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(共39張PPT)
第一章 結構與設計
結構的概念及分類
結構與力
結構的穩定性及影響結構穩定性的因素有哪些？
結構的強度及影響結構強度的因素有哪些？
經典結構的欣賞
知識點一：結構與構件
結構：是指事物的各個組成部分之間的有序搭配和排列。
結構的本質：結構的本質是結構為了承受力和抵抗變形。
形形色色的結構不僅給人以美的享受，而且還可以給人創造的靈感和啟示。你知道生產生活中有哪些產品的結構是受到自然界事物結構啟發而產生的呢？（利用仿生學技術發明 ）：
蒼耳子——尼龍搭扣
鳥——飛機
鷹眼——導彈跟蹤系統 海豚-----潛水艇
魚類——潛水艇的流線設計
蝙蝠——聲吶
老鷹——風箏
構件：一個較復雜的結構由許多不同的部分組成，各個組成部分我們稱為構件。
知識點二：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。
內力：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：是構件的單位橫截面所產生的內力。當應力達到某一極限時，結構就會遭到破壞
內力與應力的關系：δ=F/S （F：內力 S：受力面積 δ：應力）單位：米/平方米
構件的受力形式多種多樣，基本的受力形式有：拉力、壓力、剪切力、扭轉力、彎曲力
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：反方向對物體兩端均勻施力，使物體發生扭轉形變的力。
彎曲力：作用于物體，使物體產生彎曲的力。
【練1】下圖所示的是某農村小型水庫大壩的俯視圖，設計比較合理的是（ ）
A． B． C． D．
B
知識點三：常見結構的類型（從力學的架構與形態考慮）
⒈實體結構·——通常是指結構體本身是實心的結構。
·房屋的墻體、水庫的大壩、古代的城墻等，都屬于實體結構。
·受力特點：外力分布在整個體積中，能承受較大的壓力，一般是外形簡單。
⒉框架結構· 通常是指結構體由細長的構件組成的結構，支撐空間卻不充滿空間。
· 如窗戶、畫框和房子的架構、埃菲爾鐵塔、建筑框架、腳手架等。
·受力特點：是幾何外形較為復雜，能承受垂直和水平載荷，依據功能和使用條件的不同，可以設置成不同的框架組合。
⒊殼體結構· 通常是指層狀的結構。殼體內空，受力合理，形態穩定。
·飲水杯、文具盒、裝甲車、油罐、雞蛋、西瓜、汽車飛機的外殼、國家大劇院、悉尼歌劇院、帳篷、安全帽和燈泡……
·受力特點：是外力作用在結構體的表面上。
【2009年高考真題】
42、（5分）2009年4月25日，第十九屆全國書交易博覽會在山東舉行。開幕式上由10部巨型“書”拼接而成的背景墻給人留下了深刻印象。 （1）這些書籍造型最宜采用_______
（①框架②殼體③實體或實心）結構（填序號）
①
練2.城市居民用水多數通過市政的輸水管道輸送，水管的結構類型屬于（ ）
A．框架 B．殼體 C．實心 D．桁架結構
練3.如圖所示多功能椅子，平時可以當椅子使用，還可以用來搬運小物品。從力學架構與形態方面考慮，該椅子的結構屬于（ ）
A．實體結構 B．框架結構
C．殼體結構 D．桁架結構
B
B
知識點四：穩定及影響穩定性的因素
穩定指的不是狀態絕對不變，而是指受干擾后，允許狀態有所波動，但當擾動消失后，能重新返回到原來平衡狀態，則為穩定；不能回到原平衡狀態，為不穩定。
結構的穩定性是指結構在負載的作用下維持其原有平衡狀態的能力。
影響結構穩定性的因素
結構的形狀
重心的位置
盡可能降低結構的整體重心位置，相對穩定。
重心所在點的垂線落在結構底面的范圍內，則穩定。
長細比
支撐面的大小
支撐面
三角形支架
