力学分析的方法范文

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篇1

中图分类号：TB12-4 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2014）-08-00-02

工程力学是人们对工程实际问题的分析研究、不断的总结经验而逐步发展起来的一门自然科学理论。《工程力学》教科书中，从工程力学的基本概念、基本公理讲起，逐步深入。例题也是经过简化抽象出的力学模型，其结构、约束、载荷都是典型化、标准化的，而没有说明力学模型是如何从工程实例中简化抽象出来的。目前，国内高等院校中的机械工程、土木工程、航空工程及相关专业普遍开设工程力学课程，所用教材大同小异，不同程度地存在理论脱离实际的问题。学习了工程力学课程后的大学生们，能够基本理解和掌握工程力学的基本概念、基本理论和基本方法。但是，当遇上工程实际问题时，就会感到茫然不知所措。因为工程实际问题都是较为复杂的结构，不是教科书中的标准拉杆、标准简支梁，各结构间的连接方式有焊接、铰接，不是书中标准的约束形式，载荷也不是给出的，需要去调查或实测，无法直接应用工程力学理论去分析研究，不知如何下手。这也是新毕业大学生就业难的原因之一。

理论脱离实际，大学生们缺乏解决工程实际问题的能力这个问题，明显地摆在各工科高等院校面前，摆在高校各级领导、广大教师和学生面前，急待解决。

通过专业课学习解决理论关系实际问题当然是一个有效途径。但是，受到教学时间、教学内容等诸多因素的限制，只靠在大学后期阶段的几门专业课学习是解决不了问题的，而且已显为时较晚。那么，强调要在大学教学的全过程中贯彻落实理论联系实际的思想并硬性规定，在技术基础课中安排一定学时的工程实训教学，是完全必要的。

一、问题

如何搞好工程实训教学？这个问题又摆到了任课教师的面前。

如何做到从工程实际中简化抽象出力学模型是搞好工程力学实训教学的关键一环，也是最基本的内容。而在普通工科高等院校中，过去和现在都没有搞过这类实训教学，无可借鉴。但我们可从以下三方面去探索：第一，听取老大学生的实际工作经验；第二，认真分析已有力学与工程实际的关系；第三，借鉴相关学科知识。经过边探索、边实践、边总结，归纳总结出了从工程结构分析开始，从中离散出简单构件，再简化抽象出力学模型，进而进行力学分析计算，得到结论及给出对原工程结构设计的评价及改进意见，这样一个对工程结构进行工程力学分析全过程的方法。现以流程图的方式表达如下：

工程结构力学分析流程图

对上述流程图简要说明如下：

㈠在对工程结构进行力学分析、对构件、约束、载荷进行简化抽象时，应遵循以下原则：

1.分清主次，注意转化。既要抓住主要因素，略去次要因素；同时要注意，在一定条件下，有些次要因素可能转化为不可忽略的重要因素。

2.雅俗对照，约定俗成。即要把理论（雅）的东西和工程实际（俗）的相关东西进行比对，形成相应的简化关系；特别是有些已经形成定式的简化结果（如木结构连接就简化成铰接），就不能再变了。

3.由繁而简，先分后和。工程结构都比较复杂，直接对构件整体作力学分析是很困难的。一般应先分析结构的构成及各构件间的连接方式；然后，将构件间的连接方式作为相互的约束进行简化处理，离散出简单构件；进而对构件及相关载荷进行简化，得到力学模型。在对力学模型进行力学分析后，再回到整个结构中，作综合的分析处理。

㈡力学模型三要素。简化抽象出的力学模型必须具备三个要素：构件、载荷和约束，缺一不可。

㈢力学分析三要点。应用力学理论和方法进行分析研究有三个出发点：强度、刚度、和稳定性，并分别给出结论。

㈣综合评价三方面。对各构件分析后，再回到对工程结构整体的分析评价，应用工程标准和力学标准进行安全性、经济性和科学性三个方面的评价。

㈤在得出了对原工程结构的评价之后，自然会产生对原设计的改进意见。

依据上述分析方法，我们“挂壁床”、篮球架、纲目结构桥、吊扇、桌连椅等多种工程结构进行了工程力学分析研究；更准确地说，也是在进行分析时，不断地归纳、总结、完善分析方法。现以“挂壁床”为例，说明分析的全过程。

