资源简介

通用技术 必修 技术与设计2
第一章 结构及其设计
第二节探究结构
教学背景
党的二十大报告指出，“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力，深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略”。
通用技术是一门与科学技术息息相关的学科。回顾人类的发展历程，从石器时代、青铜时代、蒸汽机时代直到当今的信息时代，技术进步改变着人类的生活和生产方式。我们的生活、工作、生产处处都要用到技术，例如我们手中拿的圆珠笔和钢笔就是多次技术改造的结果，使我们足不出户就可以了解世界的电视机也是技术发明的成果。认识技术、善用技术，已成为现代人必须具备的素质。
教学目标：
理解结构稳定性的概念。
能通过技术试验探究影响结构稳定性的主要因素。
应用探究所学知识解决实际问题。
逐步学会运用所学的思想和方法分析技术问题。
经历将基础知识应用于技术实践和创新的过程，同学们会养成实事求是、精益求精的习惯，能运用规范的技术语言和设计制作方法去解决一些实际的技术问题。
教材分析
本节课以提高同学们的核心素养为主旨，以学习思想和方法为基础，以设计和操作实践为主要特征，培养同学们的实践能力和创新意识，体现科技与人文相统一。
学情分析:
　　在日常生活中，学生接触到了很多结构，但是都没有认真的对结构进行分析探究。
教学重难点:
重点: 理解结构稳定性的概念。
难点: 通过技术试验探究影响结构稳定性的主要因素。
教学策略:
本节课教学主要由教师通过实物图片和多媒体手段设置学习情境，并加以引导，让学生在过程中自主探究、自主建构设计原则知识并形成能力。
教学准备:
展示用的图片、其他技术产品、多媒体课件。
　　教学过程:
　　情景导入:
老师：本节课我们学习通用技术 必修 技术与设计2第一章第二节探究结构。
2010年2月27日(当地时间)，智利中部发生了8.8级地震，震中距智利第二大城市康塞普西翁100 km，距首都圣地亚哥320 km。这是全球有记载以来的第七大地震，令人惊讶的是，在地震中，圣地亚哥、康塞普西翁的大部分建筑仅出现程度不等的开裂和倾料，并没有发生整体倒塌。
智利位于环太平洋地震带上，每隔20年左右就会发生一次特大地震。频繁的强震不仅强化了民众的防灾意识，还造就了智利“坚不可摧”的房屋。当地建筑物在设计和建造时，都要符合抗击9级地震的建筑标准。“强柱弱梁”是智利建筑的一大特点:发生大地震时，脆弱的房梁断裂，使地震释放的能量得到缓冲；而坚固的房柱则不折断，避免了房屋的整体倒塌，有效减少伤亡人数。
导学思考
怎样才能使结构稳固 结构稳固与哪些因素有关
一、结构的稳定性
结构的稳定性是指结构在荷载的作用下维持其原有平衡形式的能力。影响结构稳固的因素有哪些呢 让我们通过下面的学习共同探讨。
实践
在日常生活中，人们经常会用到A形铝梯(图1-32)。使用A形铝梯时，需要将两梯面打开呈“人”字形(梯面问的横杆必须平直 )，使4个梯脚与地面接。一般来说，A形铝梯最大承重为150kg，梯脚对地面绝缘电压为800V。请同学们根据A形铝梯的特征，完成以下分析与实践活动。
1.分析当人站在A形铝梯上时，A形铝梯两梯面和横杆构件的受力情况。
2.用2根相同的长木条、1根短木条及自选连接物制作一个简易装置，如图1-33所示。设计试验过程。完成A形铝梯几何形状稳定性模拟试验。
3.根据受力分析和试验情况，讨论A形铝梯为什么能够承受人体的压力，以及在设计铝梯时如何在几何形状上保证其稳定性。