減小長細比增加結構穩定性
盡可能增大結構的底面面積
練4. 如圖所示的一個咖啡桌，在不影響其實用性的情況下，增加桌子的穩定性，下列做法中最優的方法是（ ）
A．減小桌面的面積 　B．降低桌面的高度
C．增大桌面的質量 　D．增大三角支架的質量
D
練5. 可以用受力結構的穩定性來解釋的事實是（ ）
　A、 拔河的繩子斷裂
B、廣告牌被臺風吹倒
C、雞蛋在某種情況下可以承受很大的外力
D、 耳機與電腦主機的插口接觸不良，聽不到音樂
B
【2009年高考真題】
34、（2分）小華喜歡做家務，他發現傳統長臂式晾衣架不方便撐起掛圓領衣物，于是嘗試對衣架進行改造并制作出木制可變形衣架（右圖）。
（1）改造后他發現衣架出現了結構不穩定的問題。為此他設計了4種改進方案，其中最穩定的是
知識點五：結構的強度
強度問題是指結構或者單個構件在穩定平衡狀態下由荷載所引起地最大應力（或內力）是否超過建筑材料的極限強度，因此是一個應力問題。
結構的強度是指結構具有的抵抗被外力破壞的能力
影響結構強度的主要因素
① 結構的形狀、② 使用的材料、③ 構件之間的連接方式
結構構件的連接通常有兩類：
鉸連接——被連接的構件在連接處不能相對移動，但可相對轉動。如：門與門框的連接
剛連接——被連接的構件在連接處既不能相對移動，也不能相對轉動。如：榫接、膠接、焊接
練6：下列構件連接方式屬于不可相對運動連接的是（ ）
A.合頁連接 B. 軸承連接
C. 銷釘 D. 捆綁
結構的功能：明確事物的不同功能是由事物的不同結構決定的。
D
知識點六：簡單結構的設計及經典結構的欣賞
結構設計應考慮的因素：
符合使用者對設計對象的穩定性和強度的要求，安全因素，公眾和使用者的審美需求，使用者的個性化需要，對設計對象的成本控制要求和一定的使用壽命。
經典結構的欣賞：盡量了解對象的背景、特色，從_________與__________的角度去欣賞和評價。
技術 文化
技術角度：結構的使用功能實現，結構的穩固耐用，結構造型設計的創意和表現力，材料使用的合理性，工藝制造的精湛程度等。
文化角度：結構的文化寓意與傳達，公眾認可的美學原則，反映時代、民族、習俗方面特征，結構個性特征等。
練習：
1、分析下列物體的結構類型，判斷哪個不屬于殼體結構。 　　A、西瓜 B、圓形陶瓷飾品 C、貝類 D、金字塔 2、吊蘭支撐架使用三角形支架結構，而不用由一根直桿挑起的結構，這說明以下哪個因素（ ）影響著結構強度？ 　　A、材料 B、形狀 C、構件 D、連接方式 3、走鋼絲的人手上拿著一條長棒的目的是（ ） 　　A、美觀 B、重心低 C、保護 D、支撐 4 下列結構是受自然界事物結構啟發而產生的（?。?　　A、口杯 B、衣服 C、飛機 D、手表 5、可以用受力結構的穩定性來解釋的事實是( ) 　　A 拔河的繩子斷裂
B 廣告牌被臺風吹倒
C 雞蛋在某種情況下可以承受很大的外 力
D 耳機與電腦主機的插口接觸不良，聽不到音樂 　　
6、在日常生活中，你所見到的以下哪一個結構是不屬于利用不穩定的結構實現某些功能的。（ ） 　A、游樂設施的蹺蹺板功能結構；
B、房間門口的活頁功能結構； 　C、學校運動場的籃球架結構；
D、圓珠筆的筆嘴結構。
7、鉆石有令人難以置信的強度，就是因為它的分子結構為四面體，每個面都是三角形，這說明了結構的強度與下面那個因素有關。（ ）
A、重點位置 B、結構的材料
C、結構的形狀 D、綜合利用以上各因素
8、賞析結構設計作品，可從技術角度和文化角度進行，下面不屬于技術角度的是（ ）
A、結構的穩固耐用 B、材料的使用
C、工藝的精湛程度 D、公眾認可的美學原則
1、時序：
時間上的先后順序就是時序。體現了具體活動內容的先后關系
在這種先后關系中，有些步驟之間的時序是不可顛倒的，有些步驟之間的時序是可以顛倒的。