“挂壁床”是烟台南山学院学生宿舍中普遍使用的学生用床，如图所示。

该床由三部分组成：两个床头、一个床身。床头是一根50×50×4的角钢弯成直角的两边，与一根外径35mm圆钢管弯成直角的两边焊接成的矩形框架，框架中还焊有3根外径为20mm的圆钢管。床身是2根40×40×3的角钢由5根外形为20×20的方钢管焊接在一起而形成。由4根M8的螺栓将床身和床头连接在一起形成了整床；又各用2个膨胀螺栓（M16）将床头固定在墙上，形成了“挂壁床”。

根据床的结构和连接方式，拆开4个M8的螺栓，即可将床离散为三个简单构件，即两个床头和一个床身。这是第一步。第二步，将已离散出的较简单构件转化为力学模型。先看床头，它一端固定在墙上，相当于固定端，另一端自由；当人坐在床沿上时，人的体重将由床身传至与之相连接的床头自由端处；于是就得出了在自由端作用有集中力的悬臂梁。床身即可视为两端铰支、受有几个集中力作用的简支梁。考虑到几个人同时坐在床沿上的情况较多、而且此时床沿角钢比墙边角钢承受更大载荷，处于较危险状态，应予重点分析。考虑到两根角钢要同时发生弯曲变形，而且变形之差比连接两角钢的方钢管尺寸小得多（约1%），两角钢间的相互作用很小，可以略去。于是就得到了以床沿角钢为简支梁、其上有几个集中力作用的力学模型。到此即完成了力学模型的简化抽象工作。

接下来的是对载荷的分析。当一个人坐在高度为0.5m的床沿上时，两脚放在地面上，地面会分担体重的20%左右，墙边角钢也会分担体重的20%左右，余下的60%由床沿角钢承担。常见的较严重的情况是4个学生同时坐在床沿上。由于床板的作用，会使4个人的体重的60%平均地分配到5根方钢管与床沿角钢的焊接处。以每个大学生体重为600N计，则可视为简支梁上作用有5个290N的集中力；而总重量的一半以集中力的方式作用在悬臂梁的自由端，约为720N。

载荷确定后，即可进行强度及刚度分析计算。对于悬臂梁，集中力对固定端处的弯矩Mmax = 612N・m，由此引起对固定床头的上部螺栓的拉力1.5KN。据查，该螺栓的许可拉力为21KN，可见其强度储备很大。对于简支梁，最大弯矩Mmax=304N・m，角钢的抗弯截面系数W2 = 1.23×10-6 m3，则σmax = 245MPa，梁中点的最大挠度ω=13 mm。我们还对4人坐床沿时的变形进行了实测：悬臂梁自由端挠度为2.1 mm，简支梁中点挠度为15 mm。上述实测挠度值与计算结果完全吻合。由此可以认为，我们所进行的力学模型的简化抽象以及对载荷的估计是基本正确的。

根据上述分析，可对“挂壁床”作出评价及提出改进意见。

二、评价

设计思想新颖，结构合理，经济实用，安全可靠。床头结构设计巧妙，既有很高的承载能力，又是很好的床头护栏；而且用于固定床头的膨胀螺栓有很大的强度储备。床身的强度和刚度能满足一般正常要求，但在严重情况下（如4、5人同时坐在床沿上），强度和刚度都显不足；而且变形较大且不均匀时，会引起很大噪声，影响休息。

三、改进建议

针对上述例子分析，为增加“挂壁床”强度和刚度，提出下列建议：

1.将床沿角钢由40×40×3改为40×40×4，既不改变外观情况，又可增大强度和刚度，可使4人同时坐床沿时的最大应力降至190MPa，最大挠度降至10mm。

2.将固定用螺栓穿墙双挂。即把相邻两宿舍的两张床背靠背地用同一根螺栓固定在同一面墙上，既节省材料，又大大提高了防地震能力。

以上只是对工程结构的力学分析方法和工程力学实训教学的初步探索。还需要逐步提高水平，把实训教学活动提升到实训教学课的高度上来。

参考文献：

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引言

传统物理教学模式中存有一定的弊端因素，采用灌输式的教学方式，使得学生对物理失去了原有的兴趣。其次在物理实验编排方式上没有合理性的依据，甚至没有对物理进行实验编排，造成学生对物理知识不能进行深层次程度的理解。而在新课标现代物理教学模式中，采取了有效措施，其中在讲解方式上不在是原有以教师为中心，而是转化至以学生为中心的教学模式。物理实验编排方式要有所依据性，内容由浅入深，依次递进。

