形状与结构
在我们的周围可以看到很多不同形状和结构的物体。它们为什么是这样的形状和结构呢？比如：
为什么钢材要做成“L”“工”字等形状？为什么很多桥梁要建成拱形？
为什么很多输电线铁塔要做成框架式、上小下大？……
这样的形状和结构有什么好处？
在这个单元中，我们要当一次小小建筑师，去研究一些常见的形状和结构，探究它们承受力的特点，了解人们是怎样巧妙利用这些形状与结构的。我们将亲手制作“塔”和“桥”，在制作过程中探究其中的奥秘，并体验创造的快乐。
很早以前，人们就开始造房子、修桥梁了。看看下面的房子和桥梁，它们
在形状和结构上有相似的地方吗？
很
多的房屋和桥梁都是依靠直立的材料（柱子）和横放的材料（横梁）支撑住的。它们受压时，横梁比柱子容易弯曲和断裂，所以，横梁抗弯曲能力是建筑科学上要研究的重要问题。
推测横梁抗弯曲能力与哪些因素有关？
我们为什么这样推测？
我们用厚纸搭一个横梁，测试一下纸梁的宽窄、厚薄怎样影响它的抗弯曲能力。
纸梁的宽度与抗弯曲能力。
我们把纸横梁两端垫起一定的高度，把纸梁受压弯曲到接触桌面作为弯曲的标准；用承载垫圈的个数表示纸梁的抗弯曲能力。
第一次测试后，先预测，再实测纸的抗弯曲能力，记录下数据。
_________________________________
纸梁的厚度与抗弯曲能力。
分析数据，描述纸梁的厚度与抗弯曲能力的关系。
我们发现，纸梁的厚度与抗弯曲能力的关系是：______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________
横梁平着放好，还是立着放好
观察横梁的横切面是什么形状的？是平着放的还是立着放的？我们能说明这样安放的理由吗？能用下面的材料来证明自
己的理由吗？
形状与抗弯曲能力
为什么有的钢材或铝材做成“T”“U”“L”“工”字或“口”字等形
状？这些形状与抗弯曲能力有关吗？
形状与抗弯曲能力
一张平展的纸横梁能承重多少？用同样的纸折成像上面钢材形状的纸横梁能承重多少？我们来测试并比较它们的抗弯曲能力。
折成各种形状的纸横梁比平板纸横梁
“L”形材料的哪一部
分像平放的梁立着放了？
抗弯曲能力大多少？为什么改变形状也能提高材料的抗弯曲能力？
把薄板形材料弯折成“V”“L”“U”“T”或“工”字等形状，虽然减少了材料的宽度但却增加了材料的厚度，增加厚度是能大大增强材料抗弯曲能力的。
在不增加材料的情况下，这真是一个
好办法！
瓦楞纸板的研究
纸包装箱用的这种材料叫瓦楞纸板。
弯一弯瓦楞纸板，感觉一下它的抗弯曲能力有多大。
把瓦楞纸板剖开，看看，它的结构是怎样的，各部分的厚薄和软硬是怎样的。
瓦楞纸板的结构为什么能使柔软的纸变坚硬了？试着作出自己的解释和提
出一些问题。
柔软无力的纸，做成拱形怎么就变“坚硬”了？古代城门为什么都做成拱形？
测试纸拱的承重能力
做一个纸拱，试试它能承受多大的重量。
把拱足固定，测试纸拱能承载多大的重量。观察纸拱随着承重力的增加，形状有什么变化。
怎样才能使纸拱承载更大的重量？
看看拱形在重压下是怎么变形的？怎样使它不
变形呢？
搭一个瓜皮拱
利用拱形的特点，人们用小块的砖、石材也可以
建造很大的拱。我们来模拟试一试。
拱形承重的秘密
拱形承载重量时，能把压力向下向外传递给相邻的部分，拱形各部分
把半圆形的西瓜皮切成5块，注意切口的方向，然后小心搭建一个西瓜皮拱。
相互挤压，结合得更加紧密。
拱形受压会产生一个向外推的力，抵住这个力，拱就能承载很大的重量。
我们能解释西瓜皮拱为什么不垮吗？
找拱形
拱形结构承载重力有什么特点？我们知道哪些拱形建筑？
我们周围还有许多圆弧形的物体，它们与拱形有相似的特点吗？
圆顶形和球形
观察剖开的乒乓球壳，看一看、捏一捏，它的厚薄、软硬怎样？
试一试，三个这样的乒乓球壳扣在桌面上能承载多大的压力？
用手使劲捏、压一个完整的乒乓球，容易压瘪吗?
