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(共17張PPT)
第四節：系統的設計
學習目標
理解系統設計的基本方法
能綜合運用所學知識按要求進行系統設計
能分析、總結、歸納處系統設計的方法
基本含義
是在系統分析的基礎上設計出滿足預定目標的系統的過程。除了遵循設計的一般過程、原則和標準外，還強調分析思維和綜合思維相結合，注重在考慮整體的前提下具體研究解決局部問題。系統設計特別強調：
1.以實現系統整體功能最優為目的。
2.設計好系統的個要素和子系統。
3.綜合考慮統各個部分（要素）之間的聯系，合理解決它們之間的沖突，注重系統與環境、部分（要素）與整體之間的協調。
4.設計方案的分析、比較和優化。
一、系統設計的基本方法
水火箭設計的總體目標及性能
要求：用一個容量為2L的飲料瓶制作氣壓式噴水推進火箭。火箭射高(即上升到最高點時的高度 )大于8m，射程大于22m。
水火箭的設計
確定系統設計的總體目標及性能目標
調查研究，對水火箭進行系統分析
1.水火箭飛行的外部環境調查分析
受力狀況：重力、空氣動力(包括空氣阻力)。
天氣狀況：風向、風速、雨、雪等。
地理環境：發射點高度、目標點高度等。
基本設計分析
1.系統設計的約束條件。
調查研究，對水火箭進行系統分析
2.水火箭飛行的基本原理分析
（1）動力來源。
水火箭發射時，加壓的水從箭體尾部高速噴出產生反沖推力，推動水火箭飛行。
（2）飛行軌跡。
在各種力(主要是推力、重力、空氣動力)的作用下，水火箭飛行速度不斷變化，并形成了一定的軌跡—彈道，如圖3-37所示。以上分析可知，增大水火箭飛行的反沖推力，減少水火箭飛行的空氣阻力，是提高水火箭飛行效果的關鍵。
基本設計分析
2.了解系統設計的基本原理。
初步方案設計
制訂設計方案
1.確定系統的結構組成。
2.子系統設計及功能確定。
思考:
（1）什么形狀的箭體能減少水火箭飛行時所受的空氣阻力
（2）箭頭應設計成什么樣的形狀 為什么
（3）箭頭越輕越好嗎
（4）為何要裝上箭翼
（5）箭翼的形狀、大小怎樣才合適 為什么
系統總體技術設計
合理解決子系統(要素)之間的矛盾沖突，加強系統內部、系統與環境之間的協調配合。
影響水火箭飛行的主要因素分析
1.動力艙內氣壓、水量與水火箭射程及飛行高度的關系。
動力艙氣壓越大，水噴射的速度越大，反沖推力也越大，水火箭飛行速度就越快，飛行高度就越高，射程也越遠。但如果氣壓過大，超出艙體的承受能力，就會引起爆裂，必須十分注意安全。
在一定的范圍內，動力艙內水越多，水火箭獲得的能量就越大，射程就越遠，飛行高度也越高。但如果水量過大，當動力艙內、外氣壓差降至零，噴射停止時，艙體仍殘留一定的水量，會增加水火箭的質量，使水火箭受重力的影響提前墜落。所以，只有當水火箭動力艙內的氣壓與水量恰當時，水火箭才能飛得更高、更遠。通過多次實驗、比較，獲得氣壓和水最合適量如下表。
組裝與測試
按照設計方案組裝水火箭并進行飛行測試
系統的優化
1.分析影響系統優化的主要因素，提高系統的整體運行效果。
2.設計方案不斷驗證和完善。
系統的評價及改進
實驗虛化哦 水量/mL 氣壓/Pa 水平射程/m
2.發射仰角對射程及飛行高度的影響
水火箭發射彈道與拋體運動理論密切相關。在理想的情況下、發射仰角為45°時射程最遠。但在實際發射中，必須考慮空氣動力和其他因素的影響。當發射仰角太小時，水火箭向上的分力不大、爬升高度不大，由于重力影響，容易墜落、使射程縮短。而當發射仰角太大時，水火箭向上的分力雖大，但向前分力太小，致使出現“高而不遠”的情況。實際上最優的發射仰角往往比45°要大。
系統設計的基本方法歸納
明確設計總體目的及要求
調查研究進行基本的設計分析
系統的設計 系統整體組成
子系統的設計
系統總體技術設計
系統的優化
系統的評價
案例分析：簡單雨水收集系統方案設計P112-113
二、簡單系統的設計
案例分析：氣墊船模型設計及制作
目的及要求
通過具體的設計活動，進一步理解和運用系統設計的基本方法，增強運用系統思考和工程思維解決實際問題的能力。
繪制簡單的設計圖紙。
以小組為單位，分工合作完成。每3-5人為一組，明確任務分工及設計時間進度。
設計過程
設計目標及要求：討論并列出總體目標和具體性能指標。
調查研究，收集相關資料。
1.了解設計對象可利用的資源、條件。
2.收集、整理有關技術資料。
設計初步方案。
1.綜合考慮。
(1)每個子系統的功能、子系統和系統整體的相互聯系。
(2)各元素選擇、比例和配置(船殼、電動機、螺旋槳、電池等的選擇)。
(3)周圍環境和條件對系統的制約。
(4)安全、環保因素，避免設計的隱患及系統對人體健康和環境的不良影響。
(5)節能、經濟原則。
2.繪制氣墊船模型的簡單設計圖紙，有條件可運用計算機軟件CAD繪制。
3.列出所用材料(器材)清單。
收集意見，優化設計方案。
評價小結
1.分別對各小組的設計方案進行評價。
評價指標 小組自評 小組互評 教師評價
團隊合作
功能實現
元素選擇、比例和配置
安全、環保
經濟、節能
美觀
設計特色（創意）
設計圖紙
其他
2.比較各個小組的設計方案，分別列出各個方案的優點和不足，并提出修改意見。
序號 優點（創新） 不足 改進建議
作業：完成P117頁習題

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