三边确定的三角形构成稳定的几何结构。A形铝梯的两梯面和横杆构成三角形的几何结的，就是利用几何形状保证结构的稳定性。当连按两个场面的横杆拉直时，两个梯面的上半部分就与横杆构成了稳定的三角形，这样梯子的几何结构就是稳定的，保证了梯子能承受人体的压力。
建筑工程中广泛运用了三角形的稳定性，如房子、桥梁的桁架、钢架结构的十字钢梁、空调支架(图1-34) 等。在四边形的框架中加杆件作对角线，形成多个三角形，能有效加强结构的强度和稳定性，同时也节省了用料和减轻了结构的质量( 图1-35 )。
从以上的结构设计例子中，我们知道几何形状是保证结构稳定性的因素。影响结构稳定性的因素还有哪些？请通过下面的实践活动进行探究。
实践
1.将物体放置在一个平面上。连接物体所有支撑点的平面就是支撑面。分析台灯和椅子( 图1-36)的接触面和支撑面分别是什么。接触面和支撑面有什么区别？
2.在保证支撑面一样的情况下。结构重心是否会影响其稳定性？将三个瓶子(自重忽略不计) 放在同一平面上(图1-37)，调整该平面的料度，看看哪个瓶子会先倒下。
3.使图1-38的框架慢慢倾料直至倒下。观察在此过程中其重心垂线和支撑面存在什么关系。
通过以上实验，你能总结出影响物体结构稳定性的因素吗？
结构的稳定性与其几何形状、支撑面面积的大小和重心位置密切相关。结构要达到稳定，首光，整体几何形状必须科学合理；其次，支持面面积越大，重心越低，其稳定性越强。因此，在进行结构设计时，要尽可能使结构所受的重力集中在底部。降低重心，并使其重心垂线落在支撑面内，从而提高结构的稳定性。
立即行动
如图1 -30所示的物品为什么不易倾倒
落地风扇、落地灯、电脑显示屏、不倒翁
你参见过跨栏跑训练（图1-40）吗 你知道在跨栏跑过程中，为什么有时L形架会倾覆吗
如图1-41所示是L形栏架的侧视图，外力（碰触，凤力）F对转动轴0的力矩将会引起L形栏架倾覆，而栏架的重力G对轴0的力矩起抵抗倾覆的作用，以保持L形栏架的稳定。当倾覆力矩大于抗倾覆力矩时，栏架就要绕轴0按逆时针方向转动；反之，栏架就保持其稳定平衡状态不变。
力矩
力和力臂的乘积叫作力对转动轴的力矩。力对物体的转动作用取决于力矩的大小，力矩姓大，力对物体的转动作用越大。
讨论
为什么人在跨栏跑时，不能从与图1-40相反的方向跨栏
二、结构的强度
(一） 强度与应力
构件在没有受到外力作用时，其内部质点之间就已经存在着相互作用力，这种作用力使各质点之间保持一定的相对位置，并使构件维持一定的形状，这时构件内各质点之间的相互作用力称为固有内力。
当外力作用于构件时，构件产生变形，原来各质点在固有内力作用下的平衡状况被破坏，名相邻质点之间产生了附加的相互作用力，这种相互作用力称为附加内力。在讨论构件的强度等问题时，常将附加内力简称为内力。
内力是由外力引起的，是对变形的一种抵抗。一般来说，外力越大，则构件的内力越大。当内力达到一定数值时，构件就会被破坏。在工程技术中，不允许任何构件在正常工作情况下被破坏。这就要求构件必须具有抵抗被破坏的能力，这种能力称作强度。
从强度角度看，外力越大，构件内力也随之增大，构件被破坏的危险性就越大，但仅仅凭内力的大小还不能确切反映一个构件的危险程度，那么它还与什么有关呢 我们可以通过一个小试验来探究。
立即行动
你参加过拔河比赛吗 拔河用的绳子通常是用多股细绳子绞合在一起做成的，试着分析这样设计的目的。同样的原理还运用到了生活中的哪些物品中
(二) 强度与材料
我们用手轻轻挤纸杯，纸杯就会变形，而用同样的力挤压不锈钢杯，不锈钢杯的外形则无明显改变。这一简单的例子反映了什么
实践
