《機械基礎(chǔ)（第2版）》 第6課 構(gòu)件受力分析

課題構(gòu)件受力及變形分析（一）——構(gòu)件受力分析（2）課時2課時（90min）教學(xué)目標(biāo)知識技能目標(biāo)：（1）掌握約束和約束力的概念，以及常見的約束類型（2）掌握受力分析的方法和受力圖的繪制方法（3）了解平面任意力系平衡方程的原理及應(yīng)用思政育人目標(biāo)：（1）提高嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的邏輯推理能力和原理分析能力（2）培養(yǎng)追求真理、實事求是、勇于探究與實踐的科學(xué)精神教學(xué)重難點教學(xué)重點：約束和約束力的概念、常見的約束類型、受力分析與受力圖、教學(xué)難點：平面任意力系平衡方程的原理及應(yīng)用教學(xué)方法案例分析法、問答法、討論法、講授法教學(xué)用具電腦、投影儀、多媒體課件、教材教學(xué)設(shè)計第1節(jié)課：→→→傳授新知（20min）→課堂實訓(xùn)（18min）第2節(jié)課：→傳授新知（15min）→課堂實訓(xùn)（10min）→任務(wù)實施（10min）→課堂小結(jié)（3min）→作業(yè)布置（2min）教學(xué)過程主要教學(xué)內(nèi)容及步驟設(shè)計意圖第一節(jié)課課前任務(wù)【教師】布置課前任務(wù)，和學(xué)生負(fù)責(zé)人取得聯(lián)系，提醒同學(xué)通過文旌課堂APP或其他學(xué)習(xí)軟件預(yù)習(xí)本節(jié)課知識，了解約束和受力分析，平面力系等內(nèi)容，并思考以下問題：（1）常見的約束有哪些？都有什么特點？（2）簡要說明受力圖的繪圖步驟。（3）平面力系分為哪幾類？請舉例說明?！緦W(xué)生】完成課前任務(wù)通過課前任務(wù)，使學(xué)生了解所學(xué)課程的重要性，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣考勤

（2min）【教師】使用文旌課堂APP進(jìn)行簽到【學(xué)生】按照老師要求簽到培養(yǎng)學(xué)生的組織紀(jì)律性，掌握學(xué)生的出勤情況問題導(dǎo)入（5min）【教師】提出以下問題：在日常生活中可以看到：繩索懸掛的燈、支承在墻上或柱子上的梁都掉不下來；人坐在椅子上也摔不下來。為什么燈、梁和椅子上的人都不能向下運動呢？【學(xué)生】思考、討論、回答【教師】通過學(xué)生的回答引入要講的知識通過問題導(dǎo)入的方法，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

傳授新知

（20min）三、約束與受力分析【教師】新知講解1．約束與約束力一個物體的運動受到周圍物體的限制時，這種周圍物體稱為約束。約束對物體運動的限制是通過力來實現(xiàn)的，這些約束中限制物體運動的力稱為約束反力，簡稱約束力。2．常見的約束類型在分析約束力之前需要了解約束的類型。下面介紹工程中幾種常見的約束類型及其約束力的特點，（詳見教材表2-1）?！緦W(xué)生】聆聽、思考、理解【知識鏈接】鉸鏈又稱合頁，是用來連接兩個構(gòu)件并允許兩者相互轉(zhuǎn)動的機械裝置。如圖2-14所示，圓銷插入構(gòu)件1和構(gòu)件2的圓孔內(nèi)構(gòu)成一個鉸鏈。鉸鏈對兩個構(gòu)件形成鉸鏈約束，使兩構(gòu)件只能做相對轉(zhuǎn)動，而不能做相對移動。鉸鏈約束具有廣泛的應(yīng)用。例如，門窗開關(guān)時，內(nèi)燃機中曲軸與連桿、連桿與活塞（見圖2-15）運動時都存在鉸鏈約束。圖2-14鉸鏈的組成圖2-15鉸鏈約束的實例【教師】新知講解3．受力分析和受力圖【課堂互動】?【教師】提出問題讓學(xué)生思考、討論，并隨機抽取學(xué)生回答放在桌子上的水杯受幾個力的作用？?【學(xué)生】思考、討論、回答?【教師】根據(jù)學(xué)生的回答，引入受力分析1）受力分析在工程中，為了解算未知作用力，通常需要利用已知力和平衡條件列平衡方程，因此必須先分析構(gòu)件的受力情況，確定各個力的作用點和作用方向，這個分析過程稱為構(gòu)件的受力分析，所要分析的構(gòu)件稱為研究對象。2）受力圖為了明確研究對象的受力情況，可以將其從周圍物體對它的約束中分離出來，單獨畫出簡圖，這個過程稱為選取研究對象或選取分離體。解除約束后的物體稱為分離體，在分離體上標(biāo)示出所有已知力和未知力的示意圖稱為物體的受力圖。畫受力圖是對物體進(jìn)行受力分析的第一步，也是最重要的一步，其一般步驟如下。（1）確定研究對象，解除約束，畫出分離體的簡圖。（2）依據(jù)已知條件分析主動力，畫出分離體上的全部主動力。（3）根據(jù)研究對象的約束類型進(jìn)行受力分析，并在分離體上畫出約束力。【學(xué)生】聆聽、思考、理解通過教師講解、課堂互動、舉例分析等教學(xué)方式，幫助學(xué)生掌握約束和約束力的概念、常見的約束類型、受力分析的方法和受力圖的繪制方法課堂實訓(xùn)

