1、1技术与设计教案顺昌第一中学张文婷高二通用技术2第一单元 结构与设计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、旋转木马等令孩子们流连忘返。观察这些游乐设施，你会惊叹它们结构设计的巧妙和坚固。认识结构，分析影响结构的稳定性和强度的主要因素，将使我们理性地观察和对待世间奇妙的结构现象，鸡蛋为什么能承受重压，比萨斜塔为什么斜而不倒-将使我们学会进行简单的结构设计。一、常见结构的认识学习目标了解结构的含义；从力学的角度理解结构的概念和一般分类；能结合 12 种简单的结构案例，分析结构是如何承受力的。1、无处不在的结构结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和
2、排列。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。在自然界，蜂窝、蜘蛛网、大树、动物的身体与器官等都有其特定的结构，这些形形色色的结构给了人们无限的创造灵感和启示。通过对自然界中结构的分析和研究，人们将其成果应用到技术领域，更好地服务于人类。案例分析苍耳与尼龙搭扣狩猎者从灌木丛走过，裤子上粘满了令人讨厌的苍耳子。仔细观察苍耳子，它的表面布满了许多小剌，每根剌上都有细细的倒钩，碰到纤维类的衣物，便粘在上面。瑞士的乔尔吉。朵青斯经过 8 年的研究，根据苍耳子的结构，发明了尼龙搭扣用以代替纽扣、拉链、接缝剂等。鸟与飞机人类飞翔的梦想源于振翅高飞的鸟，飞机原型的产生源于对飞鸟形体结构
3、的仿生。鸟类能够自由飞翔，是因为它有适应飞行的自由流畅的外形和使身体更轻便的翅膀、骨质中空结构。观察飞机的结构，两侧的机翼就像飞鸟展开的一对翅膀，一些轻型材料的使用使机身更轻便，整个飞机的流线型仿佛飞鸟冲剌的形态。是飞鸟启发了人类，帮助人类实现了飞行的梦想。鹰眼与导弹跟踪系统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老鹰头侧面物体的像，中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
4、们正在研制“鹰眼”导弹系统。这种导弹系统能自动寻找、识别并跟踪攻击。马上行动生产生活中还有哪些产品的结构是受到自然界事物结构的启发而产生的？3在技术领域，产品的结构更是丰富多彩。一把锤子、一辆汽车、一座桥、一幢房子都具有特定的结构。结构影响着它们的性质和功能，结构方面存在的一个小问题也许就会导致重大事故的发生。因此，合理的结构是事物存在的基础，卓越的结构是设计者和制造者的重要追求。阅读：魁北克大桥的坍塌魁北克大桥兴建于 20 世纪初期，它是由桥梁学家库帕设计的当时世界上同类大桥中最长的一座。当时桥的建设速度很快，施工组织也很完善，正当投资修建这座大桥的人们开始考虑如何为大桥剪彩时，随着一阵震耳
5、欲聋的巨响，大桥的整个金属结构垮了，19000t 钢材和 86 名建桥工人落入水中，只有 11 人生还。大桥坍塌的原因是设计师在没有对桥梁的关键部位做相应加固的情况下，擅自将原来的 500m 的桥长延长到了 600m，造成了大桥南端制动臂上的压力索发生弯曲，从而导致整个上层结构的倾塌。为了记住这一教训，所有毕业于加拿大各大学的工程师都有一个铁指环，这些铁指环是由那座坍塌的魁北克大桥上的金属制成的（现在的指环由不锈钢制造） 。它们时刻提醒人们，进行结构设计要具有高度的责任感。在社会领域，也普遍存在着结构现象。一篇文章的内容结构影响文章的表达与质量，一家企业的人员结构关乎企业的运行与效率。马上行动
