 的 多 达 万 根 以 上 。 钢 缆 用 钢 板 锚 固 ，再 浇 在 混 凝 土 内 。
上海杨浦大桥是斜拉桥, 桥 长1176m,主 跨 602m,桥 面 由256根拉索拉起。 其中最 大规格拉索由直径为7毫米、
301根 高 强 度 钢 丝 编 成 ， 长 328m， 单根最大索重33t，最 大预拉载荷达12090kN，拉索 总重3006t。
悬索 桥
悬索桥（图1-28）的特点是在桥身两端桥墩上建两座桥塔，让 刚性梁悬挂在相互平行的悬索上。
现代悬索桥主要由主悬索（大缆）、塔柱、刚性梁等组成，悬索 一般均支承在两个塔柱上。 塔顶设有支承悬索的鞍形支座。 承受 很大拉力的悬索的端部通过锚碇固定在地基中（图 1-29），也有固 定在刚性梁的端部，称为自锚式悬索桥。
实践 活 动 2
请你根据图1-29 分析悬索桥的承重和受力情况。
并思考、讨论：
1. 结合图 1-29 所示的受力分析，悬索桥的承重结构有哪些 基本特点呢？
2. 悬索和桥塔应选择怎样的材料？ 为什么？
斜拉 桥
斜拉桥主要由桥梁、钢索和桥墩上的塔架三部分组成。 桥梁 用若干根钢索拉在塔架上； 斜拉索一般由高强度多股钢丝组成；
图１－28 悬 索 桥 结 构 示 意 图
图１－29 悬 索 桥 受 力 分 析 图
主悬索（大缆）
吊索
刚性梁
鞍座 塔 柱
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图１－30 上 海 杨 浦 大 桥
斜拉桥的桥面部分可以建造得相对薄一些。 当桥面上有车辆通过 时，桥墩、塔柱承受的力等于桥梁和车辆的全部重力。
南京长江二桥、上海杨浦大桥和徐浦大桥、香港汀九桥都属于 世界最大跨度钢结构与混合结构斜拉桥；重庆长江二桥，铜陵长江 大桥，武汉长江二桥是世界最大跨度预应力混凝土结构斜拉桥。
请从互联网或图书馆查找有关斜拉桥的资料，并讨论：
1． 斜拉桥与梁桥、拱桥等比较，它们的承重结构和受力情况 各有什么特点？
2． 为什么现代的大型桥梁，大多建成斜拉桥或悬索桥？
斜拉桥的受力分析，要用到《物理1》中的力的分解、合成等知 识和方法，请试着自行分析。
图１－31 斜 拉 桥 结 构 示 意 图
桥，是人流和物流的重要通道；桥，意味着新的 起点和新的希望。“一桥飞架南北，天堑变通途。”当 年伟人的设想， 而今已成为遍布神州大地的景象。
半个多世纪以来，中国桥梁建设的步伐艰难而又坚 定 ： 从 “ 蹒 跚 学 步 ”， 到 “ 挺 直 腰 杆 ”， 再 到 “ 大 步 向 前”。 江河上下道道彩虹是历史前进的坐标。
新中国成立时，长江上没有一座大桥。 1957年 10月，武汉长江大桥建成通车。 人们自豪地称之为 长江一桥。 毛泽东主席说：“将来长江上要修20座、
30座桥，黄河上要修几十座桥，到处都能走。 ”
伟人的设想早已成为现实。 “1960年动工的南 京长江大桥完全是由我们自己设计建造的！ ”
2002年6月， 国际桥梁年度会议首次将国际 桥梁大奖颁给中国的江阴长江公路大桥。 这座桥是 我国首座跨径超过千米（1385m）的大桥，在中 国桥 梁建设史上具有划时代的意义。
江阴长江大 桥的纪录又 被长 江 上 另 一 座 跨 径 更大的润扬大桥（主跨1490m）打破。 润扬大桥是一 座悬索桥，建成后跨度为中国第一，世界第三。
2003年 6 月 正 式 开 工 、 总 长 8206m、 主 跨
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道 道 “彩 虹 ”跨 江 河
斜 拉 索 塔 柱
梁
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1088m的苏通大桥， 主塔高306 m， 斜拉索长580 m，创造了斜拉索桥的“世界之最”。
目前，万里长江上已架起公路桥梁62座，还有 10座正在建设中。 黄河上也建成公路桥梁70座。
