資源簡介

通用技術 必修 技術與設計2
第一章 結構及其設計
第二節探究結構
教學背景
黨的二十大報告指出，“教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐。必須堅持科技是第一生產力、人才是第一資源、創新是第一動力，深入實施科教興國戰略、人才強國戰略、創新驅動發展戰略”。
通用技術是一門與科學技術息息相關的學科?；仡櫲祟惖陌l展歷程，從石器時代、青銅時代、蒸汽機時代直到當今的信息時代，技術進步改變著人類的生活和生產方式。我們的生活、工作、生產處處都要用到技術，例如我們手中拿的圓珠筆和鋼筆就是多次技術改造的結果，使我們足不出戶就可以了解世界的電視機也是技術發明的成果。認識技術、善用技術，已成為現代人必須具備的素質。
教學目標：
理解結構穩定性的概念。
能通過技術試驗探究影響結構穩定性的主要因素。
應用探究所學知識解決實際問題。
逐步學會運用所學的思想和方法分析技術問題。
經歷將基礎知識應用于技術實踐和創新的過程，同學們會養成實事求是、精益求精的習慣，能運用規范的技術語言和設計制作方法去解決一些實際的技術問題。
教材分析
本節課以提高同學們的核心素養為主旨，以學習思想和方法為基礎，以設計和操作實踐為主要特征，培養同學們的實踐能力和創新意識，體現科技與人文相統一。
學情分析:
　　在日常生活中，學生接觸到了很多結構，但是都沒有認真的對結構進行分析探究。
教學重難點:
重點: 理解結構穩定性的概念。
難點: 通過技術試驗探究影響結構穩定性的主要因素。
教學策略:
本節課教學主要由教師通過實物圖片和多媒體手段設置學習情境，并加以引導，讓學生在過程中自主探究、自主建構設計原則知識并形成能力。
教學準備:
展示用的圖片、其他技術產品、多媒體課件。
　　教學過程:
　　情景導入:
老師：本節課我們學習通用技術 必修 技術與設計2第一章第二節探究結構。
2010年2月27日(當地時間)，智利中部發生了8.8級地震，震中距智利第二大城市康塞普西翁100 km，距首都圣地亞哥320 km。這是全球有記載以來的第七大地震，令人驚訝的是，在地震中，圣地亞哥、康塞普西翁的大部分建筑僅出現程度不等的開裂和傾料，并沒有發生整體倒塌。
智利位于環太平洋地震帶上，每隔20年左右就會發生一次特大地震。頻繁的強震不僅強化了民眾的防災意識，還造就了智利“堅不可摧”的房屋。當地建筑物在設計和建造時，都要符合抗擊9級地震的建筑標準?！皬娭趿骸笔侵抢ㄖ囊淮筇攸c:發生大地震時，脆弱的房梁斷裂，使地震釋放的能量得到緩沖；而堅固的房柱則不折斷，避免了房屋的整體倒塌，有效減少傷亡人數。
導學思考
怎樣才能使結構穩固 結構穩固與哪些因素有關
一、結構的穩定性
結構的穩定性是指結構在荷載的作用下維持其原有平衡形式的能力。影響結構穩固的因素有哪些呢 讓我們通過下面的學習共同探討。
實踐
在日常生活中，人們經常會用到A形鋁梯(圖1-32)。使用A形鋁梯時，需要將兩梯面打開呈“人”字形(梯面問的橫桿必須平直 )，使4個梯腳與地面接。一般來說，A形鋁梯最大承重為150kg，梯腳對地面絕緣電壓為800V。請同學們根據A形鋁梯的特征，完成以下分析與實踐活動。
1.分析當人站在A形鋁梯上時，A形鋁梯兩梯面和橫桿構件的受力情況。
2.用2根相同的長木條、1根短木條及自選連接物制作一個簡易裝置，如圖1-33所示。設計試驗過程。完成A形鋁梯幾何形狀穩定性模擬試驗。
3.根據受力分析和試驗情況，討論A形鋁梯為什么能夠承受人體的壓力，以及在設計鋁梯時如何在幾何形狀上保證其穩定性。