圆顶形与拱形有哪些相似的地方？试着解释圆顶形承载压力的特点。
球形与拱形有哪些相似的地方？试着解释球形承载压力的特点。
圆顶形可以看成拱形的组合。它有拱形承载压力大的特点，而且不产生向外推的力。
球形在各个方向上都可以看成拱形，这使得它比任何形状都要坚固。我们还能举出哪些类似拱形的形状？
中国国家大剧院
塑料瓶的形状
仔细观察塑料饮料瓶的上部、中部和底部各是什么形状，表面还有哪些形状。
用手把塑料瓶压凹下去，感觉用力的大小。比较哪里更硬，哪里更软。
观察剪开的塑料瓶，各部分的厚薄
相同吗？
塑料饮料瓶的形状设计包含着哪些科学道理？
生物体中的拱形
人体的结构非常巧妙。人的头骨近似于球形，可以很好地保护大脑；拱形的肋骨护卫着胸腔中的内脏；人的足骨构成一个拱形——足弓，它可以更好地承载人体的重量。
观察下面这些外壳，说说这些形状对生物本身有什么意义？
做框架
像铁塔这样骨架式的构造叫做框架结构。让我们来制作框架。
做简单框架
扎一个三角形框架和长方形框架。
观察它们受到力的作用时有什么不同，哪一个容易变形？
我们可以把长方形框架加固吗？
增加的斜杆起什么作用？
观察组成大型框架结构的“小格子”是什么形状的？并做出自己的解释。
做一个坚固的正方体框架
我们来做一个正方体框架。加固这个框架可以在什么位置加斜杆？如果正方体框架是承载向下压力的，哪些地方可以不加斜杆？
用较少的斜杆加固这个正方体框架。数一数框架中有多少个三角形。以一根斜杆为例，试分析它起的作用。
在做好的框架上放书，它能承载多少本书？
观察哪些地方使用了框架结构，使用这些框架
结构有什么好处？
我们利用框架结构可以用较少的钢材建造很高的铁塔。
建造这样高大的铁塔，不但要做到结实不变形，还要保持直立不倒。这些高大的铁塔会受到哪些力的作用？观察它们的形状和结构，是哪些特
点使高塔不容易倒，把我们的猜想写下来。
物体不容易倒的秘密
塑料瓶怎样放最容易倒？塑料瓶怎样放不容易倒？怎样做，塑料瓶最不容易倒？要想使物体不容易倒，我们可以用些什么方法？
测量“塔”的高度，哪组最高？
把“塔”放在纸板上，慢慢倾斜纸板，哪组的“塔”最不容易倒？我们采取了哪些办法使“高塔”不容易倒？扇风试试，我们建造的“高塔”抗风能力如何？
铁塔不容易倒的再思考
哪些特点使框架铁塔不容易倒？
看看我们先前的猜想，哪些得到了验证，哪些需要修正、补充？
框架结构铁塔的
特点：
桥的形状和结构
桥帮助我们跨越江河、峡谷、道路和其他障碍，是我们生活中常见的建
筑。桥的形状结构外露，使我们很容易观察它们。
让我们来收集有关桥的图片和资料，研究一下桥吧。
这些桥是什么形状和结构的？我们还知道哪些桥的结构？
随着科学技术的发展，桥梁的结构越来越多样了。
各式各样的拱桥
桥面在拱下方的拱桥，桥板拉住了拱足，抵消拱向外的推力，减少了桥墩的负担。桥面也比较低而且平坦，方便通行。
观察比较这些拱桥，它们有什么相同和不同，各有什么优点？
做一个没有外推力的拱。
大跨度的钢索桥
钢缆能承受巨大的拉力，人们用它建造钢索桥，大大增加了桥的跨越能
力。观察钢索桥的结构，它有什么显著特点？
江阴大桥
跨越长江的江阴大桥，跨度达1 385米，一跨过江。吊起桥面的主钢缆，每根都由两万多根钢丝组成。钢缆要承受6.4万吨
工人正在安装主钢缆
从桥上看主钢缆
的拉力。
介绍家乡桥
用纸造一座“桥”