6、：请举出给你印象较深的有关结构的事例自然界： 、 、 、 。技术领域： 、 、 、 。社会领域： 、 、 、 。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。每个物体都有它特定的架构形态，这种架构形态体现着它的结构，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。如自行车的车轮，它是由辐条、轮胎、车圈、气门等构件组成的。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 =F/S，其中，F 是内
7、力，S 是受力面积， 是应力。生产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载的压力、大风的作用力等其他外力。马上行动指出下列结构可以抵抗来自外界哪些方面的作用力。建筑物的窗户： 。餐桌： 。硬纸包装箱： 。4分析结构的受力情况时，首先要清楚组成结构的构件受到哪些力的作用；其次要清楚在这些力的作用下，构件能否安全、可靠地工作，也就是对构件进行承载能力分析。构件的受力形式多种多样，基本受力形式有拉力、压力、剪切力、扭转力和弯曲力，很多情况下，构件可能同时受到几种不同形式的力的作用。马上行动请连线：拉力 作用于
8、物体，使它产生弯曲的力压力 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剪切力 挤压物体的力扭转力 物体所承受的拉拽力弯曲力 反方向向物体两端均匀施力，使物体发生扭转形变的力案例分析它们受到哪些力的作用1、椅面人坐在椅子上，椅面受到的力：一是人对椅面的压力 PA，二是椅面自身的重力PB，三是椅子的支架对椅面产生的支撑力 F。它们使椅面处于平衡状态。根据力的平衡条件，有 F=PA+PB。在力 F、P A、P B 的作用下，椅面会产生抵抗外力的内力，当内力超过一定值时，椅面会产生断裂。2、桥梁的桥面一座简易桥梁，行人和车辆通行的桥面受到的力有行人和汽车对桥面的压力 P1，桥自身的重
9、力 P2，两端桥墩对桥面的支撑力 N，以及风对桥面的力 F 等。马上行动填空：在右图中，吊兰的支撑架承受 力，桥墩承受来自桥面、桥上负载的 力，两端被托住的桥梁受到 力，大坝承受 力等。仔细想想，它们会受到哪些力的影响？探究说明石磨的推杆为什么要用一根绳子吊起来。小试验试验目的：比较不同形状的纸板承受压力的大小。试验准备：1、取废旧纸盒的纸板，分别裁出 3 条大小均为 10cm*40 cm 的小纸板。2、分别取若干本书（用于支撑纸板）和给纸板加压的重物。试验过程：1、将一纸板用两摞书支撑起来，在纸板上中间不断增加重物，直到它塌下去，记5录此时承受的重物质量的大小。2、将另一纸板弯成拱形，两端用
10、两摞书抵住以阻止拱形延长，在拱形的上端不断增加重物，直到它塌下去，记录此时承受的重物质量的大小。3、将剩下的纸板弯成比前次跨度小的拱形，在拱形的上端不断增加重物，直到它塌下去，记录此时承受的重物质量的大小。试验总结：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？3、结构的类型根据物体的结构形态，通常将结构分为实体结构、框架结构和壳体结构三种基本类型。此外，根据需要还可以有其他分类方法。实体结构实体结构通常是指结构体本身是实心的结构。它的受力特点是，外力分布在整个体积中，如实心墙、大坝等。框架结构框架结构通常是指结
