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(共26張PPT)
第二節系統的基本特性分析
教材p71-p80
問題思考
學校運動會賽事系統一般由哪些部門組成 包含哪些比賽項目 都有哪些人員參加
系統多種多樣，即使同屬一類，也各具不同的特色。它們各自以不同的結構呈現出不同的功能。作為系統,它們都具有什么樣的特性呢
一、系統分析案例
(一）波輪式洗衣機系統分析
1.組成與功能在第二章，已介紹過波輪式洗衣機的工作流程。它的結構示意圖如圖3-13所示。
( 1)組成:波輪式洗衣機由洗滌與脫水桶、波輪、傳動機構、操作與控制面板、機箱體、進水機構、排水機構和供電線路等部分組成。
(2）功能:洗衣機的總體功能是洗凈衣物。為達此目的，它的各組成部分各具相應的功能和作用，以支撐實現總功能。以波輪為例,波輪上有幾條突出的筋,如圖3-14所示。波輪以每分鐘數百轉的速度轉動，帶動洗滌液形成強烈的渦流，使液體和衣物做旋轉和翻轉運動，洗凈衣物。
開眼界
波輪的不同安裝方式與洗滌效果
波輪在洗衣桶中有不同的安裝方式。裝于桶底的稱為渦卷式;裝于桶側壁上的稱為噴流式;在洗衣桶兩相對側壁上都安裝波輪的，稱為雙噴流式。
噴流式洗衣機洗滌衣物時，類似于手工洗衣。其特點是洗滌時間短、污垢容易洗掉、機器結構簡單、故障少和造價低廉。但由于其水流激烈，衣物客易擰絞在一起，因而洗滌不勻，對織物的損傷較重，且洗滌時洗滌液容易飛濺。為了使衣物翻滾良好，洗滌液必須充足。雙噴流式洗衣機，洗滌時衣物在桶內容易翻滾，不易擰絞在一起。
針對噴流式洗衣機對織物損傷較重、洗滌液易飛濺等缺點，開發了渦卷式洗衣機。由于渦卷式洗衣機波輪裝在洗衣機桶底部，洗滌時會形成強烈的渦流。其特點是洗滌時間較短、結構簡單、價格便宜、對衣物磨損較輕。
問題思考
(1)洗衣機的結構組成與它的功能有什么關系
(2）洗衣機波輪安裝方式與洗滌效果有什么關系
(3）洗衣機的其他組成部分(除波輪外)對總功能各起什么作用
2.各組成部分之間的關系
洗衣機的各組成部分對于洗衣機的總體功能來說，各起到一定的作用。例如，波輪可激起水流，桶可裝水與衣物，等等。各組成部分也可按其功能分別稱為給水子系統、驅動運動子系統、操作控制子系統、支撐子系統等。那么，各組成部分之間又有什么關系呢
先從各個局部看:
供電、驅動→波輪旋轉→水流形成;
進水（也稱注水)→洗滌、漂洗→排水;
面板上各開關、按鈕→各種洗滌程序﹔
將各部分組裝于機箱體內→洗衣機整體。
再從橫向看:
由圖3-15可知:水流的洗滌與漂洗,簡稱為洗，是洗衣機的核心﹔圍繞著它,各組成部分有機關聯。洗衣機作為一個整體,它的各組成部分，即各子系統之間,少了哪個都不行，哪一部分壞了洗衣機都不能正常工作。
技術探究
( 1）洗衣機的各子系統間是怎祥相互關聯的
(2）試指出幾個洗衣機系統的元素。
3.系統和外界環境之間的關系
洗衣機的工作過程,是在客觀的外界環境中進行和完成的。圖3-16表示它和外界環境之間的關系。
進水環境給洗衣機注入工作（洗)的介質。
供電環境給洗衣機提供工作能量。
操作者環境(人)向洗衣機發出工作程序的信息。
噪聲洗衣機工作過程中向外界環境強加的一種影響。
排水洗衣機工作過程中向外界環境排放物質（污水）。
支撐基有兩層關系:一是左邊的指向洗衣機的箭頭，表示環境給洗衣機提供支撐;二是右邊的指向支撐基的箭頭，表示洗衣機工作過程中向外界環境強加的又一種影響,如振動等。
技術探究
洗衣機和外界環境間的關系
(1)洗衣機工作時與外界環境有哪些關系 你能使用一些技術術語來表達這些關系嗎
(2）如果給洗衣機注入溫水或是很涼的冷水，會給洗衣機的洗滌效栗帶來哪些影響 試著結合圖3-15或圖3-16給予恰當的解釋。
(3）如果電源電壓或頻率有大幅度的波動,會給洗衣機的工作帶來什么影響 提示:先查閱有關電源參數波動對電器設備影響的技術資料，再考慮本問題。