（18min）【教師】請同學(xué)們練習(xí)以下例題【例2-2】如圖所示，桿AB受力F的作用，桿件自重均忽略不計，試畫出桿AB和桿BC的受力圖?！緦W(xué)生】觀察、思考、討論、練習(xí)、回答【教師】對照學(xué)生的回答，板書講解上述例題【解】（1）畫桿BC的受力圖。選取桿BC為研究對象，由于桿BC僅在B、C兩處受鉸鏈約束，因此桿BC為二力桿。由于桿BC在C端受固定鉸鏈支座約束力的作用，方向由C指向B，因此根據(jù)二力桿的受力特點可知，桿件BC在B端受到的約束力為，方向由B指向C，如圖所示。（2）畫桿AB的受力圖。選取桿AB為研究對象，桿AB受到外力F的作用，且在B端受桿BC對它的約束力作用，在A端受到固定鉸鏈支座的約束力的作用。由于與互為反作用力，因此根據(jù)作用力與反作用力定律可知，與等值、反向。利用三力平衡匯交定理來確定三個力的方向，從而畫出桿AB的受力圖，如圖所示?！緦W(xué)生】聆聽、思考、理解【點撥】在畫受力圖時，應(yīng)注意以下問題：①必須明確研究對象；②不要多畫力，也不要少畫力；③約束本身在受力圖上不能畫出，而要用約束力代替；④在分析兩個物體之間的相互作用時，作用力的方向一經(jīng)確定，反作用力的方向必然與它相反。通過課堂實訓(xùn)，加深學(xué)生對知識的理解，幫助學(xué)生強化知識點的記憶第二節(jié)課互動導(dǎo)入（5min）【教師】組織學(xué)生完成以下任務(wù)，并隨機邀請學(xué)生展示分析結(jié)果以鏟車為研究對象，以鏟車的鏟子為研究對象，以桁架為研究對象，畫出受力圖，分析所有受力圖所受各力的特點?！緦W(xué)生】聆聽、思考、繪制受力圖、進(jìn)行分析、展示分析結(jié)果【教師】總結(jié)學(xué)生的分析結(jié)果，引入平面力系通過互動倒入，回顧上節(jié)課所學(xué)知識，引入新的課題傳授新知

