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[教學課題]常見結構的認識

[教學目的]了解結構的含義，從力學的角度理解結構的概念和一般分類，能結合1-2種簡單的結構案例，分析結構是如何承受力的，理解結構的類型。

[教學重點]結構與力，結構的類型

[教學難點]結合案例分析

[教學過程]

一、無處不在的結構：

[引入新課]放映蜂窩、蜘蛛網、大樹、動物的身體與器官等結構圖。

引導學生觀察結構圖。

引導學生分析蜂窩的結構。這種結構的優點在哪里？

[歸納結構概念]：結構是指事物的各個組成部分之間的有序搭配和排列。

（一）、自然界事物結構

[閱讀案例]：蒼耳子與尼龍搭扣;

[學生思考]魯班發明鋸子

從傳說中可以看出，魯班所以會想到制造鋸子來鋸大樹，主要是因為他從絲茅草劃破他的手指這件事中得到了啟發。既然象絲茅草這樣較薄脆弱的小草，由于兩邊有許多小細齒，就那樣鋒利，能輕易地把人的手指劃開一條口子，那末，如果將鐵片的邊上也刻成許多小細齒，自然會更加鋒利，可以用來更快地伐倒大樹了。很顯然，從思維的推論過程來說，魯班就是根據絲茅草與鐵片的共同點的類比，再由絲茅草因有小細齒而更加鋒利的事實推出結論：如果鐵片邊上刻上細齒，也將會更加鋒利。很據這樣的推理，魯班發明了鋸子。

從魯班發明鋸子的傳說來看，魯班在發明鋸子的過程中，主要是運用了類比推理這種推理形式。

[關鍵]只要你平時多留意，常帶一支筆一張紙在身上，把看到、想到和遇到的問題即刻記錄下來，課后再動腦筋，找靈感，實現你的這些想法，如果這些問題都解決了，那你的發明不就出來了嗎？

[閱讀案例]:鳥與飛機;

鷹眼與導彈跟蹤系統。

鷹可以在幾千米的高空準確無誤地辨別地面上的動物,這是因為它的眼部結構比較特殊。人類每只眼睛的視網膜上都有一個凹槽,叫做中央凹。而老鷹眼中的中央凹卻有兩個,這兩個中央凹的作用不同,其中一個專門用于接收來自鷹頭側面物體的像,另一個用于接收來自鷹頭前方物體的像。這樣,老鷹的視覺范圍就寬多了,能兼顧前方和側面。根據鷹眼的結構,人們正在研制“鷹眼”導彈系統。這種導彈系統能自動尋找、識別目標并跟蹤攻擊。

[進一步拓展]：除了根據鷹眼的結構,人們正在研制“鷹眼”導彈系統以外，你還受到哪些啟發？

如果在人類的視網膜上象鷹一樣有兩個凹槽，世界將會如何變化？

將來運用技術手段在人的視網膜造出兩個凹槽,有這種可能嗎？

看來我們人類好多地方不如動物,不能象鳥一樣在空中自由飛翔,不能象魚一樣在水中歡快游蕩,奔跑速度不如狗，打斗力氣不如虎。人類憑什么能成為動物界的統治者呢?—超人

啟發學生回答：憑大腦,憑學習,人類把幾千年知識在幾年十幾年中繼承過來并在原來的基礎上進行創新，現在進入知識經濟時代，人類知識總量幾年就要翻一番。

教育學生：人與人之間有競爭,而且可能很激烈，能否立于不敗之地,在于不斷學習。

[學生思考]：生產生活中還有哪些產品的結構是受到自然界事物結構的啟發而產生的？

烏賊游得很快，是因為它的腕的基部中央有口，水從開口流入，在軀體的收縮下，形成強有力的水流。當水流從漏頭噴出時，烏賊便依此前進。

螞蟻的力量非凡的嘴巴給了科學家們發明推進體系的微型機器人的靈感，美國伊利諾大學香檳分校的生態學家兼昆蟲學家安德魯•蘇雷茲他告訴《生命科學》雜志：“如用于營救工作的機器人。”