一、现代初中物理教学现状

物理本身具有一定的抽象性，没有一定的实验指导。并且教师在教学方式中没有以学生为中心，而是以自身为主导位置。即使学生在物理教学中存有问题，也不愿意在课堂中提出相关问题。其次物理课本存有的公式较多，针对不同的情况，采用不同的物理公式，并且针对不同的推导公式，最后导出了结果也具有一定的偏差。其中在物理热学推导公式中，Q=I2Rt,该公式适用于存电阻电路的推导定理，已知量为电路中存在的电流、电阻以及在该电路流经过的时间t便能求出在等效时间内求出的功耗热值。在一般的推导公式中，已知电压U和电流I也能求出损耗的热值。针对不同的已知量选用的热值公式也不尽相同，但初中学生不能进行透彻的理解，随意用电路实验中的数据信息，导致推导的结果与原有的实验数据存有较大的数据差距。其次便是在物理实验组织策略上也存有盲目性，有些物理教学一定要参考适当的物理实验，这样才能让学生更好的理解。例如：在初中物理浮力教学案例分析中，F浮=ρgh2*S-ρgh1*S，该公式适用于物块完全浸没在水中所受的浮力大小。假设教师没有进行实验指导，只是单凭让学生知道求解浮力的推导公式，其中在高度h上便存有理解上的错误，针对大多数学生理解为物块的高度，实际上是在水中沉浸的高度，所以传统物理教学方式无论是在教学模式还是在教学推导公式顺序上都存有一定的弊端因素。

二、物理教学方法论述的优化途径

1、物理理论结合实际教学

新课标物理教学模式推出后，对物理教学方法的论述进行了优化分析。其中在物理理论上注重实际的操作能力，教师在进行物理授课时要联系授课的内容、关键点。在此基础上进行适当的案例分析，或者在案例分析的基础上进行物理实验的演示。例如：在电学案例分析时，若要求在纯电阻电路分析中，要求求出电路中损耗的热值。其中对于R、电流I的求解过程，电流I为整个电路的总电流，若为串联电路，电流为线路中的总电流，电阻为电路中的损耗电阻。教师在设计物理实验时，要把各个电阻进行有序的排序，经过电流接通后，用电压表、电流表测量出每个用电设备的电流、电压。再通过物理实验分析后，学生对该物理求解过程有更深层次的理解。

2、加强教学创新意识

在加强物理创新意识上，新课标也推出了新策略。不是采用传统灌输式的教学模式，而是采用提问的方式，并且提问方式要有针对性。教师不再是原有以自我的教学理念，转变为学生的思考角度。让学生切身体会到物理真正存在的乐趣，例如：在推导力学课程中，分析物体所受力的情况。在讲解过程中，有些同学在理解程度上达不到课程深度的要求，所以在新课标教学题材中，加强了教学的创新意识，让同学分析不同材料物质所受力的情况。分析动摩擦因素与物质的材料有关与其他外界因素无关，教师在课堂中提出不同的物质所受力的情况，让学生进行实验操作，加强物理创新意识，这样才能让学生对物理实验有更深层次的理解。

3、运用物理教学情景模式

在优化分析模式上采用现代物理教学情景，利用多媒体的教学情景模式，随着现代科学技术的不断发展，学校在教学方式上逐步采用多媒体的教学理念，多媒体融入了声音、动画、视频、文字等多种素材。这样的教学模式不会对学生造成心理的紧张。传统教学方式上都是采用口述的形式，长期的演化使得学生对物理课程产生了反感。利用多媒体的教学案例在实际教学案例中具有广泛的应用，例如：在小孔成像实验过程中，不同的物距产生的影像也不相同。

4、引导学生物理知识的转变

有些学生在思想转变模式上存有差异性，主要是因为有些物理原理在实际生活中起不到任何作用，所以有些学生便会物理失去了原有的兴趣。在新课标物理教学方法优化途径中，针对物理知识的转变思想采取了对应的解决措施。例如：在动滑轮和静滑轮省力分析实验中，要对学生进行实际工业中的具体案例分析，例如：利用塔吊进行重物的提取过程，将铁钩挂在要进行提升的重物上，滑轮也随着重物的提升也发生相应的变动。并且还要进行反面的总述，利用静滑轮也进行相应重物的提取，查看承载力的范围。最后通过实验分析，得出实验结论，这样理论联系实际的案例分析，可以改变学生对物理知识的转变。

