【技术与设计2】 第一单元《结构与设计》第一节 常见结构的认识

第一单元 结构与设计
第一节 常见结构的认识

【教材版本】
本课程采用苏州教育出版社《技术与设计2》。
【设计理念】
引导学生通过生活观察和技术试验，对简单结构进行强度与稳定性分析，解释它的强度高或低、稳定或者不稳定的原因。引导学生进行实验，也可以让学生自己根据生活经验、兴趣爱好和已有条件，自行设计和制作实验，并得出结论。
指导学生对技术实验与观察的过程进行记录，并按照比较规范的格式写出实验报告，从而培养良好的实验作风与习惯。
【教学内容分析】
本课是《技术与设计2》第一单元“结构与设计”的第一节“常见结构的认识”的第一课时。世界上任何事物都存在结构,结构多种多样且决定着事物存在的性质。本课时要通过展示自然界中形形色色的结构图以及对这些结构分析和研究,使学生明白“结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列”。要让学生知道为什么要学习“结构与设计”，自然界中形形色色的结构给了人们无限的创造灵感和启示。人们将其成果应用到技术领域, 是为了更好地服务于人类。本课时还要讲解构件的基本受力形式：拉力、压力、剪切力、扭转力和弯曲力，讲解应力概念。当一个结构受到外力作用时,内部各质点之间的相互作用会发生改变, 产生一种抵抗的力,称为内力。应力从认识常见的结构开始,通过学生熟悉的事例,展开技术视野中的力与结构讨论, 通过有趣的小试验, 强化对不同类型结构的特点的理解。
课时安排：2课时。
【学情分析】
学生对结构虽有一定的了解，对结构的功能和分类也有一定的基础。但较为零散，模糊。另外，学生在物理课中已学习了有关力学的知识，对物体的受力分析有比较好的基础。但是由于受力分析是物理课教学中的难点，多数学生在受力分析中还是有困难的，所以在教学中还要利用模型演示形变的情况，分析说明拉力、压力、剪切力、扭转力和弯曲力等。
【教学目标】
1.知识与技能：
（一）了解结构的含义。
（二）能从力学的角度理解结构的概念和一般分类。
（三）能结合1~2种简单的结构案例，分析结构是如何承受力的。
2.过程与方法：
阅读理解、案例分析、交流讨论、多媒体展示、师生互动。
3.情感态度和价值观：
能认识到力对结构会产生重要影响，合理的受力是结构存在的重要条件。
【教学重难点】
1.教学重点：
掌握结构与力。
2.教学难点：
理解应力与内力的概念，学会从技术的角度分析事物的受力。
【教学资源】
人体骨胳标本或其它生物标本、有关事物结构的电子图片、苍耳子、尼龙搭扣、自行车、橡皮泥、座椅、简易桥梁演示器、多媒体设备。
【教学过程】
[导入新课]
（一）《技术与设计2》的简单介绍：
同学们，我们生活在科学技术高度发达的时代。我国载人航天成功, 实现千年邀游太空梦; 长江三峡顺利截流发电, 高峡出平湖; 水稻育种结硕果, 世界领先……我们今天努力学习技术, 是为了明天把我们的国家建设得更加美好。
前面一册书我们学习了设计的基本知识，熟悉了设计的一般过程。我们将要学习的通用技术必修2, 应用广泛, 具有宽广的迁移价值。“技术与设计2”中的“结构与设计”“流程与设计”“系统与设计”“控制与设计”等四个主题都是具体的、通用的技术, 它们具有典型意义, 并与技术的发展密切相关联。学习这些技术与设计的基本思想和基本方法, 将使我们终身受益。同时也将使我们适应新世纪的科技发展、知识经济发展以及社会可持续发展的需要,成为有用的人才。
这一节课就开始第一单元的学习——结构与设计。
第一单元 结构与设计
第一节 常见结构的认识
认识结构，分析影响结构的稳定性和强度的主要因素，将使我们理性的观察和对待世间奇妙的结构现象，将使我们学会进行简单的结构设计。
说到结构，我们知道任何一件事物都有自己的结构，大的我们可以看见的椅子，课桌，他们有自己的结构。小的到我们化学中学习的分子也有自己的结构。可见一件事物只要它存在，那它就一定会有自己结构。所以我们说结构无处不在。
展示：
1、无处不在的结构：