11、构体由细长的构件组成的结构。其特点是，支撑空间而不充满空间，如铁架塔、建筑用脚手架、厂房的框架等。壳体结构壳体结构通常是指层状的结构。它的受力特点是，外力作用在结构体的表面上，如摩托车手的头盔、飞机的外壳、贝壳等。小试验试验目的：了解壳体结构的受力情况。试验准备：大小相同的生鸡蛋 3 只，合适的瓶盖 6 只，木板 1 块，砖头或石板若干。试验过程：将 3 只瓶盖以三角形状摆放在桌面上，将鸡蛋分别立于瓶盖上，再在鸡蛋上盖上另外3 只瓶盖。取一木板放在上面，轻轻将砖头或石板压在木板上（砖头或石板应放在鸡蛋所组成的三角形的中部） 。试验记录：记录鸡蛋所能承受的砖头或石板的块数。思考1、为什么鸡蛋能够
12、承受如此大的压力？2、观察乌龟背壳的结构，想一想这种结构会给乌龟带来什么样的好处？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。如埃菲尔铁塔，它的塔腿由石砌礅座组成，塔身由钢铁部件的框架组成。案例分析物体的结构类型大多数现代建筑物是由若干种基本结构类型组合而成的，往往整体是框架结构，6地基、柱等是实体结构，有的是建筑的屋顶则是壳体结构。见圣彼得大教堂、埃菲尔铁塔。自行车也是由若干基本结构类型组合而成的。其中，承重部分是框架结构，挡泥板是壳体结构，脚踏与链轮之间是传动结构（属于机械结构）等。马上行动指出表中所列物体的结构类型，在对应栏下打“” ，并写出受力特点。物
13、体结构 实体结构 框架结构 壳体结构 组合结构 受力特点栅栏圆形陶瓷装饰品冰山高层建筑的穹顶钢化玻璃锅盖竹排汽车外壳人的头盖骨古罗马斗兽场练习1、生活中，有哪些物体的结构分别属于实体结构、框架结构和壳体结构？有哪些物体的结构是由多种结构组合而成的？2、利用我们身边的材料，如秸秆、火柴棍、橡皮泥、蛋壳等，制作实体结构、框架结构和壳体结构模型，并简述这些结构的受力特点。3、请分析，当出现交通事故时，摩托车手的头盔是如何避免外力对头骨的撞击的？汽车的安全气囊又是如何保护驾驶员的？教学反思：这一节课我主要以图片来展示生活中各式各样的结构，激发学生学习的兴趣。我认为培养同学观察日常生活、在生活中发现问题
14、的兴趣，是这课的重点。第一次课说明加活动就占了大半节课，结果后面结束的极为充忙。课后我想培养兴趣，学会观察生活才是最重要，而后面的内容同学完全可以自学，并不需要我再唠叨，发现问题的活动和展示完全可以更多的占用一些时间。二、稳固结构的探析学习目标能通过技术试验分析影响结构的稳定性和强度的因素，并写出试验报告；理解结构与功能的关系。1、结构与稳定性结构的稳定性7日常生活中，时常会看到翻倒在地的物体：台风过后，东倒西歪的广告牌或路标牌；因货物堆得过高而在弯道处翻倒的三轮车；路边倒地的自行车；路上翻倒的空竹篓。这是因为当物体受到外力作用时，原有的平衡状态被打破而出现的不稳定现象。结构的稳定性是指结构在
15、负载的作用下维持其原有平衡状态的能力。它是结构的重要性质之一。如果一个物体的结构不能有效地抵御常见外力的作用，那么该物体是很难承受负载而保持平衡的。对于构件来说，在外力的作用下其平衡形式不能发生突然变化，如工业厂房中的支撑柱，由于本身较为细长，当承受的压力过大时，会突然变弯，使原来的直线平衡形式转变为弯曲平衡形式，导致式转变为弯曲平衡形式，导致厂房维持平衡状态的能力降低。马上行动填表说明下表中的物体有可能因受到哪些力的作用而出现不稳定现象，并根据你的生活经验，简要说明原因。物体 受到的外力 不稳定的主要原因广告牌落地灯底小口大的空竹篓影响结构稳定性的主要因素影响结构稳定性的因素有多种，主要有重
