【摘要】结构的强度是通过构件和材料来体现的。构件在外力作用下会变形，同时，构件内部各质点之间的相互作用力发生了改变，这种改变的力为内力。外力越大，则构件的内力越大，当内力达到一定数值时，构件就会被破坏。在工程技术中不允许任何构件在正常情况下被破坏，这就要求构件和材料必须具有抵抗破坏的能力，这种能力就是强度。同时，在外力与材料不变的条件下，构件被破坏的危险程度还与它的横截面积有关。试验在于验证改变材料的形状，增加横截面积，从而增加结构的强度。
【关键词】结构的强度 材料的形状 横截面积
构件单位横截面积所受力的内力称为构件的应力，应力、内力和横截面积之间的定量关系是：б=N/A（б是应力，N是内力，A是横截面积）。在内力不变的情况下，构件的横截面积越大，应力越小，危险性越小。因此，在材料相同的情况下，应力不变，横截面积越大，承载的力就越大，相同材料，改变横截面积的方法就是改变材料的形状。
在普通高中课程标准实验教科书《通用技术》（必修2）广东版《技术与设计2》第一章第二节“探究结构”的分析中，讨论结构的强度与材料、强度与材料的形状时，课本中提到两个试验，就是改变材料的形状，从而增加材料的横截面积的方法。一个是3条长条形木条不同叠放方法的试验，另一个是用一张张A4纸，可以通过折叠成伸缩（手风琴式）的形式而得到加固，可以紧紧地卷成管状以进一步增强它的强度。为了验证该试验的真实性，我在上课的时候给学生做了如下试验。
1实验目的
通过试验，使学生加深结构的强度与材料的形状有密切关系的认识。
2实验准备
（1）3条长条形的木条，学生用书若干，粘木料用胶水1瓶，绑扎绳1根，重物若干；（2）70克的A4纸1张，满装粉笔的粉笔盒7个，散粉笔若干。
3实验过程
试验一：木条承重试验
（1）如图1。将3条长条形的木条叠放在一起，放在两摞厚度相同的书上，两摞书保持一定的距离，然后在木条上悬挂的绑扎绳捆好的重物，逐渐增加悬挂物的重量，观察叠放的木条变形情况，做好称重记录。（2）将试验1中的3条长条形木条沿长边相互粘接，形成一个三棱柱体，放在与试验1相同厚度的书上，重复试验1的步骤，记录三棱柱的变形情况，并做好称重记录。
通过比较，3条长条形木条粘接成三棱柱体，承重量大大增加。 试验二：纸张承重试验
（1）如图2。先将2个粉笔盒并排与另外2个粉笔盒并排相距20cm摆放，将A4以搭纸桥的方式平
放在2排粉笔盒上，然后将散粉笔分别以半支、1支放在A4纸的正中，当以半支粉笔放A4纸上时，A4纸没有发生较大的变化；当以1支粉笔放在A4纸上时，A4不能承载，发生坍塌。
（2）先将2个粉笔盒并排与另外2个粉笔盒并排相距20cm摆放，将A4纸折叠成伸缩（手风琴式）的形式，以搭纸桥的方式平放在2排粉笔盒上，依次叠放1盒粉笔、2盒粉笔、3盒粉笔，当放到第3盒粉笔时，还没有发生明显变化，当放到第4盒粉笔时，发生明显的倾斜，最后坍塌。
4实验总结
（1）通过实验，验证了结构的强度与所用材料本身的形状（即通过改变材料的形状，增加材料的横截面积）有关。
在试验一中，第1个试验是木条重叠摆放，横截面积与木条的本身的宽、高相关，承重物较轻，第2个试验是将2个木条沿长边相互粘接成一个三棱柱体，横截面积在原3条木条的基础增加了三棱柱内空的面积。3条材料相同的木条，采用不同的摆放方式，3条长条形木条以三棱柱摆放方式比3条长条形木条重叠叠放方式增加了横截面积，承重量就增加了。因此人们常常把构件直接做成一定的形状，如工业生产中的“工”字梁，角钢、管材等型材。由于这些型材在相同结构的情况下，具有用料少、质量轻等优点而被广泛应用。
在试验二，第1个试验中，A4纸张的横戴面积是一定的，放半支到1支粉笔就将A4纸压弯；在第2个试验中，将A4纸折叠成伸缩（手风琴式）的形式，在材料不变的情况下，通过折叠，增加了材料的横截面积，从而增加了材料的强度，承载重物量就增加了，放1盒粉笔甚至3盒粉笔都没有发生变形弯曲情况，再放上一盒粉笔就开始变形了。此试驗说明，相同的材料，改变了形状，增加了横截面积，强度也同时增加了。在实际工作中，如果是薄板材料，就可以像此实验一样，可以通过折叠改变结构来加固。
同时，材料的横截面的形状也极大地影响它的强度，具有相同的横截面积，而不同截面形状的同种材料，强度也不相同。如“工”字形强度比半框形强度强，半框形强度比全框形强度强，全框形强度比空心圆柱形强度强等等。
（2）此两次试验，操作简便、直观，所用材料容易准备，就地取材。
在试验中，学生没有想到：第一，3条长木条采用不同的摆放方式，能完全改变承重量；第二，简单的A4纸经过折叠时成伸缩（手风琴式）的形式，承重大大地增加了，真是奇迹，感到惊讶，吁声一大片。此试验趣味性强，能通过游戏方式、分组试验方式，来增强学生对于“结构的强度与所用材料本身的形状密切相关”的知识性理解。
（3）承重试验和承载试验应选择适当的材料和合适的尺寸，能使试验结果对比明显，增强说服力。
（4）需要注意的是，在试验一中，摞放的书本应堆在平地上，不要摞得太高，注重稳定性，这样才能保证试验安全和顺利进行。