结语

通过对初中物理教学方法论述的优化分析，在解决策略方式上提出了几点参考性的依据。这种新型模式的教学方式在今后物理教学应用中将会得到广泛的应用，不但能够激发学生的学习兴趣，而且还符合当代教学的创新模式。

参考文献

[1]周炳祥.浅谈初中物理实验及其概念教学[J].牡丹江教育学院学报，2004,13（25）：13-15

[2]董永天.浅谈初中物理教学的趣味性[J].科学大众，2009

[3]石桂英.初中物理教学方法选择与创新探究[J].中国校外教育，2013（04）

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1.首先需要病理学的基础理论方面

要想在病理学教学中应用研究性教学，首先需要使学生能够对其中的基础理论进行深入的理解，病理学当中的一些基础理论看似比较简单，但是对之后的病理学学习有着较大的帮助，其中的一些基础知识还会具有一定的临床意义，由于病理学的学习内容较为复杂，在其中各个环节结合在一起的情况下，往往会使学生处于一直能够比较茫然的状态下，在这样情况下，需要教师能够在病理学的基础上，引导学生对这些基础知识进行学习并理解，使学生能够灵活的利用这些基础知识来进行以后的学习，例如在对血液循环障碍进行学习的过程中，这样的病理知识看似十分简单，但是通过应用研究性教学方法，来引导学生深入的对这些理论知识继续学习之后，可以结合相关的医学调查，来对西方人与中国人的动脉粥样硬化发生率进行研究，在这样的情况下，不能能够使学生对血液循环障碍的基本内容有了更深的理解，同时这样的教学内容具有一定的临床意义，会使学生对这样的病理特征印象更加深刻。

2.结合实际病例来进行研究性教学

在对病例学进行教学的过程中，由于病例学的教学内容较为复杂，知识靠讲解来对病例学教材进行讲解的话，讲解的内容会比较抽象，在这样情况下，会使学生不能够充分理解此病例的具体特征，另外，单纯理论堆砌会使学生的学习兴趣逐渐降低，为了改变这一状况，在进行研究性教学的过程中，可以结合相应的病例，来对病理学的内容进行讲解，比如在对炎症细胞的运行状态进行讲解的过程中，教师可以结合相关的病例，通过音频等方式来对炎症细胞的运行状态和游出进行讲解，在这样的情况下，可以使学生们对炎症细胞的分类和形态进行掌握，在学生掌握了炎症细胞的具体运行状态之后，可以借助已经掌握的信息来对炎症发生的基本机制进行分析，从而达到自主学习的目的，另外，通过实际案例的音频教学，可以使枯燥的理论知识变成形象的影像资料，在一定程度上提高了学生的学习兴趣，调动了学生的学习积极性。

3.开展相应的医学实验

在病理学教学当中应用研究性教学方法的过程中，需要结合相关的病理学基础知识，开展相应的医学实验，在病理学的教学过程中，其中的教师大部分都有自己的科研内容，在这样的情况下，教师可以结合病理学的教学内容和自己的科研内容，将病理知识进行实时更新，并且可以根据学生的学习情况，使学生参与到教师的科研任务当中，这样在一方面可以加深学生对基础知识的理解，另外还可以使学生增加其动手实践能力，培养学生的自主学习能力。

4.结合临床的病理医疗事故来进行研究性教学

病理学是医学教育中重要的组成部分，一般情况下，大部分医生都根据病理情况来对患者进行诊断，但是由于这样的情况，大对数的病理学诊断事故也是由此发生的，教师可以结合相应的病理医疗事故，来进行研究性教学，在这样的情况下，可以引起学生的强烈反响，另外，一些负面的病理可以提高学生的警觉性和综合素质，防止在以后的实际病理医疗当中出现类似的情况。

5.病理学教学中的研究性教学方法的应用优势

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1.思想放松

刚进入高中的学生思想易松懈,而高中物理的难度远非初中物理能比,需要三年的艰苦努力,加上高考的内容源于课本而高于课本,具有很强的选拔性,如果高一基础太差,指望高三突击,其缺漏的很多知识是非常难完成的,实践表明多数同学会落空。

