普通高中教科书·通用技术必修 技术与设计2.pdf

技术与设计 2技术与设计通用技术必 修 通用技术普通高中教科书TONGYONG JISHUPUTONG GAOZHONG JIAOKESHU必修 2普 通 高 中 教 科 书未命名-5 119-8-19 下午3:05普通高中教科书通用技术必 修北京技术与设计 2上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会组织编写普通高中教科书 通用技术 必修 技术与设计2上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会组织编写出版发行（北京市海淀区中关村南大街17号院1号楼 邮编：100081）网 址 http:/经 销 全国新华书店印 刷版 次 2021年7月第1版印 次年 月第 次印刷开 本 890毫米1240毫米 1/16印 张 7.25字 数 185千字书 号 ISBN978-7-107-35822-7定 价 8.50元价格依据文件号：京发改规201613号版权所有未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分违者必究如发现内容质量问题，请登录中小学教材意见反馈平台：如发现印、装质量问题，影响阅读，请与本社联系。电话：021-56620840声明 按照中华人民共和国著作权法第二十五条中有关规定，我们已尽量寻找著作权人支付报酬。著作权人如有关于支付报酬事宜可及时与出版社联系。本册教材图片提供信息：本册教材中的图片由全景网、视觉中国等图片网站提供。总主编：褚君浩副主编：朱志勇本册主编：李亚巍编写人员：左 晶 石富文 任 娜 李亚巍张 杰 缪静霞 戴敏亮责任编辑：谢李杉美术编辑：胡白珂通用技术是一门联系科学规律和技术应用的课程。人类在生产实践和科学实验的过程中，获得了知识，掌握了规律，形成了技术，进而在工程任务中利用技术，提升生产实践和科学实验的水平。实践认识再实践再认识，这样的过程循环反复，人类的科学技术不断提升，社会生产力不断发展。世界是物质的，物质是运动的。在我们周围充满着物质的多种多样的运动形式，除了常见的机械运动以外，还有光、声、热、电、磁、分子、原子、基本粒子、生命运动等。人们在观察和研究物质的这些运动形式时，发现了规律，运用规律发明了技术，相应产生了机械技术、光技术、声技术、热技术、电技术、磁技术、分子技术、核技术、生物技术等。这些技术分别或者集成起来在多类工程任务中得以应用，涉及机械工程、土木工程、热力工程、电子工程、光学工程、能源工程、环境工程、生物工程、航空航天工程、海洋工程、地质工程等。典型的工程，包括南浦大桥、世博会的中国馆、虹桥枢纽屋顶上的太阳能发电站、C919大飞机、风云四号等大工程，也包括制造服装、烹饪菜肴、室内装修、三维打印零件等小工程。工程任务完成后制造出各类产品，应用于社会方方面面不同领域，为社会创造财富。从事这些工作的勤奋踏实而富有创新精神的劳动者，成为了基础扎实的工程师和精益求精的工匠，他们是我们学习的楷模。我国古代人民的发现和发明造就了中国科学技术的辉煌历史，不仅有指南针、造纸术、印刷术、火药等重要发明，还有以都江堰水利工程、传统木建筑的榫卯结构等为代表的水利、天文、建筑、铸造、纺织、陶瓷、冶金、航海等古代科学技术，这些杰出的技术是中国古代科技文明的精粹，对人类文明发展和社会生产力的进步产生了巨大推动作用和深远影响。技术是人类利用自然规律实现某种功能和目标的一种能力，它的背后是科学规律，它的前面是工程任务。工程任务有明确目标，技术在完成工程任务中实现它的价值。例如，根据牛顿第三定律可以利用作用力的反作用力推进物体，这一原理可以用于火箭工程，再运用万有引力定律，可以发射地球卫星，甚至把嫦娥四号送到月球背面。技术的价值在工程任务中得到充分体现。把技术应用于工程，就要遵循工程的规范。实现技术的应用，完成一项工程任务，首先要明确这项工程的具体目标，提出完整可行并有创新的设计方案。