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(共17张PPT)
第四节：系统的设计
学习目标
理解系统设计的基本方法
能综合运用所学知识按要求进行系统设计
能分析、总结、归纳处系统设计的方法
基本含义
是在系统分析的基础上设计出满足预定目标的系统的过程。除了遵循设计的一般过程、原则和标准外，还强调分析思维和综合思维相结合，注重在考虑整体的前提下具体研究解决局部问题。系统设计特别强调：
1.以实现系统整体功能最优为目的。
2.设计好系统的个要素和子系统。
3.综合考虑统各个部分（要素）之间的联系，合理解决它们之间的冲突，注重系统与环境、部分（要素）与整体之间的协调。
4.设计方案的分析、比较和优化。
一、系统设计的基本方法
水火箭设计的总体目标及性能
要求：用一个容量为2L的饮料瓶制作气压式喷水推进火箭。火箭射高(即上升到最高点时的高度 )大于8m，射程大于22m。
水火箭的设计
确定系统设计的总体目标及性能目标
调查研究，对水火箭进行系统分析
1.水火箭飞行的外部环境调查分析
受力状况：重力、空气动力(包括空气阻力)。
天气状况：风向、风速、雨、雪等。
地理环境：发射点高度、目标点高度等。
基本设计分析
1.系统设计的约束条件。
调查研究，对水火箭进行系统分析
2.水火箭飞行的基本原理分析
（1）动力来源。
水火箭发射时，加压的水从箭体尾部高速喷出产生反冲推力，推动水火箭飞行。
（2）飞行轨迹。
在各种力(主要是推力、重力、空气动力)的作用下，水火箭飞行速度不断变化，并形成了一定的轨迹—弹道，如图3-37所示。以上分析可知，增大水火箭飞行的反冲推力，减少水火箭飞行的空气阻力，是提高水火箭飞行效果的关键。
基本设计分析
2.了解系统设计的基本原理。
初步方案设计
制订设计方案
1.确定系统的结构组成。
2.子系统设计及功能确定。
思考:
（1）什么形状的箭体能减少水火箭飞行时所受的空气阻力
（2）箭头应设计成什么样的形状 为什么
（3）箭头越轻越好吗
（4）为何要装上箭翼
（5）箭翼的形状、大小怎样才合适 为什么
系统总体技术设计
合理解决子系统(要素)之间的矛盾冲突，加强系统内部、系统与环境之间的协调配合。
影响水火箭飞行的主要因素分析
1.动力舱内气压、水量与水火箭射程及飞行高度的关系。
动力舱气压越大，水喷射的速度越大，反冲推力也越大，水火箭飞行速度就越快，飞行高度就越高，射程也越远。但如果气压过大，超出舱体的承受能力，就会引起爆裂，必须十分注意安全。
在一定的范围内，动力舱内水越多，水火箭获得的能量就越大，射程就越远，飞行高度也越高。但如果水量过大，当动力舱内、外气压差降至零，喷射停止时，舱体仍残留一定的水量，会增加水火箭的质量，使水火箭受重力的影响提前坠落。所以，只有当水火箭动力舱内的气压与水量恰当时，水火箭才能飞得更高、更远。通过多次实验、比较，获得气压和水最合适量如下表。
组装与测试
按照设计方案组装水火箭并进行飞行测试
系统的优化
1.分析影响系统优化的主要因素，提高系统的整体运行效果。
2.设计方案不断验证和完善。
系统的评价及改进
实验虚化哦 水量/mL 气压/Pa 水平射程/m
2.发射仰角对射程及飞行高度的影响
水火箭发射弹道与抛体运动理论密切相关。在理想的情况下、发射仰角为45°时射程最远。但在实际发射中，必须考虑空气动力和其他因素的影响。当发射仰角太小时，水火箭向上的分力不大、爬升高度不大，由于重力影响，容易坠落、使射程缩短。而当发射仰角太大时，水火箭向上的分力虽大，但向前分力太小，致使出现“高而不远”的情况。实际上最优的发射仰角往往比45°要大。
系统设计的基本方法归纳
明确设计总体目的及要求
调查研究进行基本的设计分析
系统的设计 系统整体组成
子系统的设计
系统总体技术设计
系统的优化
系统的评价
案例分析：简单雨水收集系统方案设计P112-113
二、简单系统的设计
案例分析：气垫船模型设计及制作
目的及要求
通过具体的设计活动，进一步理解和运用系统设计的基本方法，增强运用系统思考和工程思维解决实际问题的能力。
绘制简单的设计图纸。
以小组为单位，分工合作完成。每3-5人为一组，明确任务分工及设计时间进度。
设计过程
设计目标及要求：讨论并列出总体目标和具体性能指标。
调查研究，收集相关资料。
1.了解设计对象可利用的资源、条件。
2.收集、整理有关技术资料。
设计初步方案。
1.综合考虑。
(1)每个子系统的功能、子系统和系统整体的相互联系。
(2)各元素选择、比例和配置(船壳、电动机、螺旋桨、电池等的选择)。
(3)周围环境和条件对系统的制约。
(4)安全、环保因素，避免设计的隐患及系统对人体健康和环境的不良影响。
(5)节能、经济原则。
2.绘制气垫船模型的简单设计图纸，有条件可运用计算机软件CAD绘制。
3.列出所用材料(器材)清单。
收集意见，优化设计方案。
评价小结
1.分别对各小组的设计方案进行评价。
评价指标 小组自评 小组互评 教师评价
团队合作
功能实现
元素选择、比例和配置
安全、环保
经济、节能
美观
设计特色（创意）
设计图纸
其他
2.比较各个小组的设计方案，分别列出各个方案的优点和不足，并提出修改意见。
序号 优点（创新） 不足 改进建议
作业：完成P117页习题

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