2.1物体的形变

导入新课

橡皮筋是生活中常见的东西

受力时会发生形变，不受力时又恢复到原来的状态

第二章材料与结构第1节物体的形变

教学目标

1.知识与能力

知道物体在外力作用下有哪几种形变了解轴向拉伸与压缩形变的概念。了解剪切、扭转和弯曲形变的概念。

2. 过程与方法

通过本课教学，在初中对弹力已有认识的基础上，进—步深化对弹力的产生、性质、效果的认识，并学习研究物理问题的“实验——观察——思考——归纳”科学方法。

领会将微小形变放大的实验方法。

3. 情感态度与价值观

从任何物体都能发生形变入手，培养实事求是的世界观。

教学重难点

重点

形变产生的原因

难点

各种形变力的方向

本节导

航

1. 拉伸和压缩形变

2. 剪切形变、扭转形变

和弯曲形变

物体在力的作用下，会发生大小和形状的改变，即发生形变（deformation）。

作用在物体上的力的方式不同，物体发生形变的方式也不同。

1. 拉伸和压缩的形变

在物体的各种形变中，最常见的是拉伸和压缩形变。

图2.1-1

甲乙

用双手拉和压条形橡皮（图2.1-1），看看条形橡皮的形状有什么变化？

图2.1-1

甲乙

从观察到的现象可以知道，沿橡皮轴线作用一对大小相等、方向相反的外力，橡皮将发生伸长或缩短变形，这种变形称为拉伸形变（stretch deformation）或压缩形变（compression deformation）。

工程中有很多物体受轴向力作用而产生拉伸或压缩形变。例如房架中的杆件（图2.1-2甲）、斜拉桥中的拉索（图2.1-2乙）、螺旋起重装置上的螺杆（图2.1-2丙）、建筑物中的支柱（图2.1-2丁）等，都发生拉伸或压缩形变。

2. 剪切形变、扭转形变和

弯曲形变

物体的形变除了拉伸和压缩，还有

剪

切扭转

弯

曲

我们常常用剪刀、

裁纸刀来剪断物体建筑工地上，工人们

常使用切割机来切断

钢筋

这些都是剪切形变的典型例子。

想一想

物体受到什么样的力才会被剪断呢？

图2.1-4所示是在剪床上剪

切钢板的示意图。剪床的上、

下两个刀刃以大小相等、方向

相反相反、作用线间距很小的

两个力F、F′作用在钢板上，

迫使钢板在两个力之间的横断

面mn处发生相对错动，直至

最后被剪断。

图2.1-4

这种构件随垂直于轴线的一对大小相等、方向相反、作用线平行且距离很近的力的作用时，两个力之间的横截面沿外力方向发生相对错动的变形称为剪切形变（sheardeformation）。

产生相对错动的截面称为剪切面。剪切面

总是与外力作用线平行，且位于方向相反的两外力作用线之间。

图2.1-5

如图2.1-5甲所示，连接两块钢板的螺栓，其所受外力垂直于螺栓轴线，螺栓上半部分与下半部分受到方向相反的两个力，当两个力足够大时，螺栓将发生上、下相对错动的变形（图2.1-5乙）。

同理，大桥上连接两块钢板的铆钉也属于承受剪切的构件。

想一想条形橡皮的扭转

双手用力使条形橡皮

扭转，左右手的手指所施

的力有什么特点？

从上面的实验知道，右手的手指对橡皮施加一个力偶，力偶中两个力所在的平面跟橡皮的轴线垂直；同时左手的手指对橡皮也施加一个力偶，这个力偶的方向跟前一个力偶相反。橡皮由于受到这两个力偶的作用，它的任意两个截面都将绕轴线发生相对转动。

当物体在两端受到一对大小相等、方向相反、作用面都垂直于物体的轴线的力偶作用时，物体的各横截面绕轴线发生相对转动，这种形变称为扭转形变（torsion deformation）。

在生活和生产实际中，物体发生扭转形

变的情况是很多的，例如

用螺丝刀

转动螺丝

钉时螺丝

刀和螺丝

钉的形变

转动方向盘

时方向盘轴

的形变

螺旋桨转动时

它的轴的形变

想一想条形橡皮的弯曲

图2.1-7

甲乙1.左手将条形橡皮一端按在桌子边,右手在橡皮另一端向下按(图2.1-7甲).两手所施的力有什么特点?

2.双手用力使条形橡皮弯曲(图2.1-7乙),两手所施加的力有什么特点?

从实验中可以看到,当橡皮受到垂直于橡皮轴线的力的作用时,橡皮的轴线由直线变成曲线,这种变形叫弯曲变形(bending deformation).

在生活和生产实际中,弯曲形变的事例很多.例如体操运动

员做单杠

表演时,单

杠的横杠

发生弯曲;

汽车通过桥梁时,

桥梁发生弯曲

阳台挑梁受到楼面重量和

梁自重的作用,也发生弯曲

想一想

如何显示微小形变？

用简单的装置也可以显示微小

形变．找一个大玻璃瓶，装满水，

瓶口用中间插有细管的瓶塞塞住

(如图)．用手按压玻璃瓶，细管中

的水面就上升；松开手后，水面又

回到原处．这说明玻璃瓶受到按压

时发生形变．

广角镜

钢筋混凝土结构

钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种受力性能完全不同的材料所组成的。混凝土的抗压能力较强而抗拉能力很弱，钢材的抗拉和抗压能力都很强，这两种材料如何结合在一起工作呢？