设计方案又涉及工程目标物的结构、工艺流程、组成系统、意图控制等。方案的具体内容要用技术语言和图样表达出来，根据图样来操作加工，最后实现方案，完成工程任务。工程实施过程中的经验和教训，需要同行互相交流；是否完成了预期的目标要求，需要由外部专家和使用者进行评价。工程交付后，还要经受时间和应用的评判。同学们，新时代已经来临！新工业革命正在悄悄向我们走来。如同18世纪以机械化为特征的第一次工业革命、19世纪以电气化为特征的第二次工业革命、20世纪以信息化为特征的第三次工业革命，21世纪人类将开启以智能化为特征的第四次工业革命。人类致同学们致同学们 I总是先在观察或实践中发现规律，在此基础上发明了技术，进而推动技术的应用与发展。人们发现了质能关系，发明核技术；发现了受激辐射规律，发明激光技术；发现了光纤中光传输规律，发明光通信技术；发现了电磁波规律，发明无线通信技术；发现了半导体光跃迁规律，发明半导体照明技术；等等。先进技术为构建人类绚丽文明打下基础。谁掌握了规律，谁发明了技术，谁就获得了主导权。智能制造是新工业革命的重要特征，而通用技术是智能制造的基础课程之一。同学们，机遇和挑战在等待着我们！通用技术课程必修内容包括“技术与设计1”“技术与设计2”2个模块，它们分别从技术和设计的角度阐述通用技术的一般概念，并通过实践来帮助同学们体验技术与设计的内涵。选择性必修内容包括“技术与生活”“技术与工程”“技术与职业”和“技术与创造”4个系列11个模块。整体框架由图0-1表示。学习这门课程要注重掌握概念和加强实践，尤其要通过动手实践，来培养自己的技术意识、工程思维、创新设计、图样表达和物化能力等核心素养。图 0-1 课程内容整体框架生活工程职业创造智能家居应用设计服装及其设计现代家政技术技术与职业探索职业技术基础机器人设计与制作工程设计基础电子控制技术基元技术创造力开发与技术发明产品三维设计与制造科技人文融合创新专题力技术电技术磁技术光技术声技术热技术控制的设计系统的设计流程的设计结构的设计技术与设计2交流与评价方案与实现技术的设计技术的性质技术与设计1通用技术人类科学活动和生产实践技术的实现要通过“设计”，本分册以“设计”为中心议题。学习本分册后，我们能够理解结构、流程、系统和控制的基本概念和基本原理，能运用基本原理进行基于问题解决的结构设计、流程设计、系统设计、控制设计，形成技术的时空观念、系统观念、工程建模、结构与功能、干扰与反馈等基本思想和方法，能使用常用、规范的技术框图等技术语言构思与表达设计方案，能结合生产和生活的实际，形成和优化设计方案并实施，增强创新意识。编 者2019年8月II技术与设计 2第一章 结构及其设计 1第 1 节 结构的认识 21.1 结构与组成 21.2 结构的分类 51.3 结构与力 7第 2 节 结构的功能 112.1 结构与稳定性 112.2 结构与强度 132.3 结构与功能 16第 3 节 结构的设计 183.1 结构设计应考虑的主要因素 183.2 结构设计的一般步骤 193.3 结构的设计案例 20第 4 节 结构的赏析 234.1 自然界中结构的赏析 234.2 建筑结构的赏析 24第二章 流程及其设计 29第 1 节 流程的认识 301.1流程的含义及特点 301.2流程图的识读和绘制 32第 2 节 流程的设计与优化 412.1 流程设计的基本思想和方法 412.2 流程的优化 432.3 流程设计与优化的案例及实践 46第三章 系统及其设计 55第 1 节 系统的认识 561.1 系统的概念及基本构成 57目录目录 I1.2 系统的分类及主要特性 591.3 系统的案例 62第 2 节 系统分析 672.1 系统分析的概念 672.2 系统分析的一般过程 682.3 系统分析的基本原则 71第 3 节 系统的优化和设计 763.1 系统的优化 763.2 系统的设计 803.3 系统的设计实践 82第四章 控制及其设计 89第 1 节 控制和控制系统的认识 901.1 控制和控制系统的含义 911.2 控制的方法 921.3 控制的应用 95第 2 节 控制系统的组成和工作过程 972.1 控制系统的表达 972.2 控制系统的基本组成与工作过程 992.3 控制系统的干扰 101第 3 节 控制系统的设计和实践 1043.1 控制系统设计的一般过程 1043.2 控制系统的设计案例 105II技术与设计 2我们平时所接触的很多事物都有结构，并且事物的内部往往存在各种各样的结构，如房屋屋顶的结构、桥梁的结构、大坝的结构等。