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第一單元 結構與設計
第一節 常見結構的認識
1、 無處不在的結構
回憶……
“結構”
結構是指事物的各個組成部分之間的有序搭
配和排列。
結構的各個組成部分稱為構件。
蜂巢
蜂巢由工蜂筑造
蜂巢的結構用材最少，
容積最大
蜂房是六角形的，0.073毫米的巢壁，蜂房微微向內傾斜，排列成行，但彼此嵌合得天衣無縫，構成一個整體，牢固無比。重40克的蜂房，卻能容納2000克蜜蜂。
蜂巢的結構精巧又美觀
自然界中
蜂巢由一個個排列整齊的六棱柱形小蜂房組成，每個小蜂房的底部由3個相同的菱形組成，這些結構與近代數學家精確計算出來的——菱形鈍角109。28’，銳角70。32’完全相同，是最節省材料的結構，且容量大、極堅固，令許多專家贊嘆不止。人們仿其構造用各種材料制成蜂巢式夾層結構板，強度大、重量輕、不易傳導聲和熱，是建筑及制造航天飛機、宇宙飛船、人造衛星等的理想材料。被應用于飛機的羽翼以及人造衛星的機壁 還有益于隔音和隔熱。因此，現在的航天飛機、人造衛星、宇宙飛船在內部大量采用蜂窩結構，衛星的外殼也幾乎全部是蜂窩結構。
蒼耳子 　植物形態　一年生草本，三角狀卵形，先端銳尖，基部心形。邊緣有缺刻或3～5淺裂，有不規則粗鋸齒，兩面有粗毛；頭狀花序頂生或腋生，雌雄同株，雄花序在上，球形，花冠筒狀，5齒裂；雌花序在下，卵圓形，外面有鉤刺和短毛。花期7～10月，果期8～11月。 生于荒地、山坡等干燥向陽處。分布于全國各地。
應用　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　.用于不聞香臭、時流濁涕，鼻淵頭痛，外感風寒，惡寒無汗，風寒頭痛。本品溫和疏達，味辛散風，苦燥濕濁，通竅止痛，常配伍辛夷、白芷、薄荷同用，即蒼耳子散。
案例1
與尼龍搭扣
瑞士的喬治 德梅斯特拉爾（Georges de mestral）工程師十分酷愛郊游與打獵，在1948年秋季的某一天打獵回來，發現他的衣服上粘著一些鬼針草（牛蒡草）的種子，若要除去這些鬼針草的種子是非常麻煩的事，這引起了他的極大興趣，他便從衣服上取下一顆種子在放大鏡下仔細觀察，發現在種子上的芒毛有一個個小鉤子，正是這些小鉤子抓住了衣服上的紗線。由此他突發奇想，如果能在帶子上也產生這些類似的小鉤子，它不就也可以使布帶相互搭接代替鈕扣和拉鏈了嗎？在鬼針草種子的啟示下，他經過8年的精心研究，于1956年終于設計了定型的產品，宣告了尼龍搭扣帶的誕生
一個善于捕捉靈感的人一定善于創造
蒼耳籽遍及全球，粘上草籽者也一定不在少數，然而只有喬爾吉 朵青斯才獲得成功，并成為億萬富翁。
創造的靈感何在？其實就在你的身旁。
馬上行動
　　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設計的？
案例2
人類飛翔的夢想源于展翅高飛的鳥，鳥因為有它自由流暢的體形和翅膀結構，飛機原型源于飛鳥形體結構的仿生。
中國的大飛機在研制中
鷹眼
與導彈跟蹤系統
大自然是最完美的設計師
世界上任何事物都存在結構，結構無處不在。
技術領域：鉛筆、剪刀、服裝、汽車、樓
房、橋梁等一切產品都具有特定
的結構。
社會領域：一個政黨、一個班集體、一首歌、
一句話、一種學習方法等也具有其
特定的結構。
……
技術領域
長
城
希臘帕特農神廟（又稱雅典娜神廟）
A honey comb grill structure is for more airflow.
The honey comb grill structure is more efficient than standard circle stamped grill structures.
