第33卷第12期2004年12月中学物理教学参考PhysicsTeachinginMiddleSchoolsVol.33No.12Dec.2004初中教学园地水坝的受力分析及水坝的形状刘友强(贵州省遵义市一中563000)人们为了利用水的巨大的能量,需要在江河上修建拦水大坝,以提高上游的水位,从而增大水的重力势能.一般情况下,水坝的截面为一梯形,即水坝的下部要比上部修得厚.在初中5物理6第一册第十章第三节/液体压强的计算0课文后的/想想议议0:工程师们为什么要把拦河坝
设计
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成下宽上窄的形状?对此常见这样的回答:由于水的压强随深度的增加而增大,水坝下部比上部受到水的压强大,为了防止水坝被水压坏,所以坝的下部比上部修得厚.现在修建的拦水大坝,一般都是钢筋混凝土结构.以常见的混凝土重力坝为例,若坝体采用低标号的50号混凝土,每平方厘米可以承受压力4.9@106Pa,这相当于水下500m深处的压强,若采用更高标号的混凝土,能承受的压强还要更大,而目前世界上最高的水坝还不到350m(按:前苏联罗根斯基土建水坝高度达334.5m,为世界最高坝)可见水坝是不会被水压坏的,那为什么要把水坝修成下宽上窄的形状呢?一、水坝的受力特点由液体的压强公式p=Qgh知道,坝体的拦水面图1受到水的压强与水的深度成正比,水越深,则压强就越大.(这就是上述答案的由来)水对坝体的拦水面的压力如何计算呢?如图1所示,设拦水坝宽为L,水深为h,为了简化讨论,设拦水面为竖直的,则拦水面受到水的压力为F=QpdS=Qh0Qgx#Ldx=QgLQh0xdx=QgL#12x2|h0=12QgLh2=Qg12h#Lh.Lh即为拦水坝水下部分的面积,由上式可知,拦水坝受到水的压力,等于水深度的一半处的压强(相当于是拦水坝受到的平均压强)与拦水坝水下面积的乘积.拦水坝水下整个部分都受到水的压力,根据等效的方法,我们可以把水下整个部分受到的压力等效地认为作用在拦水坝拦水面上的某一点,这相当于是水压力的作用点,这一点在什么位置?有人认为,既然水的平均压强在水深的一半处,则该压力的作用点也应该在水深的一半处,是这样吗?如图2所示,拦水面受到水的压力F,设其作用点图2离水底的距离为l,该力既有将拦水坝沿力的方向平推的趋势,也有将拦水坝推动后沿坝底转动的趋势,则拦水坝实际受到的力对坝底的力矩与等效力F对坝底的力矩应相等,有Qh0pdS#(h-x)=Qh0Qgx#dx#(h-x)=Fl,即QgLQh0x(h-x)dx=12QgLh2l,于是12x2h-13x3|h0=12h2l,可得l=13h.由上解答可知,水对拦水坝总压力的作用点(实际上为一水平的作用线)并不在水深的中点处,而是在距坝底h3处.二、水对拦水坝的压力的作用效果水对拦水坝的压力,产生了两个效果:其一是使水坝沿坝外立面底部端点(图3中的O点,见下页)转动;其二是使水坝整体沿水流方向向下游平移,转动的结果对拦水坝有倾覆作用,其倾覆力矩为F@h3,而坝体依靠自身的重力G产生的抗倾覆力矩为G@d,为了坝体不致倾覆,须使G@d>F@h3.由上式可知,当水深h、坝宽L一定时,为了增大坝体的稳定性,须增大坝体的重力G,以及增大下游面#25#图3底部O距坝体重心的距离d,混凝土因其密度大可以起到增大坝体重力G的效果,而把坝体修成沿下游面加宽,可增大坝体体积,能够起到既增大坝体重力G的效果,又增大G的力臂d的效果.事实上,坝体的重力增大了,坝体对坝基的压力也会增大,这可以增大坝体对坝基的最大静摩擦力,可有效防止沿水流方向的平移,提高了坝体抗滑稳定性,为了增大坝体的重力,拦水大坝的断面一般是修得较厚的,从以上两方面考虑,应采取将坝体沿下游面自上而下加厚的方式,而上游面因无翻转危险,可采取直上直下的方式,不必自上而下加厚.