一张报纸，薄而柔软，用它能造一座“桥”吗？
在规定的时间里，用一张报纸，少量的胶带建造一座“桥”，要求“桥”
能跨越35厘米宽的“峡谷”，宽度大于10厘米，能承载200克重的“车辆”。
我们要像真正的桥梁工程师那样设计建造一座结实的桥了。
用纸造“桥”要考虑哪些问题
开始建造吧。
测量和试验我们的“桥”，达到任务的要求了吗？
介绍评价我们的“桥”
怎样介绍我们的“桥”？我们可以参考下面的内容。纸桥的长、宽尺寸，承重的能力。
我们是怎样改变纸的形状和结构的，应用了哪些科学知识。制作过程中遇到了什么困难，是怎么解决的。哪些地方还做得不够好，可以怎样改进。评价各小组造的“桥”，找出它们各自的优点。
资料库
精打细算做钢梁
在南京长江大桥上，横卧桥墩的巨大框架梁都是由横切面为“工”字形的钢材构成的。
为什么用“工”字形钢材？建造桥梁需要保证桥梁有足够的强度，又要尽量节约材料。构成框架的钢材用什么形状的好呢？横切面是“工”字形的钢材像两个背靠背的槽钢，而槽钢又像两个相对的“L”形钢材，也就是说“工”字形钢像由四个“L”形钢材对称组成。比起“L”形钢和槽钢，它的四个边
更不容易折弯，在节约材料的前提下，它又有较大的厚度。这就使“工”字形钢有很强的抗弯曲能力，又比同样厚度的矩形钢少用许多钢材。经试验，如果承受同样的重量，把钢材做成“工”字形，比做成矩形要节省钢材一半以上！
火车轨道用的钢轨是一种形状稍微变化了的“工”字形钢。
为了使钢轨安放在枕木上足够稳定，就把轨
底做得比较宽，为了更好地承受车轮的压力，就把轨头做得比较窄而厚。抗弯曲任务主要由轨底和轨头承担了，轨腰就做得比较薄。这样，钢材作用得到最充分的发挥，可
算是精打细算了。
把钢材横切面做成一些特殊形状，这样的钢材叫做型钢。除“工”字钢外，还有槽钢、角钢、“口”字形钢，等等。所有这些型钢的抗弯曲力都比同重量、同长度的钢条强。
麦秆与钢管
麦熟了，沉甸甸的麦穗随风摇摆。为什么细细的麦秆能够支持得住比它重得多的麦穗呢？秘密就在于它是空心的。如果用和空心麦秆同样多的材料，做成一根实心的麦秆就支持不住这沉甸甸的麦穗了。
许多植物的茎都是空心的，如竹子、水稻、芦苇以及许多小草。动物身体中的很多骨头也是如此，如手臂骨和腿骨都是空心的。同样多的材
料，做成空心的管状比做成实心的棒状要粗得多，而且任何方向的抗弯曲力都
相同。植物、动物真“聪明”，能节约材料建造结实的身体！
受大自然的启发，人们制造了钢管。钢管重量轻、强度高，比同样多材料
做成的钢棒能承
受更大的力，所以，建筑工地支架、自行车身都用管状材料而不用实心材料。
空心管不但抗弯曲能力强，而且中间还可以输送气体和液体。难怪在我们的生活中到处都用到空心管子。
形状与结构
在我们的周围可以看到很多不同形状和结构的物体。它们为什么是这样的形状和结构呢？比如：
为什么钢材要做成“L”“工”字等形状？为什么很多桥梁要建成拱形？
为什么很多输电线铁塔要做成框架式、上小下大？……
这样的形状和结构有什么好处？
在这个单元中，我们要当一次小小建筑师，去研究一些常见的形状和结构，探究它们承受力的特点，了解人们是怎样巧妙利用这些形状与结构的。我们将亲手制作“塔”和“桥”，在制作过程中探究其中的奥秘，并体验创造的快乐。
很早以前，人们就开始造房子、修桥梁了。看看下面的房子和桥梁，它们
在形状和结构上有相似的地方吗？
很