2、環節
完成某一個具體目標、組成某項生產或某個活動過程的若干階段或小的過程。（事項的各個階段）
環節是一個相對的概念，環節的劃分依據不同人和事物性質不同可能會有所不同。
環節中又包含若干可以分解的、目標更具體的事項。在某項生產或某個活動中，環節是不可缺少的。
知識點七：流程
3、流程
是一項活動或一系列連續有規律的事項或行為進行的程序。（為了一定的目的去做事情的順序。）
任何流程都反映一定的時序，體現出一定的環節。
4、流程的表達----流程圖
流程圖有文字表達、表格表達、圖示表達、模型表達、動畫演示等。
流程圖中用箭頭、用數字序號、用時間等表達時序。流程圖的序號或方框反映了環節、工序的具體情況。
5、流程對生產、生活的意義
生活：提高生活的效率和質量，使生活變得有序、合理、為我們的安全提供保障。
生產：有效的組織生產，提高生產效率，降低成本，保證產品質量，保證安全生產，保護環境。
練1. 使用高壓鍋時要先放汽再開鍋蓋，否則有可能引發爆炸。從流程的角度來說，下列觀點錯誤的是（ ）。
A、任何流程的時序都是不可以更改的
B、不可顛倒的時序往往反映了事物的內在規律
C、合理正確的流程引導我們正確做事
D、生活中處處有流程
練2.下列關于流程的敘述，錯誤的是（ ）
A.任何流程都反映了一定的時序，體現出一定的環節
B.環節是相對的概念，有些環節還可以再細分為許多子環節
C.兩個或兩個以上的環節就能構成流程
D.在生產活動中，針對不同的生產過程和工藝要求，往往會有相應的流程
A
C
【2008年高考真題】
12.（1分）4×100米接力比賽是運動會上最激動人心的項目之一，團隊合作是取勝的重要因素。參賽選手除應具備嫻熟的傳接棒技術外，一般情況下，第一棒還應具備良好的起跑和彎道跑技術；第二棒應具備較好的速度耐力；第三棒除具備第二棒的優點外，還要善跑彎道；第四棒應短跑成績最好、沖刺力最強。現有四名同學：①小馬，校運動會800米亞軍；②小李，校足球隊主力前鋒；③小王，校運動會100米冠軍；④小劉，校運動會200米冠軍。據此判斷下列最合理的接力順序是（ ）
A．③①②④ B．①②④③
C．④③①② D．④②①③
流程設計應考慮的基本因素：
材料、工藝、設備、人員和資金、環境
流程設計的基本步驟
注：流程設計的基本要素是環節和時序；對于有嚴格時間的時序，要標注時間。
流程優化的目的
提高工作效率、降低成本、降低勞動強度、節約能耗、減少環境污染、保證安全生產等。
流程優化的內容
工期優化（節約時間）、工藝優化（節約材料）、成本優化（節約資金）、技術優化（添加新設備、改進設備）、質量優化（提高產品質量）等
流程優化的依據
以某一個指標的優化為主，結合考慮其他指標。
流程優化的條件
建立在設備和工藝水平提高的基礎上，建立在對流程內在機理進一步研究的基礎上。
練3、煉乳生產需要經過一個環節，蒸發濃縮。即將原料奶中大部分的水分蒸發。原始的方法是在鍋里直接給原料乳加熱，使其中的水分蒸發，由于常壓下，水沸騰的溫度在100°C左右，即造成原料奶中的營養成分破壞，會使部分煉乳顏色發生褐變．又會造成煉乳制造成本居高不下(要消耗大量煤)。隨著科學技術的發展，人們利用真空罐，在45～60°C，將原料奶的水蒸發，提離效率和質量。針對上述案例，下述說法錯誤的是( )
A．煉乳流程的優化建立在對生產工藝進一步認識的基礎上
B．煉乳設備的改進，導致流程工藝的優化
C．煉乳流程的優化，綜合考慮到濃縮、保持營養成分、降低成本等多種目的
D．煉乳流程的優化，主要表現在環節的減少
D
系統的定義：系統是由相互依存的若干要素或部分組成的、 具有特定功能的有機整體。
知識點八：系統及構成系統的條件
構成系統，必須具備三個條件：（怎樣判斷構成一個系統？）
至少有兩個或兩個以上的要素（部分）才能組成系統；