16、心位置的高低、结构与地面接触所形成的支撑面的大小和结构的形状等。案例分析稳定性1、结构的重心独脚茶几的高度设计得比较低，底座采用较重的材料（如大理石） ，台面采用比底座轻的材料（如木材） ，使茶几的重心降低，以提高稳定性。2、结构的底座建筑、桥梁这类大型的固定结构，底座越大越坚实，稳定性越好。3、结构的形状照相机的支撑架常使用三角架而不用其他形状，是因为三角支架与地面有三个接触点，形成的三角结构使照相机的支撑架更容易稳定。马上行动人们利用梯子可以登高。请分析 A 字形梯载人时能稳定的原因，如果没有梯子中间的拉杆将会怎么样？对于一个结构而言，如果重心所在点的垂线落在结构底面的范围内，就是稳定的，
17、不会出现倾倒。结构与地面接触所形成的支撑面越大越稳定，如高塔的共同特点都是上端小而下端大。结构的形状不同，其稳定性也不同，如果板凳只有两条腿就不稳定，而有不在同一直线上的三条腿就有较好的稳定等。影响结构稳定性的因素是相互关联的，需要综合考虑各种因素来讨论结构的稳定8性。物体在静止状态与运动状态下的稳定性的条件也是不同的。案例分析静态的自行车是如何保持稳定的通常，静态的自行车在地面上的支撑方式有双脚支撑和单脚支撑。双脚支撑的支撑架与地面之间有两个接触点，这两占与前轮和地面的接触点构成三点支撑形式，自行车的重心落在前轮与支撑架构成的支撑面内，它是稳定的。单脚支撑形式的支撑脚和地面的接触点与前、后轮
18、和地面之间的接触点共同构成三点支撑，在地面形成ABC。它的稳定程度取决于单脚支撑架的倾斜度，在一定范围内，支撑架与地面的夹角越小（自行车的车身越斜） ，ABC 的面积越大，自行车的重心容易落在三角形内，稳定性越好。探究生活中我们有这样的经验，一个物体要有三个支撑点才能稳定，如果只有两个就会倒下。但是，自行车在骑起来时，却只有两个支撑点，为什么不会倒下呢？人们对结构的多元化要求，使得有些结构设计在满足使用功能对稳定性的基本要求的同时，往往还要综合兼顾人的个性化要求、美化因素和材料因素等。思考除了重心位置的高低、结构与地面接触所形成的支撑面的大小和结构的形状外，你认为还有哪些因素影响结构的稳定性？
19、在汽车制造中，利用壳体结构和薄钢板材制造汽车的车体，而不用框架结构或较厚的钢板，原因是什么？结构的稳定性在日常生活中有着广泛的应用，一方面人们利用稳定的结构抵抗外力、承受负载，另一方面又利用不稳定的结构实现某些功能。如在地震多发地区，人们将啤酒瓶之类的物体倒置在地上，利用这一不稳定的结构实现预报地震的功能。马上行动请列举生活中利用不稳定的结构实现一定功能的事例。阅读比萨斜塔很多人都知道比萨斜塔。当地人希望这座塔继续保持倾斜，但不倒塌，因为它能吸引众多游客。比萨斜塔向南倾斜大约 5.5，这意味着斜塔第七层的柱子比第一层要探出大约4.5m。这些年来，由于地基的不稳定性质，塔已经平均下沉了 2.8m
20、，塔的北端和南端已分别下沉了 1.86m 和 3.75m。塔的倾斜使建筑底层部分垂直压力产生了危险的集中，塔的拉力已使螺旋型楼梯的台阶和天花板产生了裂缝。为了提高比萨斜塔的稳定性，人们想出很多方法，其中，一种方法是用定向的力来帮助加固塔的结构，底部 600t 的铅锭产生的垂直力已使倾斜略微减轻；还有一种方法是将向南倾斜的塔基北侧地基下的沙土挖走，使塔的倾斜度减小。小试验试验一试验目的：探究结构的重心与稳定性的关系。试验准备：1 个玩具不倒翁（也可自制不倒翁：在气球中放置若干玻璃球，将其充9气、封口，并在封口处系一装饰物） ，1 根细绳，若干个铁环。试验过程：1、用手扳动不倒翁的头部，试一试不倒