许多现代的建筑物都是用钢筋混凝土梁、柱构成框架的。混凝土承示受压力，但不耐拉力。图1-45所示为混凝土梁受荷载的情况，它上部受到压力被挤压，下部受到拉力而被拉伸。
（1）根据混凝上梁受荷载的情况，讨论混凝上梁存在的弱点。
（2） 根据图1-6所示钢筋混凝土梁受荷载的情况，解释钢筋混凝土梁较混凝土梁的优点是什么
（3）如果在建筑物建造过程中，未接照设计要求在钢筋混凝土梁中放置规定数量的钢筋，则钢筋混凝土梁在受到相应的荷载时会发生什么情况
结构的强度与其所用材料有关，不同材料构成的结构，其强度各不相同。
(三) 强度与形状
实践
请分组完成下列试验
试验一:如图1-47，将3根木条叠放在一起，放在两摞厚度相同的书上，然后在木条上悬挂重物，逐渐增加悬挂物的质量，观察木条的变形情况。
试验二:将试验一中的3根木条沿着长边相互粘接（图1-48），形成一个三陵柱体，放在与试验一相同的两摞书上，重复试验一的操作，记录三棱柱的变形情况。
比较试验一和试验二中木条的变形情况，可得出结论:________________
结构的强度还与构件的形状有关、人们常常把构件做成一定的形状，如工业生产中的工形横梁、角钢、管材等型材。由于这些型材在相同结构强度的情况下，具有用料少、质量小等优点而被广泛应用。如图1-49是横截面形状像工字的金属横梁，被称作工形横梁。工形横梁被广泛应用于建筑工程中，构成建筑物的骨架。
立即行动
构件的横截面形状也会极大地影响它的强度。图1-50所示的具有相同横截面面积、不同横截面形状的同种材料，在承受相同荷载时，哪一种的强度最大 为什么
薄板材料也可以通过折叠改变其形状以达到增加强度的目的。如图1-51所示，通过折叠薄钢板的边缘，就构成了具有一定强度的板架。类似地，现代汽车上的薄板通过精心的折叠设计，可达到所需要的强度，如图1-52所示。一张软纸，可以通过折叠成可伸缩的形状（手风琴式）而得到加固，也可以紧紧地卷成管状以进一步增加强度，如图1-53所示。
构件材料的形状不同，其承受力的情况也不同，图1-54中构件材料的横截面形状适用于承受拉力，但不适用于承受压力；图1-55中构件材料的横截面形状适用于承受压力，也适用于承受拉力。
三、结构的连接
我们通常说的连接就是通过一定的方式把两件或两件以上的物体连在一起。同样，结构的连接也是通过一定的连接物将构件组成整体结构。科学、合理的连接，不仅可保证结构或构件的形状稳定，还能提高结构的强度，使它足以支自身质量及荷载。
让我们通过下面的活动，观察连接对结构稳固的影响。
实践
试用扑克牌搭建如图1-59所示的结构，搭建时分别采用粘接和不粘接的方法，比较这两种方法所搭建的结构在示受相同的荷载时出现的情况是否相同，并说明原因。
表1-2 连接对结构稳周的影响
方法 现象 原因
粘接
不粘接
构件连接处的强度是影响整个结构强度和稳定性的重要因素，而构件连接处的强度取决于它的连接方式、连接技术和连接处的牢固程度等。
榫卯泛指在两个木构件上采用凹凸结合的连接方式，是中国古代建筑、家具及其他木制器械的主要连接方式(图1-0)。凸出部分叫榫(或榫头），凹进部分叫卯(或榫眼、榫槽），榫和卯咬合。起到过接作用。在实际应用中有许多种榫卯。
生活经验告诉我们，榫卯连接的木椅比钉接的稳固，不易变形。在实际结构中，各构件的连接方式是多样的。除榫卯连接外，常见的接方式还有铰接( 图1-61)、螺栓连接（图1-62) ，绳系，粘接，焊接(图1-63)、铆接（图1-64) 等。
知识窗
构件的结点
一般我们把构件间的连接区叫作结点，结点有以下两种。
1.铰结点:被连接的构件在连接处不能相对移动，但可相对转动，即可以传递力，但不能传递力矩。县体有松螺栓、销提等，如机械连杆与滑块的连接、折叠伞的伞骨架的连接等。