全国公路桥梁总数已达31万座，累计长度1．25万 千米。 不久的将来，长三角地区将有7座世界级的 桥梁，它们是南京长江三桥、润杨长江大桥、江阴长 江大桥、苏通长江大桥、沪崇长江大桥、东海大桥以 及杭州湾大桥。
随着经济实力的壮大，桥梁建设也取得了长足 进展。 从建南京长江大桥起，我国在技术上完全自 立；今天实用美观的斜拉桥、悬索桥等，为城市增添 了一道道风景。 我国桥梁技术总体上进入了国际先 进行列，有些方面达到国际领先水平。
新世纪的中国将发生更为深刻的变化，桥梁建 设也会向更高水平发展，一批越江跨海的宏伟工程 已摆到我 们面前，比如 浙江杭州 湾跨海大桥 、上 海
长江口越江工程、广东伶仃洋跨海工程等。 我们一 定要为21世纪中国和世界桥梁技术的发展书写更 加光辉灿烂的篇章，让江河大地落下更多更美的彩 虹。
1． 参照图1-31，请思考以下问题：
（1） 斜 拉 桥 的 重 力 竖 直 向 下 ，钢 索 的 拉 力 斜 向两侧，它们之间存在什么关系？
（2） 钢 索 的 上 端 系 在 桥 墩 的 塔 柱 上 ，两 侧 斜 向的拉力对它产生什么效果？
（3） 塔 柱 两 侧 的 钢 索 成 对 称 分 布 ，为 什 么 要 这样做？ 如果不对称分布，对两侧钢索的拉力
有什么要求？
2． 画出斜拉桥的受力分析图。
3． 上网了解现代桥梁主要使用哪些建筑材料，尤 其是高新科技材料。
4． 着重调查家 乡的一座拱 桥或梁桥，或 悬索桥，
利用所了解的情况编写一份调查报告。
家 庭 作 业 与 活 动
图１－33 筷 子 桥
课 外 活 动
准备一些竹筷， 分 几 个 小 组 进 行 搭 筷 子 桥比赛。 搭桥的方法如图1-33所示。
图１－32 建 造 中 的 宁 波 跨 海 大 桥
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１．3
设计制作：制作自己的桥
知道了不同类型的桥梁和各自的特点，你想自己制作一座桥 吗？
请你与同学一起自己动手制作一座桥，并在班级进行评比。
活动 指 导
活动 开 始前 ，同学们 应根据本地的 特 点 及 取 材 的 情 况 ，定 出 统一的评比要求，下面的一些要求供参考。
1． 制作要求
主桥面长度：不小于50 cm。
桥面宽度：不小于20 cm。
桥的承重：≥10 kg。
2． 材料
用生活中的废弃材料，如包装盒、饮料瓶、包装带、胶水等。
3． 外观设计
创新、有特色、美观。
4． 成果展示
完成制作后，要向同学、老师和家长报告和演示制作成果。 报 告应包括制作目的、制作过程、效果演示、存在问题、改进措施等。
报告前要做好充分准备。
5． 评价
对制 作 桥 梁 的 评 判 ，可以从 桥的坚 固 程 度 （通 过 桥 上 所 放 重 物来判断）、性价比、美观、是否有创意等方面来综合评比，桥的自 重越轻越好。
6． 总结评价
填写“活动评价表”，做好总结评价工作。 要客观评价自己在 设计制作活动中的表现，认识自己的进步和不足。 对同学的评价 也要公正、客观，要看到他人的长处和进步。
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活动评价表
制作自己的桥
学生姓名： 完成日期：
作品名称：
１． 画出桥梁的设计简图：
５． 外观设计：
４． 制作效果：
３． 制作过程：
２． 我选择的材料：
９． 老师评语：
８． 小组评语：
７． 自我评价：（在评价的等级上画圈）
我在这些方面应该做得更好 我在活动中遇到的困难是 我擅长的是
我对小组活动的贡献是 ６． 我在活动中的表现：
Ａ级（优秀） Ｂ 级（良好） Ｃ级（合格） Ｄ级（低于标准）
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图１－37 桁 架
课 外 活 动
