一、課程導(dǎo)入：從生活現(xiàn)象到科學(xué)問(wèn)題的聯(lián)結(jié)演講人04/排列方式的承重影響：從理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)化03/實(shí)驗(yàn)1：不同材質(zhì)層板的承重對(duì)比02/承重能力的科學(xué)基礎(chǔ)：從材料到結(jié)構(gòu)的深度解析01/課程導(dǎo)入：從生活現(xiàn)象到科學(xué)問(wèn)題的聯(lián)結(jié)06/課堂探究：設(shè)計(jì)一個(gè)"承重冠軍"書架05/策略1："重下輕上"原則08/總結(jié)與升華：科學(xué)就在我們的指尖07/拓展應(yīng)用：從教室書架到生活中的科學(xué)目錄2025小學(xué)五年級(jí)科學(xué)下冊(cè)書架的承重與排列方式課件01課程導(dǎo)入：從生活現(xiàn)象到科學(xué)問(wèn)題的聯(lián)結(jié)課程導(dǎo)入：從生活現(xiàn)象到科學(xué)問(wèn)題的聯(lián)結(jié)各位同學(xué)，今天上課前，我想先請(qǐng)大家回憶一個(gè)場(chǎng)景：上周三午休時(shí)，我們教室后排的木質(zhì)書架突然"咔嗒"一聲，頂層的《百科全書》堆整體向后傾斜了10厘米——當(dāng)時(shí)大家圍過(guò)來(lái)幫忙扶正時(shí)，有沒(méi)有注意到幾個(gè)細(xì)節(jié)？?jī)A斜最嚴(yán)重的是第三層，那里堆了27本《作文選》和15本《科學(xué)畫報(bào)》；而第二層只放了8本《成語(yǔ)詞典》和10本薄筆記本，卻穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)。這讓我想起上個(gè)月去家具城幫辦公室選新書架時(shí)，導(dǎo)購(gòu)員反復(fù)問(wèn)"主要放什么書？厚的還是薄的？怎么擺？"當(dāng)時(shí)我還納悶，書架承重不就看材質(zhì)嗎？今天我們就帶著這些真實(shí)的生活疑問(wèn)，一起探究"書架的承重與排列方式"。02承重能力的科學(xué)基礎(chǔ)：從材料到結(jié)構(gòu)的深度解析承重的本質(zhì)：力的傳遞與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要理解書架為什么能承重，首先需要明確"承重"的科學(xué)本質(zhì)。從物理學(xué)角度看，承重是指物體承受垂直向下的壓力（即重力）并將其傳遞到支撐點(diǎn)的能力。以我們教室的鋼制書架為例（展示實(shí)物圖），當(dāng)書本放在層板上時(shí)，書本的重力（G=mg，m是質(zhì)量，g≈9.8N/kg）會(huì)通過(guò)層板傳遞到兩側(cè)的立柱，最終由立柱底部的四個(gè)腳輪分散到地面。這里有三個(gè)關(guān)鍵要素需要注意：材料的力學(xué)性能：層板的材質(zhì)（木材、鋼板、復(fù)合板）決定了其抗彎曲能力（專業(yè)術(shù)語(yǔ)叫"抗彎強(qiáng)度"）。比如0.8cm厚的密度板，每平方米最多承重20kg；而同樣厚度的冷軋鋼板，承重可達(dá)80kg。結(jié)構(gòu)的幾何特性：層板的跨度（兩側(cè)立柱間的距離）越大，中間部位受到的彎矩（可以理解為"向下彎的力"）就越大。就像晾衣桿，兩端固定得越遠(yuǎn)，中間越容易下垂。承重的本質(zhì)：力的傳遞與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性力的分布方式：書本集中堆在層板中間，會(huì)比均勻分布產(chǎn)生更大的局部壓力。上周書架傾斜的第三層，27本《作文選》集中堆在中間30cm范圍內(nèi)，相當(dāng)于在層板中點(diǎn)施加了一個(gè)"集中荷載"，這比"均布荷載"（均勻分布）更容易導(dǎo)致層板變形。