多的房屋和桥梁都是依靠直立的材料（柱子）和横放的材料（横梁）支撑住的。它们受压时，横梁比柱子容易弯曲和断裂，所以，横梁抗弯曲能力是建筑科学上要研究的重要问题。
推测横梁抗弯曲能力与哪些因素有关？
我们为什么这样推测？
我们用厚纸搭一个横梁，测试一下纸梁的宽窄、厚薄怎样影响它的抗弯曲能力。
纸梁的宽度与抗弯曲能力。
我们把纸横梁两端垫起一定的高度，把纸梁受压弯曲到接触桌面作为弯曲的标准；用承载垫圈的个数表示纸梁的抗弯曲能力。
第一次测试后，先预测，再实测纸的抗弯曲能力，记录下数据。
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纸梁的厚度与抗弯曲能力。
分析数据，描述纸梁的厚度与抗弯曲能力的关系。
我们发现，纸梁的厚度与抗弯曲能力的关系是：______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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横梁平着放好，还是立着放好
观察横梁的横切面是什么形状的？是平着放的还是立着放的？我们能说明这样安放的理由吗？能用下面的材料来证明自
己的理由吗？
形状与抗弯曲能力
为什么有的钢材或铝材做成“T”“U”“L”“工”字或“口”字等形
状？这些形状与抗弯曲能力有关吗？
形状与抗弯曲能力
一张平展的纸横梁能承重多少？用同样的纸折成像上面钢材形状的纸横梁能承重多少？我们来测试并比较它们的抗弯曲能力。
折成各种形状的纸横梁比平板纸横梁
“L”形材料的哪一部
分像平放的梁立着放了？
抗弯曲能力大多少？为什么改变形状也能提高材料的抗弯曲能力？
把薄板形材料弯折成“V”“L”“U”“T”或“工”字等形状，虽然减少了材料的宽度但却增加了材料的厚度，增加厚度是能大大增强材料抗弯曲能力的。
在不增加材料的情况下，这真是一个
好办法！
瓦楞纸板的研究
纸包装箱用的这种材料叫瓦楞纸板。
弯一弯瓦楞纸板，感觉一下它的抗弯曲能力有多大。
把瓦楞纸板剖开，看看，它的结构是怎样的，各部分的厚薄和软硬是怎样的。
瓦楞纸板的结构为什么能使柔软的纸变坚硬了？试着作出自己的解释和提
出一些问题。
柔软无力的纸，做成拱形怎么就变“坚硬”了？古代城门为什么都做成拱形？
测试纸拱的承重能力
做一个纸拱，试试它能承受多大的重量。
把拱足固定，测试纸拱能承载多大的重量。观察纸拱随着承重力的增加，形状有什么变化。
怎样才能使纸拱承载更大的重量？
看看拱形在重压下是怎么变形的？怎样使它不
变形呢？
搭一个瓜皮拱
利用拱形的特点，人们用小块的砖、石材也可以
建造很大的拱。我们来模拟试一试。
拱形承重的秘密
拱形承载重量时，能把压力向下向外传递给相邻的部分，拱形各部分
把半圆形的西瓜皮切成5块，注意切口的方向，然后小心搭建一个西瓜皮拱。
相互挤压，结合得更加紧密。
拱形受压会产生一个向外推的力，抵住这个力，拱就能承载很大的重量。
我们能解释西瓜皮拱为什么不垮吗？
找拱形
拱形结构承载重力有什么特点？我们知道哪些拱形建筑？
我们周围还有许多圆弧形的物体，它们与拱形有相似的特点吗？
圆顶形和球形
观察剖开的乒乓球壳，看一看、捏一捏，它的厚薄、软硬怎样？
试一试，三个这样的乒乓球壳扣在桌面上能承载多大的压力？
用手使劲捏、压一个完整的乒乓球，容易压瘪吗?