三邊確定的三角形構成穩定的幾何結構。A形鋁梯的兩梯面和橫桿構成三角形的幾何結的，就是利用幾何形狀保證結構的穩定性。當連按兩個場面的橫桿拉直時，兩個梯面的上半部分就與橫桿構成了穩定的三角形，這樣梯子的幾何結構就是穩定的，保證了梯子能承受人體的壓力。
建筑工程中廣泛運用了三角形的穩定性，如房子、橋梁的桁架、鋼架結構的十字鋼梁、空調支架(圖1-34) 等。在四邊形的框架中加桿件作對角線，形成多個三角形，能有效加強結構的強度和穩定性，同時也節省了用料和減輕了結構的質量( 圖1-35 )。
從以上的結構設計例子中，我們知道幾何形狀是保證結構穩定性的因素。影響結構穩定性的因素還有哪些？請通過下面的實踐活動進行探究。
實踐
1.將物體放置在一個平面上。連接物體所有支撐點的平面就是支撐面。分析臺燈和椅子( 圖1-36)的接觸面和支撐面分別是什么。接觸面和支撐面有什么區別？
2.在保證支撐面一樣的情況下。結構重心是否會影響其穩定性？將三個瓶子(自重忽略不計) 放在同一平面上(圖1-37)，調整該平面的料度，看看哪個瓶子會先倒下。
3.使圖1-38的框架慢慢傾料直至倒下。觀察在此過程中其重心垂線和支撐面存在什么關系。
通過以上實驗，你能總結出影響物體結構穩定性的因素嗎？
結構的穩定性與其幾何形狀、支撐面面積的大小和重心位置密切相關。結構要達到穩定，首光，整體幾何形狀必須科學合理；其次，支持面面積越大，重心越低，其穩定性越強。因此，在進行結構設計時，要盡可能使結構所受的重力集中在底部。降低重心，并使其重心垂線落在支撐面內，從而提高結構的穩定性。
立即行動
如圖1 -30所示的物品為什么不易傾倒
落地風扇、落地燈、電腦顯示屏、不倒翁
你參見過跨欄跑訓練（圖1-40）嗎 你知道在跨欄跑過程中，為什么有時L形架會傾覆嗎
如圖1-41所示是L形欄架的側視圖，外力（碰觸，鳳力）F對轉動軸0的力矩將會引起L形欄架傾覆，而欄架的重力G對軸0的力矩起抵抗傾覆的作用，以保持L形欄架的穩定。當傾覆力矩大于抗傾覆力矩時，欄架就要繞軸0按逆時針方向轉動；反之，欄架就保持其穩定平衡狀態不變。
力矩
力和力臂的乘積叫作力對轉動軸的力矩。力對物體的轉動作用取決于力矩的大小，力矩姓大，力對物體的轉動作用越大。
討論
為什么人在跨欄跑時，不能從與圖1-40相反的方向跨欄
二、結構的強度
(一） 強度與應力
構件在沒有受到外力作用時，其內部質點之間就已經存在著相互作用力，這種作用力使各質點之間保持一定的相對位置，并使構件維持一定的形狀，這時構件內各質點之間的相互作用力稱為固有內力。
當外力作用于構件時，構件產生變形，原來各質點在固有內力作用下的平衡狀況被破壞，名相鄰質點之間產生了附加的相互作用力，這種相互作用力稱為附加內力。在討論構件的強度等問題時，常將附加內力簡稱為內力。
內力是由外力引起的，是對變形的一種抵抗。一般來說，外力越大，則構件的內力越大。當內力達到一定數值時，構件就會被破壞。在工程技術中，不允許任何構件在正常工作情況下被破壞。這就要求構件必須具有抵抗被破壞的能力，這種能力稱作強度。
從強度角度看，外力越大，構件內力也隨之增大，構件被破壞的危險性就越大，但僅僅憑內力的大小還不能確切反映一個構件的危險程度，那么它還與什么有關呢 我們可以通過一個小試驗來探究。
立即行動
你參加過拔河比賽嗎 拔河用的繩子通常是用多股細繩子絞合在一起做成的，試著分析這樣設計的目的。同樣的原理還運用到了生活中的哪些物品中
(二) 強度與材料
我們用手輕輕擠紙杯，紙杯就會變形，而用同樣的力擠壓不銹鋼杯，不銹鋼杯的外形則無明顯改變。這一簡單的例子反映了什么
實踐