21、翁不倾倒的最大倾角。2、在不倒翁的脖子上挂一只用细绳穿起的铁环，逐渐增加铁环的个数，直到它翻倒。试验总结：1、不倒翁的倾倒与在它脖子上挂铁环的方法有没有关系？2、如果是自制的不倒翁，气球中玻璃球的多少与发生倾倒的关系怎样？试验二试验目的：探究结构的形状、重心与稳定性的关系。试验准备：40 块小木砖（或积木） 。试验过程：1、使用不同垒法，垒一堵 5 块砖长、8 块砖高的墙。2、在墙的一侧施加相同大小的推力，观察结果。试验总结：分析不同垒法的墙的稳定性，当施加同样的力时，哪种垒法的墙不容易倾倒？你认为最好的垒法是什么？2、结构与强度结构的强度生活中可能出现这样的情况：人坐在一只简易的小板凳上，用
22、力摇几下，板凳坏了，人也跌倒在地；人踩在窗户的防盗网上擦玻璃窗，防盗网合金条的焊接处断裂，险些酿成大祸。这是由于板凳、防盗网没有能够承受住人的重力所造成的。结构的强度是指结构具有的抵抗被外力破坏的能力。在拔河比赛中，绳子被拉断了，说明绳子不具有抵抗两队拉力的能力；6 级地震中一幢小楼倒塌了，说明这座小楼不具有抵抗 6 级地震的能力。马上行动根据你的生活经验填写下表事 件 结 果 原 因分别在一根竹竿和一根同样尺寸的脆性塑料杆上不断加挂相同质量的重物沿着垂直于中心线的方向撞击一根完整的钢管与用同样的方法撞击一根中间有焊接缝的钢管影响结构强度的主要因素结构的强度与结构的形状、使用的材料、构件之间的
23、连接方式等因素有密切的关系。案例分析强度不同形状的结构有着不同的强度。例如，吊兰支撑架使用三角形支架结构，而不使用由一根直杆挑起的结构；在建筑物两根平行支撑柱之间增加一根斜柱；A 字形梯不采用铝合金薄片，而采用长方形截面的构件。这些都是为了增加结构的强度。从材料方面考虑，吊兰的三角形支架使用的是钢管而不是木条或塑料，是因为钢管抗拉力性能好。从连接方式考虑，吊兰的三角形支架的构件是焊接的而不是捆绑的，是因为这种10连接方式更牢固。结构的形状三角形是框架结构中最基本的形状之一，它结实、稳定，所有材料最少。在长方形或六边形的框架中间，加上支撑构件，构成三角形，就可以大大增加它的牢固程度。钻石有令人难
24、以置信的强度，就是因为它的分子结构为四面体，每个四面体都有四个角、四个面和六条边，每一个面都是三角形。回忆我们曾经见过的各种梁或各种框架，它们的构件的横截面形状各种各样，有工字形、十字形、长方形、L 形、圆形、U 形等。不同横截面形状的构件所能承受力的程度是不一样的。阅读恐龙与拱形结构生活在中生代的巨型爬行动物恐龙，身长约 20m，身高 48m，体重达 3040t。这么一个庞然大物要走动觅食，生存下去，四肢必须承受相当大的负荷。如果恐龙不具备合理的力学结构，偌大的身躯就会被压塌。专家们发现，恐龙巨大的身躯、长颈和粗长尾巴的重心在腰部，整个身体的上部犹如一座拱桥。从力学角度看，它的确是一种承受巨
25、大负荷的理想结构造型，这便是建筑史上的“拱形结构”的历史渊源。结构的材料与连接不同材料构成的结构，其强度各不相同。一个坚固的梁的材料必须具有好的抗拉力、压力、剪切力和扭曲力的性能，所以，梁通常由不止一种材料制成。如一根混凝土梁含有加固钢筋，混凝土擅长抗压力，而钢筋擅长抗拉力，它们共同形成了非常牢固的结构。结构构件的连接通常有以下两类：a、铰连接：被连接的构件在连接处不能相对移动，但可相对转动，具体有松螺栓、松铆等，如折叠伞伞骨间的连接、门与门框的连接等。b、刚连接：被连接的构件在连接处既不能相对移动，也不能相对转动，具体有榫接、胶接、焊接等，如固定铁床架的连接、不可移动的桌腿与桌面的连接等。不同的材料有不同的连接方式。构件的连接方式不同，结构的强度也不同。马上行动：1、对一个用 4 根小木条钉成的相框，使它更牢固的做法是什么？2、在自行车各部件之间的连接中，三角架属于什么连接？刹车连杆之间属于什么连接？辐条与钢圈之间属于什么连接？3、同一结构中，比较榫接与钉