影響承重的核心變量：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)證支撐為了更直觀地理解這些要素，我和實(shí)驗(yàn)室的王老師提前做了三組對(duì)比實(shí)驗(yàn)（展示實(shí)驗(yàn)記錄表）：03實(shí)驗(yàn)1：不同材質(zhì)層板的承重對(duì)比實(shí)驗(yàn)1：不同材質(zhì)層板的承重對(duì)比材料：1cm厚木板（松木）、1cm厚復(fù)合板、1cm厚鋼板（尺寸均為60cm×30cm）1方法：在層板兩端用木塊墊高（模擬書架立柱），跨度50cm，中間緩慢加砝碼直到層板出現(xiàn)可見(jiàn)彎曲2數(shù)據(jù)：松木15kg、復(fù)合板12kg、鋼板45kg3結(jié)論：金屬材質(zhì)的抗彎曲能力顯著優(yōu)于木質(zhì)和復(fù)合材質(zhì)。4實(shí)驗(yàn)2：相同材質(zhì)不同跨度的承重對(duì)比5材料：統(tǒng)一使用1cm厚鋼板（60cm×30cm）6方法：調(diào)整兩端墊高的距離（跨度分別為30cm、40cm、50cm），重復(fù)加砝碼實(shí)驗(yàn)7實(shí)驗(yàn)1：不同材質(zhì)層板的承重對(duì)比數(shù)據(jù)：跨度30cm時(shí)承重60kg，40cm時(shí)48kg，50cm時(shí)35kg1結(jié)論：跨度每增加10cm，承重能力約下降25%（非線性關(guān)系）。2實(shí)驗(yàn)3：不同荷載分布的承重對(duì)比3材料：1cm厚松木層板（60cm×30cm），跨度50cm4方法：第一種將5kg砝碼均勻鋪在層板上（均布荷載）；第二種將5kg砝碼集中放在中間10cm范圍內(nèi)（集中荷載）5現(xiàn)象：均布荷載時(shí)層板彎曲2mm，集中荷載時(shí)彎曲5mm；當(dāng)增加到8kg時(shí)，集中荷載組層板出現(xiàn)裂紋6結(jié)論：集中荷載對(duì)層板的破壞性遠(yuǎn)大于均布荷載。7這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)告訴我們：書架的承重能力不是由單一因素決定的，而是材料性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和荷載分布共同作用的結(jié)果。804排列方式的承重影響：從理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)化書籍排列的常見(jiàn)模式及其力學(xué)分析當(dāng)我們把目光從書架本身轉(zhuǎn)向"書怎么擺"時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)不同的排列方式本質(zhì)上是在改變"荷載分布"和"整體重心"。經(jīng)過(guò)觀察，學(xué)生常用的排列方式主要有三種（展示圖片）：1.垂直立放（書脊朝外，書背與層板垂直）這是最常見(jiàn)的排列方式。每本書的重力通過(guò)書底均勻傳遞到層板，書與書之間相互支撐（就像排隊(duì)的同學(xué)手拉手），整體形成穩(wěn)定的"塊狀結(jié)構(gòu)"。但需要注意：如果書籍厚度差異大（比如左邊是5cm厚的詞典，右邊是1cm厚的練習(xí)冊(cè)），會(huì)導(dǎo)致層板左右受力不均，長(zhǎng)期可能使層板向厚書一側(cè)傾斜。書籍排列的常見(jiàn)模式及其力學(xué)分析2.水平平放（書的封面朝上，與層板平行疊放）這種方式常見(jiàn)于厚重的大本書（如《世界地圖集》）。平放時(shí)，每本書的重力直接作用在下方書本的封面上，最終通過(guò)最底層的書傳遞到層板。但需要注意：疊放高度不宜超過(guò)層板高度的2/3（比如層板層高30cm，最多疊20cm高），否則頂部的書容易因重心過(guò)高而滑落；另外，疊放時(shí)如果書本大小不一（比如大書上面疊小書），會(huì)形成"懸臂結(jié)構(gòu)"（類似陽(yáng)臺(tái)挑出墻面），增加層板邊緣的彎矩。