(4）洗衣機工作時，放置在什么地方（如浴室、洗手間或其他地方)合適 為什么
提示:①從環境與系統、子系統關系的角度來考慮問題;②可以帶著問題與家長或老師交談，也可以查閱洗衣機的使用說明書。
4.系統分析的評價與小結
(1）評價:
洗衣機作為一種產品,用戶關注其性能。通常評價產品性能的好壞主要考慮以下幾點:可靠性、返修率﹔實用性，包括洗滌容量、外形大小等﹔性價比﹔安全、節能、環保﹔外表美觀。
( 2）小結:
洗衣機系統作為一個整體，它的核心功能是洗凈衣物。它的各個組成部分都是圍繞著支撐實現核心功能來確定其結構、工作方式的﹔各個組成部分的設計要服從于整體功能、整體效益的需要。
洗衣機系統由若干個子系統組成。各子系統之間相互聯系、相互作用、相互依賴。
洗衣機系統總要工作在某個外界環境之中。它既要適應正常的工作環境，又要避開惡劣的環境。
開眼界
可靠性
所謂產品的可靠性，通常是指在規定的條件下和規定的時間內，產品完成預定功能的概率。對不可修產品，從開始使用到失效時所運行的這一段時間，稱為產品壽命﹔對可修產品，則稱其為產品的無故障運行時間。例如，洗衣機屬于可修產品，因此它的可靠性是以平均無故障運行時間的長短來評價的。洗衣機是大件產品，搬動不方便，產品的可靠性就更顯得重要。可靠性好，返修率則低。
(二）賽龍舟系統分析
圖3-17所示是我國傳統的賽龍舟場景。從那種令人興奮、勵人爭先的場面中，你觀察到了什么 想到了些什么 對其中的勝者有何評價
1.賽龍舟系統的功能與構成
(1）系統的功能:
賽龍舟系統（以下簡稱系統）用于團隊間的比賽，以到達目的地的先后順序記名次,作為比賽成績。
( 2）系統的構成:
舟體子系統:支撐荷載。合理的龍舟造型可以減少水的阻力。
運動子系統:由若干副槳組成，用于劃水﹔舟后設舵或由一槳代替。
動力子系統:由若干名運動員組成,按舟上的指揮號令劃槳。
2.比賽取勝要素
比賽取勝的要素是:一要快，二要方向性好。
要快，即要求眾運動員劃的力量大，就是將人的強大與持久的機械力，轉換成龍舟強勁的加速度和飛快的運動速度。
要方向性好，就是讓龍舟盡量走直線，要劃得齊，盡量減少龍舟在前進方向上的左擺右晃。
3.龍舟的定量描述分析嘗試
( 1）龍舟速度的獲得:
在起點，各龍舟都處于靜止狀態，待令而發，初速度為零，可記為v0=0。
發令后，眾人奮力劃槳，水給槳以反作用，龍舟得到動力，記作F;空氣和水給龍舟的運動阻力，記作Fz。龍舟與人的總質量m已知,由
可以計算得到加速度a。
有了a，就獲得了速度v。不斷施加動力，不斷獲得加速度，龍舟便能快速前進。另外，式(3-2）中的阻力F是隨龍舟速度v的增加而增加的變量，若動力F保持不變，隨著速度v的增加，合力F就會逐漸減小直至為零，則由式(3-1)可知，加速度α也會逐漸減小直至為零，此時龍舟速度不再變化，為勾速運動。要想提高速度，必須有更大的動力F。當然，若龍舟上的運動員感到疲勞，劃槳的力量減弱，即動力F降低，合力F為負值，就會產生反向加速度（負加速度)，龍舟的速度就會降低，同時F也隨之減小，合力F會再次為零，此時龍舟就會以較低的速度做勻速運動。
可見，如果作用于龍舟的動力強,則龍舟的運動速度就會快。
技術探究
加速度、速度都是時間的函數。假定，已經解得一段時間內的加速度值，即a。那么，怎祥計算出這段時間內與a相對應的速度值v（t）呢
(2)作用于龍舟上力的平衡:
由牛頓第二定律，可以寫出力的平衡方程式
此式第一項F，表示施加于運動體上的外力，包括動力、阻力或其他的力;第二項ma，本質上也是一種力,它表示運動體要克服的慣性。這兩項，在運動中構成了力的平衡。
(3）龍舟質量的權衡:
龍舟的質量是由兩部分組成的,即舟體及其設備，加上舟上的人員。