圆顶形与拱形有哪些相似的地方？试着解释圆顶形承载压力的特点。
球形与拱形有哪些相似的地方？试着解释球形承载压力的特点。
圆顶形可以看成拱形的组合。它有拱形承载压力大的特点，而且不产生向外推的力。
球形在各个方向上都可以看成拱形，这使得它比任何形状都要坚固。我们还能举出哪些类似拱形的形状？
中国国家大剧院
塑料瓶的形状
仔细观察塑料饮料瓶的上部、中部和底部各是什么形状，表面还有哪些形状。
用手把塑料瓶压凹下去，感觉用力的大小。比较哪里更硬，哪里更软。
观察剪开的塑料瓶，各部分的厚薄
相同吗？
塑料饮料瓶的形状设计包含着哪些科学道理？
生物体中的拱形
人体的结构非常巧妙。人的头骨近似于球形，可以很好地保护大脑；拱形的肋骨护卫着胸腔中的内脏；人的足骨构成一个拱形——足弓，它可以更好地承载人体的重量。
观察下面这些外壳，说说这些形状对生物本身有什么意义？
做框架
像铁塔这样骨架式的构造叫做框架结构。让我们来制作框架。
做简单框架
扎一个三角形框架和长方形框架。
观察它们受到力的作用时有什么不同，哪一个容易变形？
我们可以把长方形框架加固吗？
增加的斜杆起什么作用？
观察组成大型框架结构的“小格子”是什么形状的？并做出自己的解释。
做一个坚固的正方体框架
我们来做一个正方体框架。加固这个框架可以在什么位置加斜杆？如果正方体框架是承载向下压力的，哪些地方可以不加斜杆？
用较少的斜杆加固这个正方体框架。数一数框架中有多少个三角形。以一根斜杆为例，试分析它起的作用。
在做好的框架上放书，它能承载多少本书？
观察哪些地方使用了框架结构，使用这些框架
结构有什么好处？
我们利用框架结构可以用较少的钢材建造很高的铁塔。
建造这样高大的铁塔，不但要做到结实不变形，还要保持直立不倒。这些高大的铁塔会受到哪些力的作用？观察它们的形状和结构，是哪些特
点使高塔不容易倒，把我们的猜想写下来。
物体不容易倒的秘密
塑料瓶怎样放最容易倒？塑料瓶怎样放不容易倒？怎样做，塑料瓶最不容易倒？要想使物体不容易倒，我们可以用些什么方法？
测量“塔”的高度，哪组最高？
把“塔”放在纸板上，慢慢倾斜纸板，哪组的“塔”最不容易倒？我们采取了哪些办法使“高塔”不容易倒？扇风试试，我们建造的“高塔”抗风能力如何？
铁塔不容易倒的再思考
哪些特点使框架铁塔不容易倒？
看看我们先前的猜想，哪些得到了验证，哪些需要修正、补充？
框架结构铁塔的
特点：
桥的形状和结构
桥帮助我们跨越江河、峡谷、道路和其他障碍，是我们生活中常见的建
筑。桥的形状结构外露，使我们很容易观察它们。
让我们来收集有关桥的图片和资料，研究一下桥吧。
这些桥是什么形状和结构的？我们还知道哪些桥的结构？
随着科学技术的发展，桥梁的结构越来越多样了。
各式各样的拱桥
桥面在拱下方的拱桥，桥板拉住了拱足，抵消拱向外的推力，减少了桥墩的负担。桥面也比较低而且平坦，方便通行。
观察比较这些拱桥，它们有什么相同和不同，各有什么优点？
做一个没有外推力的拱。
大跨度的钢索桥
钢缆能承受巨大的拉力，人们用它建造钢索桥，大大增加了桥的跨越能