要素（部分）之間相互聯系、相互作用，按照一定的方式形成一個整體；
這個整體具有的功能是各個要素（部分）的功能中所沒有的
系統的分類：
（1）自然系統和人造系統； （2）實體系統和抽象系統：
（3）靜態系統和動態系統； （4）開放系統和封閉系統；
人體系統、生態系統是自然系統；城市系統、計算機系統和機械傳動系統是人造系統
生物系統、機械系統是實體系統；哲學系統、計算機的操作系統是抽象系統
自然系統
人造系統
實體系統
抽象系統
靜態系統
動態系統
開放系統
封閉系統
簡單系統
復雜系統
人體系統
知識點九：系統的特性
整體性 相關性 目的性 動態性 環境適應性
⑴整體性：
是系統最基本的特性，也是觀察和分析系統最基本的思想和方法。系統是一個整體，它不是各個要素（部分）的簡單相加，系統的整體功能是各要素（部分）在孤立狀態下所沒有的。系統的任何一個要素（部分）發生變化或出現故障時，都會影響其他要素（部分）或整體的功能的發揮。系統的整體功能大于組成系統的各部分的功能之和。
⑵相關性：
是指組成系統的各要素之間或系統整體與部分之間的相互作用、相互聯系、相互依賴、相互影響的關系，是彼此相關的。
⑶目的性：
任何系統都具有某種目的，都要實現一定的功能，這正是區別不同系統的標志。
⑷ 動態性：
物質都是不斷變化的，因此系統是一個動態系統，處在運動變化和發展之中。
⑸ 環境適應性：
系統都存在于一定的環境之中，并不斷的與外界環境進行物質的、能量的和信息的交換，系統必須適應外部環境的變化。
【練1】2007年10月我國自行研制的嫦娥一號上搭載了8種24臺件科學探測儀器，重130千克，即微波探測儀系統、γ射線譜儀、X射線譜儀、激光高度計、太陽高能粒子探測器、太陽風離子探測器、CCD立體相機、干涉成像光譜儀。這些儀器共有幾百萬個零部位，這些零部件本身都很一般，但是它們按照一定的結構組合在一起就構成了性能優異的探月衛星，從而體現了系統的（ ）
A．動態性 B．目的性 C．整體性 D．相關性
【練2】生物鏈最大的價值在于形成互相保護的網絡，也正是這個完整強大的生態網絡保護著人類。研究發現，世界鳥類95%以上是以昆蟲為食，它們是害蟲和鼠類的天敵。一只貓頭鷹一夜可以吃掉5~6只老鼠，一個夏季能捕食1000多只老鼠，一只灰喜鵲一年能消滅18000多條松毛蟲、金龜子、避債蛾和蠅等。這說明系統具有（ ）
【練3】醫生根據病人的癥狀確診病癥，對癥下藥，進行治療，當病人的病狀一時難以確定時，醫生就要跟蹤病人病情的發展，預測并及時判斷病因，進行治療。生病看病的過程體現了系統的（ ）。
C
相關性
動態性
黑色系統——信息完全不明確的系統。如宇宙星球。
白色系統——信息完全明確的系統。如學校系統，學生數、教職工數等。
灰色系統——信息部分明確、部分未知的系統。如城市系統，對其經濟發展和交通規劃，與環境保護之間的關系等尚未完全搞清，為灰色系統 。
知識點十：系統分析的基本方法
【練4】在比較水稻一年種兩季還是三季產量才會高時，有人說三三進九不如二五一十，這體現了系統的（ ）分析方法，也體現了系統分析中的整體性原則。
A 、目標分析 B、任務分析 C、定性分析 D、定量分析
系統的思想——系統的整體性、相關性、目的性、動態性、環境適應性這些基本特性構成了系統思想。
系統分析的基本方法——系統的思想和定性定量相結合的方法。
【練5】丁謂修復皇宮，把燒磚、運輸建筑材料和處理廢墟三項繁重的工程任務看成一個整體中的相關部分，加以協調處理，從而找到獲得最佳效果的方案，節省了大量勞力、費用和時間，一舉三得。丁謂實際上是運用了（ ）。
A、系統分析的基本方法 B、系統設計的基本方法
C、收集資料的方法 D、調查研究的方法
D
A
知識點十一：系統分析的一般步驟
明確問題，設立目標
收集資料，制定方案