一般來說，力氣大的人，體重也大。當龍舟上體重大的人多了，總質量m也就大了。總質量的加大，對獲得快速不利。這就需要去考慮、去決策。
舟上運動員的選擇要求應該是:力氣大而質量相對小。這樣,通過公式a=Flm的計算，就可以獲得較大的加速度α。如果選擇不當或相反，則龍舟的速度是不會快的。這就是運用系統的思想及定性、定量相結合的方法來分析和處理問題的基本思路。
(4)龍舟運動的數學描述:
上面的分析表明,龍舟運動可以依據牛頓第二定律，進行嚴格的定量描述。比如，在一定的條件下,a定量地依賴于F的變化而變化。能獲得多大的a是可以進行定量計算的。
這種描述運動特性(如動力學關系)的數學表達式，一般稱為數學模型。尋求某一運動的數學模型的過程,稱為建模過程。建模的一般原則是利用規律、定律及法則等，用合適的數學方式表達。如利用牛頓第二定律來建立龍舟運動的動力學模型，就是一種較常見的建模方法。
4.賽龍舟系統分析的評價與小結
(1)評價:賽龍舟系統,人們關注的是比賽結果,即如何快速到達終點。
影響龍舟速度的因素有三個:
1)劃的力基大。
2)前進的方向性好。
3）總體質量盡可能小。
龍舟比賽要取勝,其決定性的作用是依靠團隊精神和團隊技術狀態的發揮。
(2)小結:
賽龍舟系統，作為一個整體，它的功能和目的是比賽與取勝。作為系統，它具有整體性、目的性、各子系統的相關性和對工作環境的適應性等特性。
賽龍舟系統是用于龍舟與龍舟間的比賽。這一點不同于洗衣機系統。
如果賽龍舟系統的各舟體子系統、運動子系統都一樣，那么，各龍舟間的差別全在于動力子系統，即運動員的團隊品質。因此，運動員團隊的選擇、組成、訓練至關重要。
在本案例中，大家一起做了一個嘗試,即運用系統的恩想和定性、定量相結合的方法分析處理問題，如龍舟速度的獲得、龍舟上力的平衡、龍舟質量的權衡等。其中，有關力的平衡的概念與應用,使我們對牛頓第二定律的認識有所深化。
討論交流
(1)龍舟的速度是怎樣產生的 如果考慮阻力，實際的動力值將怎樣考慮 怎樣才能減少阻力
(2）在上面的分析中，只重點討論了施加動力的大或小的作用。如果考慮提高劃菜的頻率,會帶來什么作用
(3）如果突然出現一陣鳳吹到某龍舟上，你能結合牛頓第二定律做一些論述嗎 (這個問題可留到課外思考、討論)
(4）將賽龍舟系統與波輪式洗衣機系統相對比，試就系統內部各分系統的關聯關系和系統與外界環境的關系,對賽龍舟系統做一些分析。
閱讀材料
描述系統的方法
描述系統的特性，可從定性、定量兩個方面入手。其中，定量特性是定性特性的顯化。定量特性的描述可以利用數學處理，如數學模型的方法。選擇適當的系統量，通過建立反映這些量的特征、相互關系和變化規律的數學表達式，即數學模型來刻畫真實系統。這種方法，既可獲得系統定量特性的精確結果，又可深入認識系統的定性特性。
數學模型的形式有多種。
用平衡方程式作為系統模型是一種常見的形式,如力平衡方程,電壓平衡方程、熱平衡方程、流量平衡方程等。
例如，前面的賽龍舟系統，采用的就是力平衡方程式(3-3)和方程式(3-2)作為系統動力學特性的描述。
這是一種較為簡單的數學模型。其中，系統變量為a、F1、F2;運動遵循的是牛頓力學定律。它較準確地描述了賽龍舟系統運動加速度與各外力之間的定量關系,可以用作系統設計計算的理論依據。
建立數學模型的方法有多種。上面的例子，屬于已知系統的工作機理，故可依據原理、定律來描述其運動規律。這樣建立數學模型的方法，通常稱為機理建模。
對于工作機理不清的系統，機理建模的方法不能適用。系統都包括兩個方面，即一是系統本身,二是系統所處的環境。環境對系統的作用表現在對系統的輸入(或干擾)，系統在特定環境下，按翰入進行工作而產生輸出。通過測試系統的輸入和對應的愉出，可以利用所謂系統辨識技術，獲取系統的數學模型。類似這樣的一些建模方法，通常稱為非機理建模。
關于系統辨識,待以后再學習或可查閱相關資料了解。
技術探究
