第一单元 结构与设计 第一课 常见的结构
【教材版本】
本课程采用地质出版社《技术与设计2》。 【设计思路】
通过案例介绍，引导学生了解结构的含义，结构的分类，通过对两个简单结构的受力分析，帮助学生从力学的角度理解结构的本质——，了解结构受力的几种基本形式。
【教学内容分析】
《技术与设计2》第一单元“结构与设计”的第一课时的内容主要包括：
1、不同领域、形形色色的结构案例介绍：世界上任何事物都存在结构,结构多种多样且决定着事物存在的性质，通过对这些结构的分析和研究,使学生理解结构的含义——“结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列”。要让学生知道为什么要学习“结构与设计”，自然界中的结构给了人们无限的创造灵感和启示，人们通过借鉴、学习并应用到技术领域, 是为了更好地服务于人类。
2、结构的分类：实心结构、框架结构、壳体结构，分别举例说明各类结构的特点，加深学生对结构的理解。
3、结构与力的关系：通过对单杠结构和棚室屋架结构的简单受力分析，引出结构的力学本质：承受外力和抵抗变形，使学生能够从力学的角度理解结构的概念；总结结构受力的几种形式：拉力、压力、剪切力、扭转力、弯曲力。
课时安排：1课时。
【学情分析】
学生对结构虽有一定的了解，对结构的功能和分类也有一定的基础。但较为零散，模糊。另外，学生在物理课中已学习了有关力学的知识，对物体的受力分析有比较好的基础。但是由于受力分析是物理课教学中的难点，多数学生在受力分析中还是有困难的，所以在教学中还要利用模型演示形变的情况，分析说明拉力、压力、剪切力、扭转力和弯曲力等。
【教学目标】 1.知识与技能：
（一）了解结构的含义。
（二）能从力学的角度理解结构的概念和一般分类。
（三）能结合1~2种简单的结构案例，分析结构是如何承受力的。 2.过程与方法：
阅读理解、案例分析、交流讨论、多媒体展示、师生互动。 3.情感态度和价值观：
能认识到力对结构会产生重要影响，合理的受力是结构存在的重要条件。 【教学重难点】 【教学资源】 结构模型、多媒体设备 【教学过程】 [导入新课]
（一）《技术与设计2》的简单介绍：
这一节课我们开始第二册书的学习，首先我们了解一下——结构与设计。 第一单元 结构与设计 第一节 常见的结构
一、常见的结构
大家知道如果地震突然来临的时候，躲在什么地方比较安全吗？（桌子底下、墙角、厨房、厕所、空间较狭小的地方）为什么呢？这些地方有其特定的结构，不容易坍塌,比较安全——楼板是一体浇注的，承重墙体多，墙体相互支撑 说到结构，我们知道任何一件事物都有自己的结构，大到宇宙天体，小到微观世界的分子原子，以及我们能见到的身边的各种事物，都有自己独特的结构。
1、自然界中的例子：
蜂巢的六角柱形体结构，苍蝇的复眼结构，蜘蛛网的网状结构以及生物遗传物质DNA的独特的双螺旋结构等等都是巧夺天工的结构杰作，为人类进行工程方面的结构设计提供了有义的借鉴和参考。 蜂巢：六角柱状体，它的一端是平整的六角形开口，另一端由三个相同的菱形相互拼接进行封闭，构成六角菱形的底。组成底部的菱形的钝角为109°28′，所有的锐角为70°32′，这样既坚固又省料同时还能获得最大的空间。蜂窝的这种六角形排列结构非常坚固，被广泛应用在飞机的机翼以及人造卫星的机壁结构设计上。
苍蝇的复眼结构：包含4000只可以单独成像的单眼，能看清几乎360度范围内的物体，在这种特殊结构的启示下，人们研制成功了蝇眼照相机，可一次拍摄1329张高分辨率照片，广泛应用在航拍测绘领域。
蜘蛛网：放射状结构，网丝受力均匀，承受大负荷、大冲击力。
2、技术领域的例子：
技术领域的结构主要是指工程结构，我们常见的建筑、桥梁、各种工程设施以及各种各样的工业产品都有自己特定的结构，这些结构影响并决定了它们的性质和功能。