[啟發學生回答]：通過對自然界中形形色色的結構的分析和研究,給了人們無限的創造靈感和啟示。人們將其成果應用到技術領域,更好地服務于人類。

（二）、技術領域中的結構

[閱讀案例]:羊毛衣，潛水艇……。

魁北克大橋的坍塌。

[學生思考]：大橋坍塌的原因是什么？

擅自改變橋的結構。1907年，加拿大魁北克附近的圣勞倫斯河上落成了全球最長的拱橋。該橋采用了比較新穎的懸臂構造，這樣的結構非常流行。盡管只比蘇格蘭愛丁堡福斯河上非常成功的懸臂大橋稍長一點，但魁北克大橋存在設計問題，還未完工就坍塌了。

目前，鋼索斜拉橋的技術應用已經達到了極限，遠遠超乎了設計者們最初的想象。斜拉構造的普遍成功讓這種橋型幾乎無處不在。于是，橋面長度的日益增長已經步入了曾導致事故的做法后塵。鋼索斜拉橋重大事故是否會很快出現，還是會出現在歷史提示的2030年，這并不取決于計算機分析，而是取決于橋梁工程師是否了解過去的歷史，并下定決心避免事故的重演。

（三）、社會領域中的結構

一篇文章的內容結構影響文章的表達與質量,一家企業的人員結構關乎企業的運行與效率。

[學生思考]：請分別列舉自然界、技術領域、社會領域給你印象較深的有關結構的事例？

二、結構與力

從力學角度來說,結構是指可承受一定力的架構形態,它可以抵抗能引起形狀和大小改變的力。

[分析]自行車的受力情況

[講解]應力概念。

當一個結構受到外力作用時,內部各質點之間的相互作用會發生改變,產生一種抵抗的力,稱為內力。應力達到某一極限值時,結構就會遭到破壞。用公式表示應力為σ=F/s,其中,F是內力,S是受力面積,σ是應力。

[講解]構件的基本受力形式：拉力、壓力、剪切力、扭轉力和彎曲力。

[案例分析]：人坐在椅子上,椅面受到的力；行人和車輛通行的橋面受到的力。

[學生概括]五種基本受力形式：

拉力物體所承受的拉拽力

壓力擠壓物體的力

剪切力兩個距離很近,大小相等,方向相反,且作用于同一物體上的平行力

扭轉力反方向向物體兩端均勻施力,使物體發生扭轉形變的力

彎曲力作用于物體,使它產生彎曲的力

[分析案例]學習椅面、簡易橋梁的受力,分析結構是如何承受力的。

[展示]一些采用架、梁、拱結構的建筑物的圖片。

[試驗]指導學生做“紙板承受壓力試驗”：

比較不同形狀的紙板承受壓力的大小。

試驗準備、試驗過程（略）

回答問題：

1.哪種情況下紙板的抗壓能力最強?

2.舉例說明這一結論在實際應用中有什么意義。

3.如果把紙板折成瓦楞狀,試驗結果會發生什么變化?

[探究]：觀察右圖,說明石磨的推桿為什么要用一根繩子吊起來。

進一步挖掘：石磨在推動過程中，繩子在空間的軌跡是一個什么圖形？

三、結構的類型：

1實體結構：實心結構

受力特點：外力分布在整個體積中

實體結構可以連續傳遞載荷，適于承受壓力。

案例分析實心墻等

2框架結構：細長的構件

受力特點：支撐空間而不充滿空間

框架結構是由桿件或板件連接而成的，構件可以是空心，也可以是實心；可以是平面框架，也可以是空間框架。由于這種結構用料少，可以承受多種載荷，因此用得很廣泛。

案例分析竹排

3殼體結構：層狀結構

受力特點：外力作用在結構體的表面上

殼體結構是用薄壁殼狀構件來替代空間框架而形成的一種空間結構。由于它可以將作用在其上的集中橫向載荷分散為沿殼體的壓力。因此在場館建設中用得很多。

[案例分析]：頭盔，汽車外殼等

[學生討論]：進入工地時總是被要求戴上安全帽，為什么？

[案例分析]埃菲爾鐵塔

[課后作業]：p011練習1、2題