（15min）四、平面力系【教師】新知講解1．平面力系的分類若力系中各力的作用線都在同一平面內(nèi)，則該力系稱為平面力系。根據(jù)各力作用線位置的不同，平面力系可分為平面匯交力系、平面平行力系、平面力偶系和平面任意力系，（詳見教材表2-2）。2．平面任意力系的簡化平面任意力系是工程中一種最常見的力系，許多工程計算問題都可簡化為平面任意力系問題加以解決。如圖（a）所示，剛體受平面任意力系的作用。取任意點O作為簡化中心，根據(jù)力的平移定理，將各力向O點平移，得到一個匯交于O點的平面匯交力系，以及一組附加力偶系，如圖（b）所示，則有如圖（c）所示，平面匯交力系可以合成為一個作用于O點的合矢量，它等于原力系中各力的矢量和，稱為原力系的主矢，有（2-6）（a）（b）（c）附加力偶系可以合成為一個力偶，稱為原力系對簡化中心點O的主矩，它等于附加力偶系中各力偶的代數(shù)和，即（2-7）【學(xué)生】聆聽、思考、理解【點撥】平面任意力系向某一點O簡化時，一般可得到一個主矢和作用在相同平面上的主矩。其中，主矢的大小和方向與簡化中心的位置無關(guān)，而主矩的大小與簡化中心的位置有關(guān)。因此，主矩必須標(biāo)明簡化中心，簡化中心用主矩符號的下標(biāo)表示?！径嗝襟w教學(xué)】?【教師】要求學(xué)生通過“文旌課堂”APP掃描二維碼“平面任意力系平衡的充分必要條件”，觀看微課視頻，學(xué)習(xí)平面任意力系平衡的充分必要條件知識?【學(xué)生】觀看、思考【教師】新知講解3．平衡方程及其應(yīng)用平面任意力系平衡的充分必要條件為：力系的主矢和對任意點的主矩都等于零，用公式表示為（2-8）（2-9）將上述平衡條件進(jìn)行轉(zhuǎn)化，即可得到平面任意力系的平衡方程。平面任意力系的平衡方程主要有基本式、二矩式和三矩式等，如表2-3所示?；臼蕉厥饺厥轿矬w在平面任意力系的作用下處于平衡時，可利用平衡方程求解未知力，其步驟如下。（1）根據(jù)題意選取研究對象，畫出受力圖。（2）建立適當(dāng)?shù)闹苯亲鴺?biāo)系，使盡可能多的力與坐標(biāo)軸處于特殊位置，力矩中心盡量選在未知力的交點上。（3）平衡條件【學(xué)生】聆聽、思考、理解通過教師講解、課堂互動、舉例分析、多媒體等教學(xué)方式，幫助學(xué)生掌握平面任意力系平衡方程的原理及應(yīng)用課堂實訓(xùn)

（10min）【教師】請同學(xué)們練習(xí)以下例題【例2-3】如圖所示為車削工件外圓示意圖，車刀刀柄固定在刀架上，形成固定端約束。車刀伸出長度，車削時車刀所受切削力，切削力與工件軸線夾角為65°，試求車刀在刀架固定處所受的約束力?！緦W(xué)生】觀察、思考、討論、練習(xí)、回答【教師】對照學(xué)生的回答，板書講解上述例題【解】選取車刀為研究對象，畫出其受力圖，如圖（b）所示。車刀所受的力包括主動力F，固定端的約束力和，以及約束力偶（假定為逆時針方向）。建立直角坐標(biāo)系，根據(jù)平衡條件，列出如下平衡方程將，代入方程，求得，，。【學(xué)生】聆聽、思考、理解通過例題講解，加深學(xué)生對知識的理解，幫助學(xué)生強化知識點的記憶任務(wù)實施

（10min）【教師】組織學(xué)生以小組為單位根據(jù)表格中的要求，分析此時桿AB和桿AC的受力情況，并填寫“任務(wù)工單2.1”如圖所示為某工廠使用的簡易起重裝置，它正在垂直勻速提升一箱重力為50kN的物料。設(shè)滑輪是光滑的，且不計滑輪、繩子和桿的質(zhì)量?！緦W(xué)生】觀察、思考、討論、練習(xí)、填寫任務(wù)工單【教師】根據(jù)各組學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行評價，并填寫任務(wù)工單中的考核評價表【學(xué)生】結(jié)合自身表現(xiàn)和教師的評價，對本次任務(wù)進(jìn)行總結(jié)通過任務(wù)實施，加深對所學(xué)知識的理解，并將理論應(yīng)用到實踐中，做到學(xué)以致用課堂小結(jié)

（3min）【教師】簡要總結(jié)本節(jié)課的要點本節(jié)課主要學(xué)習(xí)了約束和約束力的概念，常見的約束類型，受力分析的方法，受力圖的繪制方法，平面任意力系平衡方程的原理及應(yīng)用等內(nèi)容。希望同學(xué)們能夠通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，掌握構(gòu)件受力分析的方法，為學(xué)習(xí)后續(xù)有關(guān)知識、解決工程問題打基礎(chǔ)?！緦W(xué)生】總結(jié)回顧知識點總結(jié)知識點，鞏固學(xué)生所學(xué)知識作業(yè)布置

（2min）【教師】