例如一般的楼房往往都按照钢筋混凝土框架结构进行建造，采用这种结构主要是为了增加楼房的强度和稳定性，提高楼房的抗震等级，为人们提供安全的居住和活动场所。除了满足正常的居住使用外，建筑的结构还会受到不同国家和地区的政治、经济、文化、宗教、地理环境等多种因素的影响，因而结构的样式繁多、各具特色；例如俄罗斯有很多建筑都采用尖顶或圆形屋顶结构，这是因为俄罗斯冬季时间长，下雪量大，圆形屋顶可以有效减少房顶的积雪，保护房顶不会被压垮；而在中东一些干旱少雨的沙漠地区，当地居民的房顶一般都是平顶结构的，可以方便收集雨水，这些例子都说明了建筑的结构是和他们的用途密不可分的。
同样，桥梁的结构也是形式多样的，有拱形结构的，如赵州桥；有斜拉索结构的，如郑州黄河公路大桥；还有框架结构的，如南京长江大桥；现代的许多桥梁还将许多种结构合为一体，同时具备有多种结构的特点，桥梁的形状和结构是与它的功能相适应的。
除了建筑和桥梁外，我们身边的各种产品的结构也是各具特色，丰富多样，像一支钢笔、我们使用的桌子、椅子，上学放学骑的自行车，复杂一些的比如汽车、电子计算机、家用电器、再复杂一些的如工厂里的一整套大型生产装置和设备等等，这些工业产品构思精巧、独具匠心的结构给人们的生产和生活带来极大的便利，这些都是需要我们大家了解的技术领域中结构。
3、社会领域中的结构：
除了自然界中的结构和技术领域的结构外，我们人类社会也有自己的结构，从国家的行政区域划分，到各种社会机构的组织构成，以及各种社会活动、生产活动都是按照一定的结构进行组织和开展的。 那么，什么是结构呢？
二、结构的含义
化学课上我们曾学习过碳的两种同素异构体—金刚石与石墨，他们都是碳单质，由碳原子构成，但在物理性质上却有很大的差异，根本原因就在于其内部原子排列结构不同。
金刚石：正四面体网状结构，原子间隙小，原子间作用力大，因此表现出的物理性质是结构强度大，坚硬。
石墨：碳原子呈斜平行四边形排列，而且是片状叠加，原子间隙大，相互之间作用力小，因此质地柔软。
可见，物质内部各组成部分之间的排列和搭配决定了物质的形态和性质。这里，物质内部各组成部分之间的排列和搭配就是我们通常所说的结构，这是广义上的结构的含义。
1、结构的力学含义
具体到技术领域的结构，我们通常将结构和力联系在一起，从力学的角度来理解结构的含义。
首先，我们知道物体总会受到各种力的作用，例如人坐在凳子上，凳子会受到人施加的压力的作用，吊车吊起重物时，重物自身的重力会通过钢丝吊绳传递到吊臂上，再以压力的形式作用到吊塔上；从力学的角度来看，像凳子、吊塔这样一些结构可以承受外力的作用和抵抗变形（这是因为当结构受到外力作用时,内部各质点之间的相互位置会发生改变,如分子或原子间距发生变化，进而产生一种抵抗的力 , 称为内力，内力与外力之间总是保持某种平衡，结构就表现出能够承受外力作用和抵抗变形的这样一些性质）。
因此，从力学的角度来看，结构实质上就是一种可以承受外力作用的架构形态，它的本质是承受外力和抵抗变形，这是力学角度的结构的含义。
2、结构的类型
结构的类型有很多种，如果我们从力学的架构形态来划分，可以分为： 1）实心结构：又称为实体结构。像房屋的墙体、水库大坝、城墙、山体，都属于实心结构，这种结构几何外形简单，但可以连续传递荷载（各种外部作用力的统称），适于承受较大的力。
2）框架结构：是指结构体由细长的构件相互连接组成的结构，这些构件包括梁、柱、杆、管件等。像吊车的吊塔、吊臂，电视台的发射铁塔，一些传统的木结构塔楼建筑，钢架结构的大桥、房屋的门窗框架，桌椅板凳等等都是采用的框架结构。框架结构几何外形较为复杂，其特点是支撑空间而不充满空间，使用材料少、轻便、结构强度大、制作简便，能承受垂直和水平荷载，因而得到广泛应用。举例：窗户、画框、建筑脚手架、自行车、艾菲尔铁塔、书橱、输电铁塔。 3）壳体结构：像蛋壳、头盔、铁皮车厢、机舱等等这样一些结构都是采用薄壁壳状构件制作的一种特殊的空间结构，这就是壳体结构。其最大的特点是受力合理、形态稳定；能够有效将外部的作用力沿壳体表面分散开来，从而有效减小局部的壳体压力，起到保护的作用；因此这种结构在建筑、航空、交通运输领域应用广泛。举例：饮水杯、文具盒、装甲车、油罐、核桃、瓜子、西瓜、锅碗瓢盆„„等
4）组合结构
在日常生活中我们常见的结构大部分都是组合结构，如：许多桥梁都是拱形和框架结构的组合体；圆顶大厦的顶部都是框架结构和壳体结构的组合（又叫球形空间桁架结构）。