在本章中，同学们将通过对框架结构、壳体结构、实心结构等三种典型结构的学习和受力分析，培养技术意识和工程思维；通过对人字梯模型的设计和制作，培养图样表达和物化能力；通过对自然结构和建筑结构的赏析和结构设计一般步骤的了解，培养创新设计的能力。第一章 结构及其设计第 1 节 结构的认识第 2 节 结构的功能第 3 节 结构的设计第 4 节 结构的赏析1.1 结构与组成结构是指物体各个组成部分之间的空间搭配和排列，不同的结构具有不同的功能。从力学角度来看，结构是指可承受一定力的架构形态，它可以抵抗能引起形状和大小改变的力。1.从力学角度理解结构对技术产品及其功能实现的价值。2.了解结构的一般分类，并能进行简单结构的受力分析。第节 结构的认识1学习目标在我们的日常生活中，常见的人字梯（图1-1）、鸡蛋壳（图1-2）、雕像基座（图1-3）等物体的结构有什么特点呢？我们能否从力学的角度对这些物体的结构进行简单的受力分析呢？能否说出这些结构对其功能实现的独特价值呢？图1-1 人字梯图1-2 鸡蛋壳图1-3 雕像基座案例人 字 梯人字梯也称折梯，因其使用时，前后的梯梁看起来像一个“人”字，人们把它形象地称为“人字梯”，又因为梯梁及地面构成一个等腰三角形，也有人把它形象地称为“A字梯”。人字梯是人们常用于临时登高操作的工具。2技术与设计 2案例为了使用上的安全，设计师非常重视人字梯在力学结构方面的设计。人字梯的踏板与梯梁间一般采用比较牢固的连接方式，梯梁和踏板一般都会选择强度比较高的材料。两梯面之间设有安全撑杆或安全拉绳（图1-4），梯脚采用合成橡胶制作以增加与地面之间的摩擦 力。当人站在踏板上时，踏板受到的压力分解传递到梯梁上，从而使整个人字梯承受人的重量。讨论&交流找一个登高用的梯子，仔细观察其结构，分析讨论其各部分的作用。科学家经过研究发现，薄薄的蛋壳之所以能承受较大的压力，是因为它能够通过拱形面把受到的压力均匀地分散到蛋壳的各个部分。人字梯的结构是指踏板与梯梁等组成部分之间的空间搭配和排列，是一种能承受一定力的架构形态，可以抵抗人们用它登高操作时引起形状和大小改变的力。蛋 壳试验同学们都吃过鸡蛋吧！大家都知道它的外壳就是薄薄的一层壳。但是我们握住一个鸡蛋使劲地捏（图1-5），结果会怎样呢？请根据试验结果填写表1-1。表1-1 蛋壳小试验结果分析表试验结果鸡蛋完好鸡蛋破碎分析原因提示：试验时手心和手指应该均匀接触蛋壳表面。试验发现：当我们用手均匀地接触蛋壳表面时，使劲地捏鸡蛋，并不容易把鸡蛋捏碎。图1-5 蛋壳小试验 图1-4 人字梯的结构撑杆梯梁踏板第一章 结构及其设计 3讨论&交流在日常生活中，哪些产品应用了蛋壳结构原理？讨论&交流对比生活中由相同或相近材质构成的空心和实心结构的物体，讨论它们在抵抗外界作用力上效果的差异。蛋壳拱形面的曲面结构也是一种能承受一定力的架构形态，可以抵抗外界对鸡蛋作用时引起形状和大小改变的力。案例如图1-6所示，很多建筑都坐落在基座上，如雕塑、桥梁、古代的宫殿等。这些基座通常由石头、混凝土等材料做成实心的结构。基座上方建筑物的重量由基座整体承担。图1-6 桥墩基座各个部分之间所构成的实心结构，也是一种能承受一定力的架构形态，可以抵抗外界作用时引起形状和大小改变的力。每个物体都有它特定的架构形态，这种架构形态体现着它的结构特性。一个较复杂的结构由许多不同的部分组成，这些组成部分通常称为构件，如人字梯是由踏板、梯梁和撑杆等构件组成的。建筑物是建筑材料按一定规则组成的受力骨架体系，其中有些部分，如梁、柱、框架等，相互联结成一个整体，起着支撑荷载并将其传递到基础的作