Question

13．如图所示，斜拉桥是大跨径桥梁最流行的桥型之一，它是将主梁用许多钢索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系．我国至今已建成各种类型的斜拉桥100多座，已成为拥有斜拉桥最多的国家，其中连接苏州和南通两市的苏通大桥为世界斜拉桥第二跨，2008年6月30日建成通车，全长34.2km，主跨1088m，是我国建桥史上工程规模最大、综合建设条件最复杂的特大型桥梁工程．

斜拉桥的建设，用到了很多物理学的知识和研究方法，将大桥的结构进行简化，取其部分可抽象成如图（d）所示的模型．
（1）通过图（d）可以看出它用到了杠杆的相关知识，其中O是支点，F₁代表桥重和过往车辆等对桥的作用力．
（2）为了减小钢索承受的拉力，在需要与可能的前提下，可以适当增加桥塔的高度，其原因是增加桥塔的高度，可以增大拉力的力臂，拉力会随之减小．
（3）请你来设计新的斜拉桥，你还有什么方法可以减轻钢索承受的拉力使用新型材料，减小桥自重（写出一种方法即可）．
（4）在上述的研究中，我们用到了物理学中很重要的一种研究方法：模型法．建立模型可以帮助人们透过现象，忽略次要因素，从本质认识和处理问题，还可以帮助人们显示复杂事物及过程，帮助人们研究不易甚至无法直接观察的现象．在物理的学习中，你在研究哪些问题时也用到了这种研究方法？请举一例具体说明研究磁场时，引入“磁感线”．

Answer 1

分析 （1）通过图示的模型结合杠杆的定义，即可确定它用到的相关知识．
（2）通过桥高度的变化，结合图示模型分析出杠杆五要素中哪个量发生了变化，然后再利用杠杆平衡条件分析出原因．
（3）由于钢索克服的是桥重和过往车辆等产生的对桥的压力，从这个角度来减轻钢索承受拉力；
（4）光线、磁感线的学习用到了模型法．

解答 解：（1）图丁所示的模型，可以看做是一个在力的作用下静止在水平位置的硬棒，结合杠杆的定义，即可知道它就是杠杆的模型．所以用到了杠杆的知识．其中O是支点，F1代表桥重和过往车辆等产生的对桥的作用力．
（2）由图可知，若增加塔桥的高度，即增加了支点O到F2的距离，即增大了动力臂L1，根据公式F₁=$\frac{{F}_{2}{L}_{2}}{{L}_{1}}$，可以得到，在阻力和阻力臂不变的情况下，动力臂越大，动力越小即桥对钢索的拉力就越小．
（3）由于钢索承受的是桥重和过往车辆等产生的对桥的作用力，所以要减轻钢索承受的拉力，就要从减轻桥的自身重力和载重汽车的最大载重量来入手考虑．即使用新型材料，减小桥自重；限制载重汽车的最大载重量．
（4）在研究磁场时，引入“磁感线”；采用的是理想模型法；磁场看不见、摸不着，在探究“通电螺线管磁场”的实验中，为了研究通电螺线管周围的磁场分布情况，我们通常选用小铁屑做实验来显示其周围的磁场分布情况，通过观察通电螺线管的外部磁场分布情况，可以看出：通电螺线管周围的磁场分布与条形磁铁的相类似．
故答案为：（1）杠杆；支点；F₁．
（2）增加桥塔的高度，可以增大拉力的力臂，拉力会随之减小．
（3）使用新型材料，减小桥自重．
（4）研究磁场时，引入“磁感线”．

点评 将图示的钢索斜拉桥抽象成杠杆模型是解决此题的突破口；将所学的物理知识与生活实际相联系．