2.刚结点;被连接的构件在连接处既不能相对移动，又不能相对转动；既可以传递力，也可以传递力矩。具体有胶接、焊接等，如自行车三脚架的连接等。
建筑工程上普遍使用的钢架就是用刚结点连接各杠件所组成的结构；桁架则是用绞结点连接所组成的结构，由于桁架各杠只受轴向力作用，应力分布均匀，材料可得到弃分利用。
立即行动
1.A形铝梯各构件间采用的是什么连接方式 这样的连接方式有什么好处
2.列举铰接、螺栓连接、绳系、粘接、焊接、铆接等连接方式在工农业生产和日常生活中的具体应用。
四、结构的强度和稳定性试验
技术试验是解决技术向题的重要方法。技术试验有多种作用，如对不同材料进行强度试验，可过选择出符合设计要求的材料；对结构进行加载模拟试验，可检测或改进结构的强度。技术试验有多种方式，如撞击试验、承转试验和模拟试验等。
下面我们一起来学习如何进行技术试验，通过技术试验加深对本章知识的理解，以及了解影响结构强度和稳定性的多种因素。
实践
技术试验
1.将3条长30cm，横是面为10mmx 10mm的木棍销接在一个圆盘上，组成一个三脚架(图1-65]。将三脚架放在光清的台面上，在三脚架上加载重物，观察三脚架的几何形状会发生什么变化，并记求在表1-3中。
表1-3 试验记录（1）
序号 重物的质量 观察到的现象
2.在三脚架的三条腿处栓上橡皮筋（图1-66），重复试验1的加载过程，观察橡皮筋的变化，并记求橡皮筋的长度变化。橡皮筋发生的变化说明了什么
表1-4 试验记录（2）
序号 重物的质量 橡皮筋的长度
3。用弹簧测力计替代像皮筋( 图1-67），重复试验1的加载过程，记录弹簧测力计的读数。
表1-5试验记录（3）
序号 重物的质量 弹簧测力计的读数
讨论
1.在三脚架承载重物时，如何保持其几何形状基本不变
2.如果采用在三脚架各边增设横档的方法对三脚架的结构进行改进，使其在承载质量为5kg的重物时，能保持几何形状基本不变，那么在选择横档材料时应考虑哪些因素 如何将横档与三脚架连接
技术试验二
设计技术试验方案，对改进后的三脚架结构进行承载试验，并写出技术试验报告。
试验目的
1.检验选择的横档材料是否满足设计要求。
2.检测改进后的三脚架结构是否能承载质量为5kg的重物，并且保持几何形状基本不变。
3.检测三脚架结构中各构件的连接是否牢固。
试验方案
设计技术试验的方案时，可以从以下几个方面考虑:
1.加载重物的质量要满足要求（可用砝码、沙、石等），加载重物时应均匀增加荷载并使其均匀分布。
2.应从三脚架的结构、构件的强度和连接的可靠性等方面进行试验评定。
3.根据试验方案和要求，设计记录的内容。
以小组为单位，分工合作。可参考表1-6自行设计技术试验报告的栏目
请同学们对承载试验中发现的不足，提出改进建议。
表1-6 技术试验报告
试验小组: 试验日期:
报告名称
试验目的和要求
设备及
试验方案
试验记录
数据整理
试验评定
交流评价
各小组交流和展示技术试验方案和试验评定。以班级为单位，讨论各组技术试验的优缺点，比较各组试验结果的差异并分析其原因。
讨论、思考、形成小论文。
每位同学组织一篇小作文，可以从不同的方面进行展开。
完成后，与同学们进行讨论、分享。
课后作业
L.在相同尺寸的竹竿和脆性塑料杆上不断加挂相同质量的重物时，发现脆性塑料杆无断裂，原因是什么 请试着利用所学知识进行分析。
2.为什么高楼大厦下层的支往比上层的粗，且墙体也比上层的厚

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