分析計算，評價比較
檢驗核實，作出決策
系統優化
系統優化——在給定條件下使系統達到更理想、更優效果的過程。
知識點十二：系統分析的主要原則
① 整體性原則：系統分析要著眼于系統整體，先分析整體再分析局部。
② 綜合性原則：利用子系統間的關聯關系，合理解決子系統的沖突，綜合處理的原則。
③ 科學性原則：盡可能運用科學方法和數學工具進行定量分析。
【例17】趙明同學家所在街道的人行道路在一年內進行了鋪設通訊線路、煤氣管道、下水管道修理三次施工，給市民帶來了生活的不便，這說明對于道路的改造不符合系統設計的（ ）原則。
A、整體性原則 B、動態性原則
C、綜合處理的原則 D、人性化設計的原則
A
知識點十三：控制及控制系統
控制——人們按照自己的意愿或目的，通過一定的手段，使事物朝期望的目標發展。
控制技術
控制系統——完成控制的若干環節構成一個系統。
控制系統
開環系統
閉環系統
控制
人工控制
自動控制
：眼睛起傳感器作用，大腦和手起控制器作用
知識點十四：開環控制系統——輸出量不對系統的控制產生任何影響。
控制框圖：
工作過程：當某一信號作用于傳感器，給系統以輸入，系統在輸入信號的作用下，被控對象對輸入產生相應的響應。產生輸出信號、實現控制作用。
特點：開環控制系統的結構和原理簡單，信息從輸入端傳到輸出端僅有一條路徑。但控制精度不高。
輸入
控制器
執行器
被控對象
輸出
控制量
控制量
單向、無回路、輸入量控制輸出量、輸出量不影響整個系統
閉環控制系統——系統的輸出量返回輸入端并對控制過程產生影響的控制系統。
控制器
執行器
被控對象
比較器
（輸入量）
（輸出量）
+
-
檢測裝置
控制量
輸入量
控制器
執行器
被控對象
輸出量
控制量
開環系統：
反饋環節
開閉環系統區別：1、有無反饋 2、信息流的傳遞方向
給定量
被控量
在控制系統中，除輸入量（給定量）以外，引起被控量變化的各種因素稱為干擾因素。
在控制系統中，將輸出量通過適當的檢測裝置返回到輸入端并與輸出量進行比較的過程，就是反饋。
1、由于干擾因素的存在，系統的被控量偏離給定值時；
2、閉環控制系統中的反饋環節能及時檢測出被控量的值，并迅速反饋到輸入端，與給定值進行比較；
3、控制器根據比較得到的偏差信號進行調節，從而使系統的被控量接近給定值，達到精確控制的目的。
知識點十五：控制系統的干擾因素及反饋
功能模擬方法：以功能和行為的相似性為基礎，用“模型”模擬“原型”的功能和行為的方法，就是功能模擬方法。
例：在國際象棋的人機對弈中，計算機具有與人腦類似的邏輯判斷功能，能模擬棋手的思維與人下棋。
黑箱方法：把將要研究的系統作為黑箱，通過對系統輸入與輸出關系的研究，進而推斷出系統內部結構及其功能的方法，就是黑箱方法。
例：通過輸入圖像、電或聲音信號，觀測、分析腦電波的輸出反應，研究人腦對視覺或聽覺信息的傳遞、變換和處理功能，得知人腦內部結構的細節，就是黑箱方法的運用。
功能模擬方法和黑箱方法
李明制作了方便小動物喝水的自動加
水器，結構如圖。工作過程是當水龍頭打
開，水就流入碗內，碗內的水位逐漸升高，
浸沒到塑料管管口時，沒有空氣進入密封
的鐵桶，水龍頭停止出水；當碗內水位降
低至塑料管管口以下，空氣從塑料管進入
鐵桶內，水又流出來，使碗內實際水位控
制在管口位置。試分析其控制過程，完成
下列問題：
（1）該控制系統是開環控制系統還是閉環
控制系統，分析工作原理？
（2）請完成控制系統方框圖。
鐵桶
圓木塞
鐵桶
硬塑料管
搪瓷碗
水龍頭
5cm
閉環控制系統
水龍頭
實際水位
閉環控制
輸入量：給定水位 輸出量：實際水位
檢測輸入量與輸出量差值的作用。（反饋作用）

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