悉尼歌劇院
在實際中，很多物體結構，由多種基本結構組合而成。
橋
趙州橋
海南世紀大橋
結構影響著性質和功能。
結構方面存在的一個小問題也許會導致一個重大事故的發生。
卓越的結構是設計者和制造者的追求。
1900年，連接加拿大Winnipeg市和Moncton市的魁北克大橋開始修建，這座橋橫跨圣勞倫斯河，是加拿大國家橫貫大陸鐵路的一部分，然而就在這座橋即將竣工之際，悲劇發生了。1907年8月29日下午5點32分，即將建成的大橋突然倒塌，當場造成了至少75人死亡，多人受傷。事故調查顯示，這起悲劇是由工程師在設計中一個小的計算失誤造成的。1913年，這座大橋的建設重新開始，然而不幸的是悲劇于1916年9月再次發生。，1917年，在經歷了兩次慘痛的悲劇后，魁北克大橋終于竣工通車，這座橋至今仍然是世界上最長的懸臂跨度大橋。
1922年，在魁北克大橋竣工不久，加拿大的七大工程學院一起出錢將建橋過程中倒塌的殘骸全部買下，并決定把這些親臨過事故的這些鋼材打造成一枚枚戒指，發給每年從工程系畢業的學生。為了體現是代表橋坍塌的殘骸，戒指被設計成被扭曲的鋼條形狀，用來紀念這起事故和在事故中被奪去的生命。于是，這一枚枚戒指就成為了后來在工程界聞名的工程師之戒(Iron Ring)。
魁北克大橋
美國明尼蘇達州一座跨越密西西比河的公路橋07．8．１傍晚發生坍塌
07.8.13湖南湘西自治州鳳凰縣境內鳳大公路(湖南鳳凰至貴州銅仁大興機場)堤溪段大橋突然垮塌
今年湖南郴州50年來大雪災，三位電力工人在進行搶修的時候因輸電鐵塔倒塌，犧牲了自己年輕的生命······
社會領域
抽象的結構如文學類的小說、詩詞等，人員結構、計算機方面的數據結構等……
2、結構的類型
1 實體結構
受力情況：力承受在物體的外表，如大壩、實心墻、實體物
2 框架結構
由細長的構件組成。
受力情況：支撐空間卻不充滿空間。 可以承受壓力和拉力等。
3 殼體結構
國家大劇院在建設中
受力特點：外力作用在結構體的表面上。特別是當頂部受到壓力時，它能將力均勻擴散。
1、狩獵者從灌木叢走過，褲子沾滿了令人討厭的蒼耳子。仔細觀察蒼耳子，它的表面布滿了許多小刺，每根刺上都有細細的倒鉤，碰到纖維的衣物，便粘在上面。瑞士的喬爾吉·朵青斯經過8年的研究，根據蒼耳子的結構發明了（ ）
A、拉鏈 B、尼龍搭扣 C、魚 D、飛機
2、分析下列物體的結構類型，哪個屬于實體結構。（ ） 　A．電燈泡 B．乒乓球 C．橡皮檫 D．籃球
5、我們所用的板凳屬于（ ）結構。
A實心結構 B框架結構 C空心結構 D殼體結構
3、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
4、一個較復雜的結構由許多不同的部分組成，這些組成部分通常稱為 。如自行車的車輪、氣門等。
物體結構 實體結構 框架結構 殼體結構 組合結構 受力特點
柵欄
圓形陶瓷裝飾品
冰山
高層建筑的穹頂
鋼化玻璃鍋蓋
竹排
汽車外殼
人的頭蓋骨
古羅馬斗獸場
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2 、 結構與力
從力學的角度來說，結構是指可承受一定力的架構形態，它可以抵抗能引起形態和大小改變的力。
讓我們一起看看下面的例子吧！
馬上行動
指出下例結構可以抵抗來自外界那些方面的作用力。
建筑物的窗戶
餐桌
硬紙包裝箱
參考答案：
建筑物的窗戶：
餐 桌：
硬紙包裝箱：
抵抗來自建筑物墻的正向和側向的壓力、風的作用力，及其自身的重力等
承受來自桌面物體的壓力和它自身的重力等
承受箱內物體的重力、箱內物體向外的擠壓力以及自身的重力等
通過以上例子可以得出：結構可
以抵抗來自外界的作用力，那結構一
般會受到哪一些力？
趕緊來學學以下五種力吧······
拉力：物體所承受的拉拽力。
拔河！
拉拉面、拉油條、拉拉力器
壓力：擠壓物體的力。
趁熱打鐵！
壓訂書機、橋墩受到壓力、壓路機壓路
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的力。
修理草坪！
剪刀剪紙、鋼絲鉗鉗鋼絲
彎曲力：作用于物體，使它產生
彎曲的力
釣 魚！
使用弓、使用臂力器、撐桿跳高
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。
擰干衣服！
擰瓶蓋
擰麻花條
拉力 作用于物體 ,使它產生彎曲的力