正是因为这种类型的拦水坝主要靠坝体自身的重力来保持坝体的稳定性,所以这种拦水坝被称为重力坝.把拦水坝的坝体修得下部比上部厚,还可以在同等重力下增大坝底的面积,这可减小坝体自身对坝基的压强,可有效防止坝体在坝基上的下沉,保持坝体的垂直稳定性;另外,由于坝底水的压强很大,就会有水渗过坝体,加大坝底的宽度,可以延长坝内水的渗透路径,增大水的渗透阻力,从而提高坝体对水的抗渗透能力.综上所述,把坝体的横断面修成上窄下宽的形状,其主要目的是为了增强坝体自身的稳定性,并不是为了抵抗深处水的压强.初中课本中编入这个问
题
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
,其目的是为了让学生联系实际,出发点是好的,但限于初中学生的知识水平,他们难以做出符合实际的回答,答成文首的答案是有失科学性的.第33卷第12期2004年12月中学物理教学参考PhysicsTeachinginMiddleSchoolsVol.33No.12Dec.2004初中教学园地/水的沸腾0实验失败的原因分析王淑兰(新疆克拉玛依市第七中学834000)初中物理教学中,/水的沸腾0实验是一个简单易做的学生实验,但往往因为实验前疏于考虑,实验中重视不足,导致实验的失败率很高.俗话说:失败乃成功之母.引导学生对实验失败原因的探究,既发展学生的探究能力,又培养学生实事求是的科学态度.下面就笔者在教学中发现的失败的原因做一分析.首先,我们组织学生来讨论实验中水本身的原因发现有二:其一是取水的多少要适量,如果取水太多,沸腾前加热时间过长,影响沸腾过程中现象的重点观察,影响课堂效果;其二是水的来源,例如,有同学取饮水机里已加热沸腾过的水,实验中,虽然水温已过沸点,但水的内部产生汽泡不多,汽泡也很小,水的沸腾现象不明显,导致实验失败.相比之下,另一些同学取用没加热过的冷水,加热较短时间,水就沸腾了,并且沸腾过程中从液面和内部产生的汽泡多,而且较大,现象明显.为什么会出现和情理中相反的结果?两种截然不同的日常生活现象,激发了学生的求知欲和好奇心理,于是进一步引导学生查看参考书很快就会发现问题所在,原来/长时间沸腾的液体中汽化核减少,沸腾减弱.液体从外界吸收的热量大于液体汽化带走的热,致使液体温度高过沸点,于是产生了过热现象,但过热现象并不稳定,稍有搅动或加入少许的冷水,液体便会重新沸腾,使温度降到沸点.0解决了学生的困惑,增强了学生的探索信心.提高了学生在实验中遇到实际问题时,能正确的面对,在探研中取得更多的收获和乐趣.其次,讨论实验过程中的操作原因:我们组织学生探讨,学生发现加热过程中,要将酒精灯的火焰调大,同时用外焰加热.相反,如果酒精灯的火焰太小,水在相同时间吸收热量少,温度升高的较慢,要沸腾需时间就长,同样影响实验现象的重点观察;还有同学想出在烧杯上加一个盖子,来减少热量的散失,减少加热时间,既能保证实验效果,同时还避免了实验过程中能量的浪费,进而还培养了学生对能源的节约意识.通过与学生对实验操作原因的讨论,不仅提高学生的实验操作能力,有目的地解决了实验中重视不足的问题,增强了学生的优化实验意识.分析实验失败的原因,引导学生对实验方法、实验过程、实验操作、实验结果的讨论分析,和学生一起进行评估,优化实验方案,学生在讨论与实践中不仅学到物理知识,更重要的是培养了学生的实验意识,最终使学生综合能力得以发展,真正的做到教学相长.#26#
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