力。观察钢索桥的结构，它有什么显著特点？
江阴大桥
跨越长江的江阴大桥，跨度达1 385米，一跨过江。吊起桥面的主钢缆，每根都由两万多根钢丝组成。钢缆要承受6.4万吨
工人正在安装主钢缆
从桥上看主钢缆
的拉力。
介绍家乡桥
用纸造一座“桥”
一张报纸，薄而柔软，用它能造一座“桥”吗？
在规定的时间里，用一张报纸，少量的胶带建造一座“桥”，要求“桥”
能跨越35厘米宽的“峡谷”，宽度大于10厘米，能承载200克重的“车辆”。
我们要像真正的桥梁工程师那样设计建造一座结实的桥了。
用纸造“桥”要考虑哪些问题
开始建造吧。
测量和试验我们的“桥”，达到任务的要求了吗？
介绍评价我们的“桥”
怎样介绍我们的“桥”？我们可以参考下面的内容。纸桥的长、宽尺寸，承重的能力。
我们是怎样改变纸的形状和结构的，应用了哪些科学知识。制作过程中遇到了什么困难，是怎么解决的。哪些地方还做得不够好，可以怎样改进。评价各小组造的“桥”，找出它们各自的优点。
资料库
精打细算做钢梁
在南京长江大桥上，横卧桥墩的巨大框架梁都是由横切面为“工”字形的钢材构成的。
为什么用“工”字形钢材？建造桥梁需要保证桥梁有足够的强度，又要尽量节约材料。构成框架的钢材用什么形状的好呢？横切面是“工”字形的钢材像两个背靠背的槽钢，而槽钢又像两个相对的“L”形钢材，也就是说“工”字形钢像由四个“L”形钢材对称组成。比起“L”形钢和槽钢，它的四个边
更不容易折弯，在节约材料的前提下，它又有较大的厚度。这就使“工”字形钢有很强的抗弯曲能力，又比同样厚度的矩形钢少用许多钢材。经试验，如果承受同样的重量，把钢材做成“工”字形，比做成矩形要节省钢材一半以上！
火车轨道用的钢轨是一种形状稍微变化了的“工”字形钢。
为了使钢轨安放在枕木上足够稳定，就把轨
底做得比较宽，为了更好地承受车轮的压力，就把轨头做得比较窄而厚。抗弯曲任务主要由轨底和轨头承担了，轨腰就做得比较薄。这样，钢材作用得到最充分的发挥，可
算是精打细算了。
把钢材横切面做成一些特殊形状，这样的钢材叫做型钢。除“工”字钢外，还有槽钢、角钢、“口”字形钢，等等。所有这些型钢的抗弯曲力都比同重量、同长度的钢条强。
麦秆与钢管
麦熟了，沉甸甸的麦穗随风摇摆。为什么细细的麦秆能够支持得住比它重得多的麦穗呢？秘密就在于它是空心的。如果用和空心麦秆同样多的材料，做成一根实心的麦秆就支持不住这沉甸甸的麦穗了。
许多植物的茎都是空心的，如竹子、水稻、芦苇以及许多小草。动物身体中的很多骨头也是如此，如手臂骨和腿骨都是空心的。同样多的材
料，做成空心的管状比做成实心的棒状要粗得多，而且任何方向的抗弯曲力都
相同。植物、动物真“聪明”，能节约材料建造结实的身体！
受大自然的启发，人们制造了钢管。钢管重量轻、强度高，比同样多材料
做成的钢棒能承
受更大的力，所以，建筑工地支架、自行车身都用管状材料而不用实心材料。
空心管不但抗弯曲能力强，而且中间还可以输送气体和液体。难怪在我们的生活中到处都用到空心管子。