(1)通過前面的閱讀材料，你對于系統特性的描述有何聯想
(2)請對學校運動會賽事系統進行嘗試性描述。
二、系統的基本特性
前面的兩個案例,雖都是系統,但它們的結構、功能、工作方式、使用場合等都不相同。作為系統,它們都具有哪些共同特性呢
通過對兩個案例的分析、技術探究，可歸納出系統具有如下基本特性:
(一）整體性
系統的整體性也稱為集合性，是系統的基本屬性。系統不是一些元素的簡單集合，也不是一些組成部分的簡單數量上的相加，而是一個有機整體。
系統的結構、工作方式決定于系統的目標、效益的需求。系統要求它的局部服從整體，強調整體性。如案例中的洗衣機、龍舟雖分屬不同的系統，但它們都具有整體性。
(二）相關性
系統的相關性也稱為關聯性。構成系統的各部分之間是相互依存、相互作用、相互支撐、相互影響的，是彼此相關的。如賽龍舟系統中各子系統的設計，比賽時各子系統協調配合是取得比賽勝利的保證。
(三）功能性
每個系統都具有特殊的功能，這是區別不同系統的主要標志。如洗衣機用于洗滌，而龍舟用于比賽。
(四）環境適應性
系統都存在于一定的環境之中，并不斷地與外界環境進行物質的、能量的和信息的交換。系統必須適應外部環境的變化。如洗衣機、龍舟工作于不同的環境，它們應具有不同的環境適應性。創客坊用學校運動會賽事系統或其他系統，具體說明系統的基本特性。
創客坊
用學校運動會賽事系統或其他系統，具體說明系統的基本特性。
技術探究:試分析鐘系統的基本特性
分析對象:
鬧鐘或座鐘或掛鐘。
分析內容:
怎樣體現其基本特性。
分析方法:
(1)先了解鐘的構成、功能及其運行情況。
(2)參照波輪式洗衣機系統案例進行分析。
實習要求:
(1)分小組做，全班交流。
(2）討論交流后，寫出簡單的分析報告。
(3）分析報告的內容包括分析過程、依據、結論、建議及相應的說明。
三、系統分析的基本方法
(一）系統的基本思想
作為系統，它們都具有整體性、相關性、功能性和環境適應性。系統的這些基本特性構成了系統的基本思想。
在前面案例中，體現了運用系統的思想來分析處理問題。
(二）系統分析的基本方法
運用系統的思想和定性、定量相結合的方法對系統進行分析，就是系統分析的基本方法。
通過前面兩個案例的系統分析過程，可以歸納出該方法包括以下三個階段。
闡明問題:分析的對象（系統)、系統的整體功能和系統的組成。
分析研究:系統內部機理，如洗衣機采用波輪旋轉激起水流﹔系統內部各子系統的關聯、配合﹔系統與其外部環境的關系;基本的定量分析。
評價比較:系統性能、品質評價，系統運行效果評價﹔同類系統間比較，找出優劣。
在上述分析研究階段中，涉及一些定量分析，特別是關于數學建模問題，有待在今后的學習研究中去深化。
(三）學寫簡單的系統分析報告
我們在做過系統分析之后，就要通過寫報告來達到總結收獲、提高認識和利于今后發展的目的。同時,通過寫報告，也可以培養和訓練我們的科學思維與表達能力。
簡單的系統分析報告內容包括:系統的分析過程，如功能、構成及特性的定性、定量分析說明等﹔依據，如系統的內部關系，系統與外部環境關系的挖掘﹔結論和建議，如評價與小結。可參考本節兩個案例的相關說明。
技術實踐
對一所學校的基本特性分析
對象:
任何一所學校。
(1）分析對象可以是本校，也可以是外校;可以是中學，也可以是小學;可以是條件好的學校，也可以是條件差的學校。
(2)以某個真實的學校做背景。
內容:
(1）調查收集該學校作為一個系統的基本情況。
(2）將該學校作為一個教育系統進行分析。
(3）評價，并寫出簡單分析報告。
要求:
(1)厘清學校（系統）的組成與層次。
(2）分析該校符合一般系統基本特性的情況;要實事求是，有就是有，沒有就是沒有，不要生搬硬套。
（3）找出這所學校的特色。

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