書籍排列的常見(jiàn)模式及其力學(xué)分析混合排列（部分立放、部分平放）這種方式常見(jiàn)于需要頻繁取閱的場(chǎng)景（比如同時(shí)放常用的工具書和暫時(shí)不用的練習(xí)冊(cè)）。但混合排列時(shí)要特別注意"重心平衡"——建議將厚重的書立放在層板中間，輕的書平放或立放在兩側(cè)；如果層板一側(cè)是立放的厚書，另一側(cè)可以用平放的薄書"配重"，避免層板單側(cè)受力過(guò)大。優(yōu)化排列的實(shí)踐策略：基于科學(xué)原理的操作指南根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)論和排列方式分析，我們可以總結(jié)出提升書架承重能力的四大策略：05策略1："重下輕上"原則策略1："重下輕上"原則將厚重的書（如詞典、百科全書）放在下層，輕薄的書（如練習(xí)冊(cè)、繪本）放在上層。這是因?yàn)闀芰⒅某兄啬芰ψ陨隙轮饾u減弱（就像蓋高樓，底層的柱子要更粗），下層承重更大時(shí)，整體結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。上周我們教室書架傾斜的第三層（從下往上數(shù)第三層），其實(shí)屬于"中層"，但堆放了過(guò)多厚重的《作文選》（每本約300g，27本就是8.1kg），而頂層（第四層）只放了3kg的雜志，這違背了"重下輕上"原則，導(dǎo)致中層壓力過(guò)大。策略2："均布荷載"優(yōu)先盡量讓每本書的書脊與層板接觸的位置均勻分布，避免出現(xiàn)"空擋區(qū)"和"密集區(qū)"。比如一層放30本書時(shí)，不要前10本擠在左邊20cm，后20本擠在右邊30cm，而是每2cm放一本（60cm長(zhǎng)的層板剛好放30本）。如果書籍厚度差異大（如有的書厚3cm，有的厚1cm），可以采用"間隔排列"——3cm厚的書旁邊放1cm厚的書，使整體的"等效厚度"均勻（3+1=4cm，兩個(gè)位置占4cm，平均2cm/本）。策略1："重下輕上"原則策略3："結(jié)構(gòu)互鎖"加固立放的書籍之間要緊密排列，讓書脊相互接觸（就像磚塊之間的灰縫），這樣可以形成"整體受力"。如果書籍之間有空隙（比如兩本書之間留出2cm），當(dāng)受到外力（如碰撞）時(shí)，空隙處的書容易傾倒，進(jìn)而引發(fā)"多米諾效應(yīng)"。我們可以做個(gè)小實(shí)驗(yàn)：拿5本同樣厚度的書，第一種緊挨著立放，用手輕推最邊上的書，只有1-2本會(huì)晃動(dòng)；第二種每?jī)杀局g留1cm空隙，輕推時(shí)會(huì)有3-4本傾倒。策略4："高度控制"防傾覆無(wú)論是立放還是平放，書籍的高度都不宜超過(guò)層板層高的3/4（比如層高30cm，最高堆22cm）。這是因?yàn)槲矬w的重心高度越高，穩(wěn)定性越差（就像疊積木，越高越容易倒）。上周傾斜的書架第三層，層高35cm，卻堆了30cm高的書（重心高度約25cm），稍微有外力（比如同學(xué)經(jīng)過(guò)時(shí)碰了一下書架），就容易向后傾斜。06課堂探究：設(shè)計(jì)一個(gè)"承重冠軍"書架探究任務(wù)與材料準(zhǔn)備為了讓大家更深入地理解承重與排列的關(guān)系，我們今天要開(kāi)展"設(shè)計(jì)承重冠軍書架"的探究活動(dòng)。具體任務(wù)是：用給定的材料（A4卡紙做層板和立柱，膠帶做連接件，硬幣做荷載），制作一個(gè)高度不低于30cm、包含3層的書架模型，并通過(guò)優(yōu)化排列方式，使第三層（頂層）能承載最多的硬幣。材料清單：A4卡紙（每小組4張）透明膠帶（每卷30cm）一元硬幣（每組20枚，可向老師申領(lǐng)更多）直尺、剪刀（每小組一套）探究步驟與記錄要求設(shè)計(jì)階段（10分鐘）：小組討論書架的結(jié)構(gòu)（層板跨度、立柱厚度）和排列方式（立放/平放/混合），繪制設(shè)計(jì)圖（標(biāo)注層板長(zhǎng)度、立柱高度、層間距）。制作階段（15分鐘）：用卡紙和膠帶制作書架模型，注意層板與立柱的連接要牢固（可以用膠帶纏繞3圈以上）。