人们每天都在与各种各样的结构打交道。游乐场里的游乐项目让人目不暇接，过山车、旋转飞轮、旋转木马、旋转飞轮等令孩子们流连忘返。观察这些游乐设施，你会惊叹他们结构设计的巧妙和坚固。
（二）案例引入
1)自然界中的结构。
在自然界，相同的物质，不同的结构，表现出不同特性的现象处处可见。
A、同样是水，有液态、气态、固态；
B、同样是碳，但有最硬的固体金刚石和最软的固体石墨存在；
C、化学有机物结构不同性质不同（色素）；
D、同样的六个字“这个人表现好”“这个人好表现”，但因排列不同，就形成了一褒一贬；
E、用同样的材料，做出的结构不同的小板凳就会有不同的特性，有的稳，有的不稳；
F、各种材料组成结构可以使“死的”材料变成“活的”机器。如：发动机、电子计算机、机器人、飞机、火箭……
世界上任何事物都存在结构,结构多种多样且决定着事物存在的性质。
（1）引导学生观察结构图。
引导学生分析蜂窝的结构。这种结构的优点在哪里？
蜂巢：使用最少的材料制作尽可能宽敞的空间，不会出现缝隙，空间使用效率最好。
蜘蛛网：任意两个节点都能找到一条可通过的路径
（2）让学生归纳结构概念：
结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列。
关键词：有序 搭配
结构的各组成部分，通常称为构件。例：人体结构，分子结构，阶级结构，文章的结构，汽车结构，桌子结构，地球结构等。
你是怎样理解“结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列”，“结构多种多样且决定着事物存在的性质”的？
启发：你能否举例说明事物的各个组成部分之间的搭配和排列改变了，事物的性质也发生了改变。
学生举例说出身边常见事物的结构：课桌、圆珠笔、课本、水杯、粉笔盒、书包等
人的染色体有X染色体、Y染色体之分，X染色体、Y染色体不同的搭配和排列，决定这个人是男人还是女人。
形形色色的结构能给人以美的享受，给人创造的灵感和启示。人们将其成果应用到技术领域, 更好地服务于人类。
蚂蚁力量非凡的嘴巴给了科学家们发明推进体系的微型机器人的灵感，美国伊利诺大学香槟分校的生态学家兼昆虫学家安德鲁·苏雷兹他告诉《生命科学》杂志：“如用于营救工作的机器人。”
(3）让学生阅读案例：
苍耳子与尼龙搭扣;
鸟与飞机;
鹰眼与导弹跟踪系统（重点讨论）。
提问：为什么鹰可以在几千米的高空准确无误地辨别地面上的动物？
鹰可以在几千米的高空准确无误地辨别地面上的动物,这是因为它的眼部结构比较特殊。人类每只眼睛的视网膜上都有一个凹槽,叫做中央凹。而老鹰眼中的中央凹却有两个, 这两个中央凹的作用不同, 其中一个专门用于接收来自鹰头侧面物体的像, 另一个用于接收来自鹰头前方物体的像。这样,老鹰的视觉范围就宽多了,能兼顾前方和侧面。根据鹰眼的结构,人们正在研制“ 鹰眼”导弹系统。这种导弹系统能自动寻找、识别目标并跟踪攻击。
提问：除了根据鹰眼的结构,人们正在研制“ 鹰眼”导弹系统以外，你还受到哪些启发？
提问：如果在人类的视网膜上象鹰一样有两个凹槽，世界将会如何变化？
提问：将来运用技术手段在人的视网膜造出两个凹槽,有这种可能吗？
学生：“有这种可能，现在我们能够破译人的遗传密码”。
“可以通过把老鹰的基因移植到人体上来,使人类视网膜具有两个凹槽”。
提问：人与动物相比，在结构上有什么不同？分析其劣势与优势。
看来我们人类好多地方不如动物,不能象鸟一样在空中自由飞翔,不能象鱼一样在水中欢快游荡,奔跑速度不如狗，打斗力气不如虎。人类凭什么能成为动物界的统治者呢
启发学生回答：凭大脑,凭学习,人类把几千年知识在几年十几年中继承过来并在原来的基础上进行创新，现在进入知识经济时代，人类知识总量几年就要翻一番。
教育学生：人与人之间有竞争,而且可能很激烈，能否立于不败之地,在于不断学习。
马上行动
生产生活中还有那些产品的结构是受到自然界事物结构的启发而产生？
船桨（鱼鳍）
人工冷光（萤火虫）
风筝（鹰）
锯（螳螂臂或锯齿草）
车轮（随风旋转地飞蓬草）
潜水艇（海豚）
声纳（蝙蝠）
潜水用的脚蹼（鸭子）
潜水艇的流线型设计（鱼类）
结构不合理就会产生什么后果？
2)技术领域中的结构：