观 察 桥 梁 、 房 梁 、 电 视 塔 架 、 起 重 机 等 钢 建 筑 结 构 ， 可 以 发 现 它 们 许 多 都 是 由 各 种 三 角 架 构 成 的 ，为 什 么 要 用 三 角 形 作 为 它 们 的 基 本 结 构 呢 ？ 同 学 们 可 以 做 几 个 实 验 。
（1） 自 选 材 料 ， 并 设 计 方 案 ， 研 究 三 角 形 结 构 的 承 重 能 力 （图1-36a）。
（2） 用 相 同 的 材 料 ， 自 己 设 计 方 案 ， 研 究 四 边 形 结 构 的 承 重 能 力 （图1-36 b、1-36 c）。
（3） 比 较 三 角 形 结 构 与 四 边 形 结 构 的 承 重 能 力 ，哪 一 种 结 构 更 稳 定 ？
（4） 试 分 析 三 角 形 承 重 结 构 特 点 和 受 力 情 况 ，说 明 这 种 承 重 结 构 的 优 越 性 。
（5） 将 三 角 形 结 构 组 合 起 来 就 可 以 做 成 各 种 建 筑 构 架 （图1-37），这 种 结 构 叫 做 桁 架 。
（6） 实 地 观 察 一 种 钢 结 构 建 筑 ，看 看 它 们 由 哪 些 三 角 形 构 成 ，并 将 它 们 画 下 来 。
图１－36 各 种 结 构 承 重 能 力 比 较
图１－35 塔 式 起 重 机
a b c
a 拉 萨 河 特 大 桥 局 部 构 造
b 1． 长江、黄河上已经建成和在建的大桥，解放前有
多少座？ 现在有多少座？ 从1960年开始，每隔 10年统计一次， 制成统计图。 并对统计结果加 以分析。
2． 利 用 你 学 过 的 物 理 知 识 ，向 同 学 们 介 绍 一 座 你 家乡的桥梁。
3． 采用图片、列表等方式，比较一下梁桥、拱桥、斜 拉桥、悬索桥之间有哪些相同点和不同点。
4． 桥梁的种类除了教材中介绍的四种外，还有其他 类型。 你知道其他类型的桥吗？ 择例说明。
5． 分 析 某 座 大 桥 的 建 造 对 当 地 经 济 和 社 会 发 展 的 影 响。
6． 请 根 据 所 学 的 知 识 ，全 面 介 绍 一 下 我 国 新 建 成
的某座大桥。
7． 参看图1-34，说明 为什么楼板 的加固钢 筋 加 在 楼板横梁的下部， 而阳台的加固钢筋加在阳台 横梁的上部？
8． 用列表的方式，比较梁桥、拱桥和索桥的力学特 性。
1．x
第
1
章 家 庭 作 业 与 活 动图１－34
加固钢筋
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2．1
第 2 章
起重机与平衡
你 到 过 建 筑 工 地 吗 ？ 你 见 过 建 筑 工 地 上 火 热 的 劳 动 场 面 吗？ 在 繁 忙 的 建 设 工 地 上 ，到 处 都 可 以 见 到 各 种 各 样 的 钢 铁 “大 力 神 ”———起 重 机 在 忙 碌 地 工 作 着 ， 成 吨 、 成 百 吨 的 构 件 ， 它 轻 轻 地 一 抓 就 可 自 如 地 运 送 到 工 地 的 各 处 。
起 重 机 工 作 时 是 怎 样 安 全 、快 速 而 又 平 稳 地 将 物 体 送 达 各 处 的 ？
起重 机 又 是 怎 样 保 持 平 衡 的 ？ 平衡 时 的 稳 定 程 度 一 样 吗 ？
……
本 章 以 起 重 机 为 背 景 ， 研 究 物 体 的 平 动 与 转 动 ， 探 究 物 体 在 共 点 力 作 用 下 的 平 衡 条 件 和 有 固 定 转 动 轴 物 体 的 平 衡 条 件 ， 以 及 刚 体 的 平 衡 条 件 ； 学 习 稳 度 与 平 衡 的 关 系 ， 并 了 解 它 们 在 技 术 上 的 一 些 应 用 。
起重机的平动与转动
不仅 在建筑工 地上 ，在造船 厂的 船 台 和 港 口 码 头 上 ，到 处 都 可以见到起重机的高大身影，起重机是生产中使用较广泛和较复 杂的机械之一。
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图2－2 塔 式 起 重 机