2.忽视基础

一些天赋甚高的同学,常轻视基本知识、基本技能和基本方法的学习与训练,经常是知道怎么做而不去认真演算书写,只对难题感兴趣以显示自己的“水平”,好高骛远,重“量”轻“质”,陷入题海,到正规作业或考试中不是演算出错就是中途“卡壳”,解题只追求答案的正确性,书写不规范,考试时丢分也很严重,久而久之就失去了对物理学习的兴趣。

3.被动学习

一些同学进入高中后,还是有很强的依赖心理,习惯跟随老师运转,没有掌握学习主动权。比如坐等上课,课前没有预习,对老师要上课的内容不了解,上课忙于记笔记,没听到“门道”,没有真正理解所学内容。由于各科信息量都较大,如果不能主动有效地复习,前学后忘的现象比较严重。

4.学不得法

部分同学上课没能专心听课抓不住重点难点,不能体会物理思想方法,对要点没听到或听不全,笔记记了一大本,问题也有一大堆,课后又不能及时巩固、总结、寻找知识间的联系,只是赶做作业,乱套题型,对概念、法则、公式、定理一知半解,机械模仿,死记硬背。培养良好的学习习惯,体会 “死记硬背”与“活学活用”的区别,掌握好的学习方法。

三、转化学困生的方法

1.培养自主学习的习惯

教学是教师的教和学生的学共同的双边活动,教师的教只有通过学生积极、主动的学,才能发挥作用。教师必须认同学生有自主学习的愿望,并且初步具备自主学习的条件。教师的任务是创设一种有利于学生学习潜能发挥的情境,使学生的学习潜能得以充分发挥。因而在教学中不可面面俱到,应尽量缩短讲课时间,教材中凡是学生能看懂的内容一律不讲,留给学生更多时间,让他们充分思考,不懂的问题在课堂上大胆提出来,师生共同分析、相互交流,引导学生主动参与、乐于探究,使其真正成为学习的主人。

2.培养思维能力

(1)培养学生的抽象概括能力。物理教学中多举实例、多使用教具,让学困生大胆地把生活实际抽象概括为物理语言,要求学困生多读教材、教师多辅导,使他们正确把握概念的内涵、关键词、句,以便在解题中能准确无误,举一反三的应用。

(2)加强思维品质强度、广度的训练。为了克服不足,提高抽象思维的强度和敏捷性,教学中可有意识地进行如下训练:①进行限时达标训练。对于作业或课外练习不能没有时间约束,要求学生做作业时一定要给自己一个时间界限,譬如一节课中要完成、二十分钟完成等等;对于稍难的、比较优秀的试题要求集中力量进行练习。②重视发散思维的训练。发散思维是创造性思维的一种形式,它沿着不同的方向去思考,有利于克服学困生思维呆板、思路多年来狭窄的缺点。 “一题多问”、“一题多思”、 “一题多解”是训练发散思维的好办法。

3.循序渐进

很多学生反映高中物理一学就会,一用就错,一放就忘,这说明学生对所学知识了解不深刻,掌握不全面。因此,在教学过程中不能操之过急,对所学的知识不能要求学生一次到位,而应根据学生实际情况,适当放慢速度,使学生对概念的理解和掌握随着认识能力的提高螺旋式上升。

如在《牛顿第二定律》一章的教学中,为使学生较好掌握定律中加速度和力的关系及各物理量的物理意义,应先将有关概念作为预备知识总结归纳,如力的概念、合力与分力的概念、加速度概念及牛顿第一定律等,以扫除定律学习中的障碍,再进行定律的实验和理论讨论。在安排学生练习时要注意题型和难度的控制,先练习水平面上的问题,再逐渐深人到斜面问题;先分析物体受一个力的问题,再逐渐深入到物体受两个、三个力的问题;先研究单个物体问题,再逐渐深人分析连接体问题。

4.化解分化点

高中物理知识易分化的地方多,这些地方一般都有方法新、难度大、灵活性强等特点。对易分化的知识,应当采取多次反复,加强辅导,开辟专题讲座,指导阅读参考书等方法,将出现的错误提出来让学生议一议,充分展示他们的思维过程,通过变式练习,提高他们的鉴赏能力,以达到灵活掌握知识、运用知识的目的。

总之,我们要充分认识高中学生在物理学习上的特点和现实困难,尊重学生的基本实际,多想办法,研究规律和遵循规律,才能更好地帮助学生跨越物理难学的这道坎。