壓 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
剪切力 擠壓物體的力
扭轉力 物體所承受的拉拽力
彎曲力 反方向向物體兩端均勻施力,使物體發生扭轉形變的力
馬上行動: 請連線
觀察右圖,說明
石磨的推桿為
什么要用一根
繩子吊起來。
探究：
答案： 1、保持人在推磨過程時推桿始終在平行于
地面的平面上運動；
2、防止推桿彎曲變形。
一個復雜的結構由許多不同的部分組成,這些組成部分通常稱構件。例如自行車的車輪，它是由輻條（鋼條）、輪胎 、車圈、氣門等構件組成的。
當我們給自行車輪胎打氣，氣壓過大時，它的內胎就會爆炸！為什么呢？
下面我們來分析結構受到外力的情況：
自行車輪的結構
F
S
F是內力， Ｓ是受力面積， σ 是應力， 內力是結構受到外力，內部產生一種抵抗力，應力是構件的單位橫截面上產生的內力，當應力達到某一極限時，結構就會遭到破壞。
σ ＝
讓我們來做一個小游戲：
你能否不用任何工具，僅憑你的兩
只手將一根筷子折斷？然而你能用同樣的力把兩根筷子折斷嗎？
小 試 驗:
試驗要求：
A、每小組用6張撲克牌 ，制作一個簡易結構；
B、形狀不限，高度為撲克牌的寬度（55mm）。
試驗目的：比較不同形狀的撲克結構承受壓力的大小。
試驗準備：1、六張撲克牌。(備用一張)
2、用啞鈴片作為加壓的重物。
試驗工具：剪刀等。
課外作業:
利用整付撲克牌，搭建你心中的結構模型，高度不低于50CM，并簡述結構的受力特點
練習：在交通法規中規定，駕乘兩輪摩托車必須戴好安全帽，否則會被罰款，扣分。請你從結構的角度說明為什么要戴安全帽？ 當出現交通事故時，摩托車手的頭盔是如何避免外力對頭骨的撞擊的？汽車的安全氣囊又是如何保護駕馭員的？
參考：摩托車手頭盔的某一部位受到一個大的撞擊力，由于頭盔的殼體結構，使得所受力迅速分布到其表面，形成整個頭盔表面均勻受力，而不是某一點受很大的力……
當汽車前端發生強烈碰撞時，安全氣囊就會瞬間從汽車方向盤內彈出來，墊在方向盤與駕馭者之間，防止駕馭者的頭部和胸部撞擊到方向盤或儀表板等硬物上。除了駕馭員側有安全氣囊外，有些汽車前排也安裝乘客用的安全氣囊……
3、如果一個構件在5平方米的橫截面積上，受到外力的作用，產生了20N的內力，那么該構件的應力是（ ）
A、25Pa B、15Pa C、4Pa D、100Pa
4、下列結構承受拉力的有( )
A、電梯鋼絲繩
B、電力傳輸線路的電線
C、起重機上的吊鉤
5、以下列表中抗張強度最大的是( )
A、圓柱體容器
B、立方體容器
C、球形容器。
6、拱形結構的重要特點是將彎曲應力變成（ ），但它抗集中載荷的性能差。
A、拉應力
B、剪切力
C、壓縮應力
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 。
2．在舉辦運動會的時候，運動員在單杠上做大回環姿勢時，會使杠體
產生（ ）變形。
A拉伸 B彎曲 C壓縮 D斷裂
自然界中的椰子、桂圓、西瓜、貝類、蛋、龜等，都屬于殼體結構。它們遵循著適者生存的法則，經過漫長的歲月的演變，選擇了最合理的外形。它們以較薄的外殼，獲得了較大的承受外力的卓越性能。這一事實，給我們帶來了發明創造的寶貴靈感！
問題：
1、 為什么它們以較薄的外殼，獲得了較大的承受外力的卓越性能？（用力學知識解釋）
日常生活中，使用螺絲刀時，螺絲刀需要承受什么力（ ）
A、拉力 B、壓力 C、彎曲力 D、扭曲力
結構是指事物的各個組成部分之間的__________和__________。
從力的角度來說，結構是指可承受一定力的作用的架構形態，它可以抵抗能引起 改變的力。
結構的基本類型有那些？對每種類型舉出一個例子。
下列結構承受拉力的有( )
A、電梯鋼絲繩
B、電力傳輸線路的電線
C、起重機上的吊鉤
以下列表中抗張強度最大的是( )
A、圓柱體容器
B、立方體容器
C、球形容器。
判斷題
任何能夠抵御外力并保持自身形狀和大小的構造都是結構。（ ）
構件形狀和整體造型不同，結構的承受力也不同。（ ）
折疊和彎曲可以提高材料的承受力，折疊和彎曲成不同的形狀，其承受力也不相同。（）
身邊建筑物支架的特點
下大上小，降低重心，增加穩定性；
內部有許多的三角形；
使用材料有的部分比較粗，有的部分比較細。

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