图2－3 汽 车 式 起 重 机
本领 高 强 的 “大 力 士 ”———起 重 机
建筑工地上最常见的起重机如图2-2 所示, 它那巨大的身躯 像一座铁塔，铁塔上端有一个长长的大铁臂。 这种起重机叫做“塔 式起重机”，又称“塔吊”。
“汽车式起重机”又称“汽车吊”，其特征是起重机装在了汽车 上（图2-3）,它能像卡车一样，灵活地行驶到各个地方去工作。
“履带式起重机”的运行机构有点像坦克的运行履带，它能够 在泥泞的道路上行走。 因此，水利工地上，常可以看到“履带式起 重机”。
起重机的种类很多，如回转式起重 机、移动式 起重机、桥式起 重 机 、三 轮 起 重 机 以 及 电 铲 、摇 臂 吊 车 、龙 门 吊 、起 重 葫 芦 、卷 扬 机、起重绞车、悬臂吊车等等。
实 践 活 动 1
到建筑工地或码头、矿山等地，观察各种起重机，并思考以下 问题：
1. 起重机主要由哪些简单机械组成？
2. 起重机起重时的运动形式有哪些？
起重 机 的 主 要 结 构
图2-4 是履带式起重机及其主要构件示意图，它们的作用如 下：
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图2－5 平 动 与 转 动
吊钩：工作时把重物吊起来。
起重机构滑轮：把起重机构的绳索，从 臂架的头部引导到机器房中的机器上。
臂架 ：臂 架 又 称 钢 臂 、吊 臂 ，它 能 把 吊 起的重物提着，支持着吊钩工作。
变幅机构滑轮： 是为了使起重机臂架 上下转动而装的，是一个复滑轮组(有些起 重机没有)。
机器房： 操纵起重机的工人工作的地 方。
履带式运行机构： 起重机行动的主要 机构（有些起重机没有）。
平动 与 转 动
一个物体无论做什么样的运动， 其运 动 形 式 不 外 乎 平 动 、转 动 ，或 平 动 、转 动 的 组合。 那么，什么是平动？ 什么是转动呢?
平动 任何时候， 物体上各点的运动 速度、位移都相同 ，即物体上 各点 的运 动 状态都相同的 运动 叫做 平动（translation）。
物体做平动时，它的运动轨迹不一定是直线。 那么，怎样判断 物体是否在做平动呢？
如图 2-5a 所示，在课本上任意画一直线，如 果 物 体 做 平 动 ， 则它在运动过程中，该直线始终保持跟原来的直线平行。 例如，起 重机提升的重物的运动、内燃机气缸中活塞的运动和冲压机锻头 的运动等都是平动。
转动 电扇扇 叶、钟表指 针、装 有合 页门窗的运动 都 不 具 有 平动的特征，这类运动的共 同点是 ：物体中 的各点 都绕同一转 动 轴做圆周运动。 这类运动叫做转动（rotation），如图 2-5b 所示。 物 体转动时，它上面各点的角速度相同，但线速度不一定相同。
请分析：图2-5c 所示课本的运动。
实际上，许多物体往往既做平动，又做转动。
起重机构滑轮
变幅机构滑轮 吊钩
履带式运行机构 机器房 臂架
旋转部分
重物
图2－4 履 带 式 起 重 机 结 构 示 意 图
a b c
沪科教版
图2－6 平 动 与 转 动
请思考：螺钉拧入机器时的运动、钻头钻孔的运动、行进中车 辆上车轮的运动等，在做怎样的运动（图2-6）？
实践 活 动2 观察起重机工作时的平动与转动
观察起重机工作时的动作，参照图2-7，分析起重机工作时，
哪些动作是平动？ 哪些动作又是转动？ 哪些动作是平动和转动的 组合动作？
1． 图2-8中起重机工作时，吊臂做什么运动？ 货物又做什么运动？
2． 下面的几种运动中，哪些是平动？ 哪些是转动？ 哪些同时做平动和 转动？
（1） 转椅转动时，椅子上的人的运动。
（2） 站在自动扶梯上的人的运动。
（3） 钢球沿斜槽滚下时，钢球的运动。
3． 举出1～2个物体做转动的实例。
4． 观察附近的工厂、码头或工地，看看工人们使用的起重机是哪类起 重机？ 各有什么特点？
家庭 项家庭 作 业 与 活 动