測(cè)試階段（20分鐘）：從第一層開(kāi)始加載硬幣（每枚約6g），每層加載時(shí)記錄"最大承重硬幣數(shù)"和"是否出現(xiàn)變形"（如層板彎曲超過(guò)5mm記為變形）。重點(diǎn)測(cè)試第三層，嘗試不同排列方式（如立放硬幣、平放硬幣、混合排列），記錄哪種方式承重更多。總結(jié)階段（10分鐘）：填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告（見(jiàn)附錄表格），分析"承重最多的排列方式"與"結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)"的關(guān)系，得出結(jié)論。典型問(wèn)題與指導(dǎo)要點(diǎn)在之前的試做中，我發(fā)現(xiàn)同學(xué)們?nèi)菀子龅揭韵聠?wèn)題，需要特別注意：立柱過(guò)?。河脝螌涌堊隽⒅鶗r(shí)，承重超過(guò)10枚硬幣就會(huì)彎曲。建議將卡紙對(duì)折2次（形成4層），立柱厚度增加到4層，承重能力可提升3倍。層板跨度過(guò)大：層板長(zhǎng)度60cm（A4紙長(zhǎng)邊）時(shí)，跨度50cm會(huì)導(dǎo)致層板中間下垂。建議縮短跨度至40cm（用膠帶在立柱上標(biāo)記40cm的位置固定層板）。排列方式單一：只嘗試立放硬幣，忽略了平放時(shí)硬幣與層板的接觸面積更大（平放時(shí)硬幣的圓形面與層板接觸，受力更均勻）。實(shí)際測(cè)試中，平放硬幣的承重比立放多30%-50%。07拓展應(yīng)用：從教室書架到生活中的科學(xué)家庭書架的優(yōu)化建議回到開(kāi)頭的問(wèn)題，當(dāng)我們?cè)诩艺頃軙r(shí)，可以運(yùn)用今天所學(xué)的知識(shí)：對(duì)于木質(zhì)書架（抗彎曲能力較弱），避免在中層集中堆放厚重的書（如《辭?！贰断鄡?cè)》），可以分散放在下層和中層兩側(cè)。對(duì)于鋼制書架（抗彎曲能力強(qiáng)），可以適當(dāng)增加層板跨度（比如放32開(kāi)的書時(shí)，跨度可以比放16開(kāi)的書大5-10cm），但仍需遵循"均布荷載"原則。對(duì)于可調(diào)節(jié)層板的書架（如宜家的畢利系列），可以根據(jù)書籍的重量調(diào)整層間距——放厚重書的層間距調(diào)小（減少跨度），放輕薄書的層間距調(diào)大（增加空間利用率）。工程中的承重智慧其實(shí)，書架的承重原理在工程中廣泛應(yīng)用：橋梁的梁體設(shè)計(jì)（如杭州灣跨海大橋的箱梁），需要計(jì)算不同跨度下的最大承重，避免車輛集中通行時(shí)梁體彎曲。倉(cāng)庫(kù)的貨架系統(tǒng)（如京東物流的高位貨架），會(huì)根據(jù)存儲(chǔ)貨物的重量設(shè)計(jì)層板厚度和立柱結(jié)構(gòu)，同時(shí)要求貨物堆放時(shí)"重下輕上、均布荷載"。古代建筑的木梁結(jié)構(gòu)（如故宮的房梁），工匠會(huì)通過(guò)"抬梁式"設(shè)計(jì)（將梁的跨度縮短，用短梁疊加）來(lái)提升承重能力，這和我們用多層卡紙做立柱的原理異曲同工。08總結(jié)與升華：科學(xué)就在我們的指尖總結(jié)與升華：科學(xué)就在我們的指尖今天這節(jié)課，我們從教室書架的傾斜事件出發(fā)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究、理論分析和實(shí)踐設(shè)計(jì)，理解了"承重能力是材料、結(jié)構(gòu)、荷載共同作用的結(jié)果"，掌握了"重下輕上、均布荷載、結(jié)構(gòu)互鎖"等排列策略。更重要的是，我們學(xué)會(huì)了用科學(xué)的眼光觀察生活現(xiàn)象（比如書架傾斜），用實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)