汽车、手机
魁北克大桥的坍塌。
[学生思考]：大桥坍塌的原因是什么？
擅自改变桥的结构。1907年，加拿大魁北克附近的圣劳伦斯河上落成了全球最长的拱桥。该桥采用了比较新颖的悬臂构造，这样的结构非常流行。尽管只比苏格兰爱丁堡福斯河上非常成功的悬臂大桥稍长一点，但魁北克大桥存在设计问题，还未完工就坍塌了。
目前，钢索斜拉桥的技术应用已经达到了极限，远远超乎了设计者们最初的想象。斜拉构造的普遍成功让这种桥型几乎无处不在。于是，桥面长度的日益增长已经步入了曾导致事故的做法后尘。钢索斜拉桥重大事故是否会很快出现，还是会出现在历史提示的2030年，这并不取决于计算机分析，而是取决于桥梁工程师是否了解过去的历史，并下定决心避免事故的重演。
事物的结构影响着事物的性能和功能，合理的结构是事物存在和发展的基础，卓越的结构是设计者和制造者长期的追求。
3) 社会领域中的结构：
师：在社会领域,也普遍存在着结构现象。如：一篇文章的内容结构影响文章的表达与质量, 一家企业、社区、公司的人员、国家的结构结构关乎企业的运行与效率。
通过长安一中教务主任下年级和年级组设立党支部提高教学管理讲解社会领域中的结构。
[马上行动]：
请分别列举自然界、技术领域、社会领域给你印象较深的有关结构的事例？
自然界：天体结构、地球的结构、植物的结构、动物的结构 …
技术领域：汽车的结构、微机的结构、电脑主板的结构、数字控床的结构 …
社会领域：教育管理系统的结构、通用技术的学科结构、课堂教学结构、文化、经济格局等。
2.结构与力
从力学角度来说，结构是指可承受一定力的架构形态，它可以抵抗能引起形状和大小改变的力。
一个较复杂的结构由许多不同的部分组成，这些组成部分通常称为构件。分析讨论自行车的组成构件：自行车车架、车把、传动、座鞍、车轮等。
车轮 - 辐条、轮胎、车圈、气门等。
当一个结构受到外力作用时,内部各质点之间的相互作用会发生改变, 产生一种抵抗的力 , 称为内力。应力是构件的单位横截面上所产生的内力，当应力达到某一极限值时, 结构就会遭到破坏。用公式表示应力为σ =F/s, 其中 ,F 是内力 ,S 是受力面积 , σ是应力。
生活中常见的结构都能抵抗来自外界的各种作用力和自身重力。例如自行车承受人和所载物体的压力及自行车自身的重力；桥墩承受自身重力及负荷的压力、大风的作用力等其它外力。
讨论分析生产、生活中常见结构，要抵抗来自外界力的作用情况：
建筑物的窗户：自身重力、墙体的压力、风力、外来撞击力 …
课桌：自身的重力、手臂的压力、桌山个物体的压力、推拉力、地面对其的支撑力 …
硬纸包装箱：箱内物体的重力、箱内物体向外的挤压力、自身的重力、外界压力、所装载货物的压力 …
构件的受力形式多种多样，基本受力形式：拉力（压力）、压力、剪切力、扭转力和弯曲力。
受力形式 概念 受力形式
拉 力 物体所承受的拉拽力 结构承受拉伸时，作用在结构（经常称为拉杆）上的力是一对方向相反，作用线与拉杆轴线重合的集中力，方向背离杆的底面。其受力实例是吊车的吊绳。
压 力 挤压物体的力 结构承受压缩时，作用在结构（习惯上称为压杆）上的力是一对方向相反，作用线与压杆轴线重合的集中力，方向指向杆的底面。如液压机的顶杆工作时就是受压。
剪切力 两个距离很近 ,大小相等,方向相反,且作用于同一物体上的平行力 结构在受剪切时，结构所承受的力是分别作用在构件相对的两个面上，方向相反，作用线错开微小距离的两个平行力。连接剪刀两个部分的销钉在剪刀工作时就是承受的剪切力，其受力模型如图。
扭转力 反方向向物体两端均匀施力 ,使物体发生扭转形变的力 承受扭转的构件一般都称为轴。它承受的外力是一对作用在轴两端面内，转向相反的力偶矩。
弯曲力 作用于物体 ,使它产生弯曲的力 承受弯曲载荷的构件，一般称为梁。梁在承受弯曲时，受力情况比较复杂，其中一种载荷叫做弯矩。它是作用在过梁的轴线且与横截面垂直的平面内的力偶矩。其作用力是使梁产生弯曲变形。
案例分析P006：人坐在椅子上, 椅面受到的力；行人和车辆通行的桥面受到的力。
马上行动p007：
探究：观察右图,说明石磨的推杆为什么要用一根绳子吊起来。（时间允许可以课堂上完成）
