水坝的受力分析及水坝的形状.pdf

第 33 卷 第 12 期 2004 年12 月 中学物理教学参考 Physics T eaching in M iddle Schools Vol 33 No 12 Dec 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 500 m 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 350 m 按 前苏联罗根斯基土建水坝高度达 334 5 m 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 Q gh 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 Q pdS Q h 0 Qgx Ldx Q gLQ h 0 x dx Q gL 1 2 x 2 h 0 1 2 Q gLh2 Q g 1 2 h 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 Q h 0 pdS h x Q h 0 Qgx dx h x Fl 即Q gLQ h 0 x h x dx 1 2 Q gLh2l 于是 1 2 x 2h 1 3 x3 h 0 1 2 h2l 可得l 1 3 h 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 h 3 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 h 3 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 h 3 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 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 Physics T eaching in M iddle Schools Vol 33 No 12 Dec 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 。