許多現代的建筑物都是用鋼筋混凝土梁、柱構成框架的?；炷脸惺臼軌毫?，但不耐拉力。圖1-45所示為混凝土梁受荷載的情況，它上部受到壓力被擠壓，下部受到拉力而被拉伸。
（1）根據混凝上梁受荷載的情況，討論混凝上梁存在的弱點。
（2） 根據圖1-6所示鋼筋混凝土梁受荷載的情況，解釋鋼筋混凝土梁較混凝土梁的優點是什么
（3）如果在建筑物建造過程中，未接照設計要求在鋼筋混凝土梁中放置規定數量的鋼筋，則鋼筋混凝土梁在受到相應的荷載時會發生什么情況
結構的強度與其所用材料有關，不同材料構成的結構，其強度各不相同。
(三) 強度與形狀
實踐
請分組完成下列試驗
試驗一:如圖1-47，將3根木條疊放在一起，放在兩摞厚度相同的書上，然后在木條上懸掛重物，逐漸增加懸掛物的質量，觀察木條的變形情況。
試驗二:將試驗一中的3根木條沿著長邊相互粘接（圖1-48），形成一個三陵柱體，放在與試驗一相同的兩摞書上，重復試驗一的操作，記錄三棱柱的變形情況。
比較試驗一和試驗二中木條的變形情況，可得出結論:________________
結構的強度還與構件的形狀有關、人們常常把構件做成一定的形狀，如工業生產中的工形橫梁、角鋼、管材等型材。由于這些型材在相同結構強度的情況下，具有用料少、質量小等優點而被廣泛應用。如圖1-49是橫截面形狀像工字的金屬橫梁，被稱作工形橫梁。工形橫梁被廣泛應用于建筑工程中，構成建筑物的骨架。
立即行動
構件的橫截面形狀也會極大地影響它的強度。圖1-50所示的具有相同橫截面面積、不同橫截面形狀的同種材料，在承受相同荷載時，哪一種的強度最大 為什么
薄板材料也可以通過折疊改變其形狀以達到增加強度的目的。如圖1-51所示，通過折疊薄鋼板的邊緣，就構成了具有一定強度的板架。類似地，現代汽車上的薄板通過精心的折疊設計，可達到所需要的強度，如圖1-52所示。一張軟紙，可以通過折疊成可伸縮的形狀（手風琴式）而得到加固，也可以緊緊地卷成管狀以進一步增加強度，如圖1-53所示。
構件材料的形狀不同，其承受力的情況也不同，圖1-54中構件材料的橫截面形狀適用于承受拉力，但不適用于承受壓力；圖1-55中構件材料的橫截面形狀適用于承受壓力，也適用于承受拉力。
三、結構的連接
我們通常說的連接就是通過一定的方式把兩件或兩件以上的物體連在一起。同樣，結構的連接也是通過一定的連接物將構件組成整體結構?？茖W、合理的連接，不僅可保證結構或構件的形狀穩定，還能提高結構的強度，使它足以支自身質量及荷載。
讓我們通過下面的活動，觀察連接對結構穩固的影響。
實踐
試用撲克牌搭建如圖1-59所示的結構，搭建時分別采用粘接和不粘接的方法，比較這兩種方法所搭建的結構在示受相同的荷載時出現的情況是否相同，并說明原因。
表1-2 連接對結構穩周的影響
方法 現象 原因
粘接
不粘接
構件連接處的強度是影響整個結構強度和穩定性的重要因素，而構件連接處的強度取決于它的連接方式、連接技術和連接處的牢固程度等。
榫卯泛指在兩個木構件上采用凹凸結合的連接方式，是中國古代建筑、家具及其他木制器械的主要連接方式(圖1-0)。凸出部分叫榫(或榫頭），凹進部分叫卯(或榫眼、榫槽），榫和卯咬合。起到過接作用。在實際應用中有許多種榫卯。
生活經驗告訴我們，榫卯連接的木椅比釘接的穩固，不易變形。在實際結構中，各構件的連接方式是多樣的。除榫卯連接外，常見的接方式還有鉸接( 圖1-61)、螺栓連接（圖1-62) ，繩系，粘接，焊接(圖1-63)、鉚接（圖1-64) 等。
知識窗
構件的結點
一般我們把構件間的連接區叫作結點，結點有以下兩種。
1.鉸結點:被連接的構件在連接處不能相對移動，但可相對轉動，即可以傳遞力，但不能傳遞力矩?？h體有松螺栓、銷提等，如機械連桿與滑塊的連接、折疊傘的傘骨架的連接等。