一是保持人在推磨时推杆始终在平行于地面的平面上运动，改变了人推磨时的用力方向，只需前推与后拉，使推磨更轻松；二是防止推杆弯曲变形，可以承载一些推杆的重力。
进一步挖掘：石磨在推动过程中，绳子在空间的轨迹是一个什么图形？
小实验：
指导学生做“纸板承受压力试验”p008：
比较不同形状的纸板承受压力的大小。
试验准备、试验过程（略）
回答问题：
1） 哪种情况下纸板的抗压能力最强
2） 举例说明这一结论在实际应用中有什么意义。
3） 如果把纸板折成瓦楞状,试验结果会发生什么变化
事物结构合理性的基础是能够抵抗来自外界的各种作用力和自身重力的影响。
讨论:技术学科对力的分析与物理学科受力分析的区别？
物理学科：分析物体受到的外力的作用，力作用下物体的外部形状和运动状态的改变及其所遵循的规律。
技术学科：分析物体受到外力作用后，对物体内部结构的影响或要求及其规律。
结构受载荷实例：
任何结构承受的外载荷，都是拉、压、剪、扭、弯中的一种或几种的组合。工程结构的主要功能就是承受和传递各种形式的外载荷，保证结构的可靠工作。
1）秋千的吊索，主要承受拉力；
2）桥梁的桥墩，主要承受压力；
3）连接齿轮和轴的键，主要承受剪力；
4）汽车方向盘的轴，主要承受扭力；
5）单杠的杠体（上面的横杠），主要受弯力；
6）吊扇旋转，吊杆主要受扭力和拉力；
为了保证结构的正常工作，这些构件必须有对于主要载荷的足够的承载能力。这是结构设计中必须考虑的重要问题。
典型结构分析
1）单杠结构分析
⑴各部分名称：杠体，立柱和拉杆。（为什么做成这样的结构？）
⑵杠体的受力与变形：杠体总是朝着人体所在的瞬间位置的方向上发生弯曲。——弯曲力
⑶立柱、拉杆的受力与变形：
立柱：静止时受压力；当人在运动时，对立柱产生弯矩M，使立柱弯曲变形。——怎样做才能保持单杠稳定？
拉杆：人在运动时，拉杆起到辅助立柱抗变形作用。
2）棚室屋架结构分析
⑴棚室荷载与立柱受力：永久性荷载（不随时间变化而变化的荷载）和可变性荷载（随情况变化而变化的荷载）。
⑵梁的受力：梁的上部，受压力，材料被挤压；下部，受张力，材料被拉伸。防止弯曲变形大的方法：增加支撑点。
⑶拱结构的应用
拱结构：中间高四周低，呈弧形的曲面。
应用：在跨度较大的情况下，建筑物多采用拱结构。这样的结构既有利于承载，又美观。
3.结构的类型：
1）实体结构：是指结构体本身是实心的结构。
受力特点：外力分布在整个体积中。
实体结构可以连续传递载荷，适于承受压力。
案例分析：长城、三峡大坝、厨房中的菜板子、实心墙、水库的大坝、古代的城墙、柱子、实心球等。
2）框架结构：是指结构体由细长的构件组成的结构。
受力特点：支撑空间而不充满空间，能承受垂直和水平荷载。
框架结构是由杆件或板件连接而成的，构件可以是空心，也可以是实心；可以是平面框架，也可以是空间框架。由于这种结构用料少，可以承受多种载荷，因此用得很广泛。
案例分析 ：窗户、画框、房子、竹排、教室的门窗常用木框架，蔬菜大棚的棚体、建筑用脚手架、自行车、艾菲尔铁塔、桌子、板凳、书橱、输电铁塔。
3）壳体结构：通常是指层状的结构。
受力特点：外力作用在结构体的表面上，由弧面整体分担承受，抵抗变形。
壳体结构是用薄壁壳状构件来替代空间框架而形成的一种空间结构。由于它可以将作用在其上的集中横向载荷分散为沿壳体的压力。因此在场馆建设中用得很多。
[案例分析]：头盔，汽车飞机外壳、饮水杯、文具盒、装甲车、油罐、鸡蛋、核桃、瓜子、西瓜、锅碗瓢盆……等
4）组合结构：在生产和生活实际中，很多物体的结构是由两种或两种以上的基本结构类型组合而成的。
受力特点：复杂（这是大学结构力学将要学习的）。
在日常生活中我们常见的结构大部分都是组合结构。结构的类型种种：缆索结构、桁（heng）架结构、空间桁架结构、球形空间桁架结构等。
案例分析：大坝都是拱形和实心结构的组合体；圆顶大厦的顶部都是框架结构和壳体结构的组合（又叫球形空间桁架结构）。
[学生讨论]： 进入工地时总是被要求戴上安全帽，为什么？
[案例分析]埃菲尔铁塔
[课后作业]：
p011 练习1、2题