图2－8 起 重 机 吊 臂 与 货 物 的 运 动
图2－7 履 带 式 起 重 机 动 作 示 意 图
a 起 重 （升 降 ）动 作 b 变 幅 （摇 动 臂 ）动 作 c 旋 转 动 作 d 运 行 动 作 a
b
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2．2
探究共点力作用下物体的平衡条件
起重 机 的 平 衡 问 题
一个物体保持静止或匀速直线运动状态，我们就说物体处于 平衡状态。 起重机徐徐吊起货物，货物的运动可看做匀速直线运 动。 因此，货物被匀速吊起处于平衡状态。
当物体匀速转动时，我们称这个物体处于转动平衡状态。 通 常，起重机吊臂的上下转动、水平转动可看成匀速转动，所以它处 于转动平衡状态。
要保持物体的平衡状态，作用在物体上的力必须满足怎样的 条件呢？ 这一节我们先来研究共点力作用下物体的平衡问题。
实践 活 动 1
观察起重机的构造，思考以下问题：
1． 起重机安装的吊臂有的能上下转动，有的能水平转动，这 样的装置有什么好处？
2． 吊臂水平转动时，吊臂的受力大小是否改变？ 吊臂上下转 动时，吊臂的受力大小是否改变？
3． 塔式起重机吊臂吊起重物时，它的受力情况怎样呢？
塔吊 吊 臂 端 点 受 力 平 衡 吗
我们已经知道， 作用在一个物体上的两个力如果大小相等、
方向相反，并且作用在一直线上，物体就处于平衡状态。 由力的合 成法则可以知道，这两个力的合力为零。 起重机钢索吊住的货物，
同时受到重力和拉力的 作用，当它处 于平 衡状 态时，这两个 力 的 合力等于零。 几个力作用于物体的同一点或者它们的作用线相交 于一点，这几个力叫做共点力。 物体在共点力作用下的平衡条件 是什么呢？
如图 2-9 所示，塔式起重机匀速吊起货物时，吊臂端点受几
A
B O
图2－9 塔 吊 工 作 示 意 图
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Ｆ２
Ｆ３
Ｆ１
Ａ
Ｆ２
Ｆ３
Ｆ１
Ｂ Ｏ
图2－10 塔 吊 吊 臂 端 点O的 受 力 图
图2－11 探 究 共 点 力 平 衡 条 件
个力的作用？ 每个力的大小、方向怎样？
分析塔吊吊臂端点的受力情况，作出受力分析 图（图2-10），
这几个力之间存在着什么关系呢？
实 践 活 动 2 探究共点力作用下物体的平衡条件
器材：
三个 弹 簧测力 计 、三根细 线、绘图板、白纸、三角板 、刻度 尺 、 图钉等。
步骤：
1. 将铺上白纸的绘图板平放在桌面上。
2. 如图 2-11 所示，将三根细线的一端结在一起，用图钉将结 点O 固定在白纸中央； 再将三根细线的另一端各打一个细线圈，
三个细 线 圈 分 别 套 在 三个弹 簧测力计的 挂钩上 ；拔去图 钉，将三 个弹簧测力计互成一定角度拉开，使结点仍停留在 O 点，把弹簧 测力计的另一端分别固定在绘图板上，分别记下三个弹簧测力计 的示数F1、F2、F3。
3. 撤去弹簧测力计，用铅笔和刻度尺从 O 点出发，沿三根细 线的方向在白纸上画出三条直线，并在白纸上用力的图示法画出 力F1、F2、F3。
4. 研究 F1、F2、F3中任意两个力的合力与第三个力的关系，总 结出共点力作用下物体的平衡条件。
想一想，这个实验是否一定要用三个弹簧测力计？ 若将绘图 板竖起来能否进行实验？
物体在共点力作用下处于平衡状态时， 由于加速度等于零，
由牛顿第二定律可以知道， 物体所受到的合外力也一定等于零。
由此可以得出结论：物体在共点力作用下的平衡条件是这些力的 合力等于零，即
F合 = 0
案例分析
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案例 如图2-9 所示，塔吊 AO 段钢绳与竖直方向成 60°角，质量为100kg 的货物悬挂于 O 点下面。 若横梁 BO 的重力不计，求 钢绳AO 受到的拉力及横梁对 AB 的压力。
O