此外，我们还可以从几何形态来对结构的类型进行划分。
1）缆索结构：常见的如帆船上的缆索、许多跨海大桥的斜拉索、吊车的钢丝吊绳等等，应用的都是缆索结构。
2）桁架结构：是指由许多直杆构成三角形的架构组合，由于充分利用材料自身能够承受较大轴向压力或者拉力的特点，因此这种结构重量轻、强度大、节省材料。像一些工矿企业厂房中大跨度的屋顶支撑结构，体育场馆、大型公共场所（火车站、机场的候车厅）的屋顶支撑结构，大型的钢结构桥梁（南京长江大桥、武汉长江大桥）等等，都采用的是桁架结构。
除此之外，还有空间桁架结构、球形空间桁架结构等多种形式的结构，适用于大面积、大跨度的空间结构应用，以及一些特殊空间结构方面的应用。
三、结构与力
前面我们谈到，从力学角度看，结构实质上是一种能够承受外力作用和抵抗变形的架构形态，下面我们就一起来了解结构与力之间的关系，结构是怎样受力的，结构受力的基本形式有哪些。
1、简单结构的受力分析 1）单杠的受力
单杠是由杠体、立柱、斜拉索几部分构成的，这些组成部分我们称之为构件，我们了解结构的受力情况主要是通过分析构件的受力来实现的。
立柱的受力：单杠的立柱是各种荷载的主要支撑点。当人体静止挂在杠体上时，两根立柱只承受压力的作用，这时人体所受重力通过胳膊、杠体传递到立柱顶端的结果；当人体来回摆动或者做回旋动作时，人体因为运动产生的离心力也回通过杠体传到立柱顶端，大小和方向在不断发生变化，立柱受到这种力的作用后弯曲变形。
杠体的受力：杠体主要受人体重力和离心力的作用，在人体重力和离心力作用下会产生弯曲变形。
斜拉索的受力：单杠有四条斜拉索，分别固定在立柱两侧，主要用于加固立柱。当立柱收到外力作用发生弯曲变形时，斜拉索与立柱固定端会受到立柱顶端外力的拉伸，斜拉索与地固定端会在同一时刻对斜拉索施加一个反方向的拉力，用来抵抗外力的作用，减小立柱的弯曲度，起到稳定加固的作用。
2）棚室屋架结构的受力
棚室屋架结构主要由梁、柱、墙面、屋面（拱顶）等几部分构成，作用在棚室屋架结构上的荷载（外部作用力）主要有两种：恒载（永久荷载，包括屋面、梁的重量）以及活载（外部附加的荷载，如积雪的重量，风的作用力等）两部分。 立柱和墙面的受力：从上向下的压力（恒载、活载共同施加），从下往上的支持力（来自力柱和墙的地基），这两种力大小相等，方向相反，是一对平衡力。风载产生的作用力较为复杂，主要对立柱和墙面产生横向和垂直方向的两个作用力，横向的作用力会使立柱弯曲变形。
梁的受力：自上而下的荷载的作用力，自下而上的立柱和墙面施加的支持力。梁受到荷载作用力会发生弯曲变形，为防止梁弯曲过度被损坏，通常采用的办法是多增加一些支撑立柱，均匀分摊梁的受力。
拱结构的作用：棚室屋架结构的顶盖成曲线型外观，中间高，四周低呈弧形曲面分布，这就是拱结构。拱结构因其结构上的特点（壳体结构）可以将荷载产生的作用力均匀传递到四周的支撑结构上。另外，圆弧形表面可以减小积雪在屋顶的堆积，从而减轻雪荷载，对于风荷载，由于流体力学的作用，拱结构屋顶较其他结构屋顶所受风作用力小，有效减轻风载，这也是许多大跨度建筑的屋顶多采用拱结构的原因，既有利于承载，又美观。
通过对以上简单结构的受力分析我们不难看出，物体正是因为其特定的结构，才能承受各式各样的力，以及抵抗由这些外力作用而产生的变形。承受外力作用和抵抗变形是结构的力学本质。
下面我们再来了解一下结构构件的基本受力形式。
2、构件的基本受力形式
构件受力的基本形式：拉力、压力、剪切力、扭转力和弯曲力。 拉力——物体所承受的拉拽力,如吊车的吊绳、单杠和桥梁的斜拉索承受的力就是拉力。 压力——物体受到的挤压力。如建筑地基以及承重墙体、桥墩等受到的力。
剪切力—两个距离很近,大小相等,方向相反,且作用于同一物体上的平行力。如连接剪刀的轴，正在被剪切的工件等受到的力就是剪切力。 扭转力—反方向向物体两端均匀施力 ,使物体发生扭转形变的力。如汽车方向盘的轴、钻机的钻杆、电钻钻头受到的力是扭转力。 弯曲力—作用于物体 ,使它产生弯曲的力。如被拉弯的弓、单杠的杠体等等。