2.剛結點;被連接的構件在連接處既不能相對移動，又不能相對轉動；既可以傳遞力，也可以傳遞力矩。具體有膠接、焊接等，如自行車三腳架的連接等。
建筑工程上普遍使用的鋼架就是用剛結點連接各杠件所組成的結構；桁架則是用絞結點連接所組成的結構，由于桁架各杠只受軸向力作用，應力分布均勻，材料可得到棄分利用。
立即行動
1.A形鋁梯各構件間采用的是什么連接方式 這樣的連接方式有什么好處
2.列舉鉸接、螺栓連接、繩系、粘接、焊接、鉚接等連接方式在工農業生產和日常生活中的具體應用。
四、結構的強度和穩定性試驗
技術試驗是解決技術向題的重要方法。技術試驗有多種作用，如對不同材料進行強度試驗，可過選擇出符合設計要求的材料；對結構進行加載模擬試驗，可檢測或改進結構的強度。技術試驗有多種方式，如撞擊試驗、承轉試驗和模擬試驗等。
下面我們一起來學習如何進行技術試驗，通過技術試驗加深對本章知識的理解，以及了解影響結構強度和穩定性的多種因素。
實踐
技術試驗
1.將3條長30cm，橫是面為10mmx 10mm的木棍銷接在一個圓盤上，組成一個三腳架(圖1-65]。將三腳架放在光清的臺面上，在三腳架上加載重物，觀察三腳架的幾何形狀會發生什么變化，并記求在表1-3中。
表1-3 試驗記錄（1）
序號 重物的質量 觀察到的現象
2.在三腳架的三條腿處栓上橡皮筋（圖1-66），重復試驗1的加載過程，觀察橡皮筋的變化，并記求橡皮筋的長度變化。橡皮筋發生的變化說明了什么
表1-4 試驗記錄（2）
序號 重物的質量 橡皮筋的長度
3。用彈簧測力計替代像皮筋( 圖1-67），重復試驗1的加載過程，記錄彈簧測力計的讀數。
表1-5試驗記錄（3）
序號 重物的質量 彈簧測力計的讀數
討論
1.在三腳架承載重物時，如何保持其幾何形狀基本不變
2.如果采用在三腳架各邊增設橫檔的方法對三腳架的結構進行改進，使其在承載質量為5kg的重物時，能保持幾何形狀基本不變，那么在選擇橫檔材料時應考慮哪些因素 如何將橫檔與三腳架連接
技術試驗二
設計技術試驗方案，對改進后的三腳架結構進行承載試驗，并寫出技術試驗報告。
試驗目的
1.檢驗選擇的橫檔材料是否滿足設計要求。
2.檢測改進后的三腳架結構是否能承載質量為5kg的重物，并且保持幾何形狀基本不變。
3.檢測三腳架結構中各構件的連接是否牢固。
試驗方案
設計技術試驗的方案時，可以從以下幾個方面考慮:
1.加載重物的質量要滿足要求（可用砝碼、沙、石等），加載重物時應均勻增加荷載并使其均勻分布。
2.應從三腳架的結構、構件的強度和連接的可靠性等方面進行試驗評定。
3.根據試驗方案和要求，設計記錄的內容。
以小組為單位，分工合作。可參考表1-6自行設計技術試驗報告的欄目
請同學們對承載試驗中發現的不足，提出改進建議。
表1-6 技術試驗報告
試驗小組: 試驗日期:
報告名稱
試驗目的和要求
設備及
試驗方案
試驗記錄
數據整理
試驗評定
交流評價
各小組交流和展示技術試驗方案和試驗評定。以班級為單位，討論各組技術試驗的優缺點，比較各組試驗結果的差異并分析其原因。
討論、思考、形成小論文。
每位同學組織一篇小作文，可以從不同的方面進行展開。
完成后，與同學們進行討論、分享。
課后作業
L.在相同尺寸的竹竿和脆性塑料桿上不斷加掛相同質量的重物時，發現脆性塑料桿無斷裂，原因是什么 請試著利用所學知識進行分析。
2.為什么高樓大廈下層的支往比上層的粗，且墻體也比上層的厚

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