5.1认识技术与工程 课件-2024-2025学年浙教版七年级上册科学

nullnull5.2 像工程师那样实践 浙教版初中科学七上 1 课前导入 在建造公路、铁路和地铁时，需要 开挖隧道。盾构机能够实现全自动开挖 隧道，被称为世界工程机械之王，是名 副其实的大国重器，反映了一个国家装 备制造业的水平。盾构机的各个部件都 是经过工程师们相互配合、共同协作设 计和制造出来的。那么，工程师是如何 进行工程设计的？我们如何学会像工程师那样实践？ 一、工程师设计过程 （1）明确问题 办公室员工在工作时发现所坐的椅子不够舒适，影响工作效率与身体健康，就会产生需求：希望可以调节椅子高度和靠背角度，使它坐起来更舒适。这种需求被称为工程问题。工程师了解到这些需求后，开始研发一款新的办公椅。研发团队经过调研，确定了以下设计要求： ○高度调节范围：450～550mm。 ○倾斜角度调节范围：0°～30° ○舒适、透气的网布材料。 ○能承受的最大荷载：150Kg。 （2）设计方案 1.概念设计。研发团队进行多次设计分析，方案构思后，有了初步的概念设计，并绘制了设计草图，草图显示了椅子的整体结构。 2.具体设计。基于概念设计，研发团队进行了详细设计，如椅子的各部分材料和具体尺寸。 详细设计图 主要部件 坚硬的底盘结构 钢制的气压棒 增加滑轮 精致的铝合金金脚 （3）实施方案 根据设计图，工程师运用了各种技术，进行了一系列工作，制作了原型。 （4）检验产品 工程设计团队在工作环境下对实物进行测试，包括高度调节、倾斜角度调节、承重能力和舒适性等方面。测试结果表明，原型在其他方面表现良好，但承重能力有所不足。 （5）改进完善 针对测试发现的问题，为达到设计承重的标准，综合考虑生产成本和实际需求，最终选择更换使用耐受力更强的材料，并重新进行了测试。 根据原型测试和改进的结果，团队准备进行生产制造。他们与供应商合作，选取合适的材料和制造工艺，并制订了生产计划。完成生产制造后，他们与办公家具经销商合作，进行一系列的展示，推广、销售活动。 （6）发布成果 一、工程师设计过程 工程 实践 明确问题 设计方案 实施计划 检验作品 改进完善 发布成果 工程可以很简单，也可以很复杂。例如，仔细观察拉链会发现它由两排互锁的齿和一个滑块的简单结构组成，巧妙地实现了连接或分离两排齿的功能；而笔记本电脑却由许多部件组成，涉及电子学、微处理器和计算机软件等多方面知识，但像笔记本电脑这样的复杂设备能够执行多项功能。 二、我们的工程实践——制作三球运动演示模型 明确问题 任务：设计制作“三球运动演示模型”，能够演示日食和月食的成因。 材料：木板、地球小模型、LED灯等。 工具：锯子、砂纸等。 设计方案 模拟运动的机械模块：（1）用一个大功率LED灯，配一个圆形乳白色外罩代替太阳（大）、用泡沫大球代替地球（中）和用泡沫小球代替月球（小），地球可绕太阳转动，月球可绕地球转动。（2）模型的动力利用手动、皮带轮和皮带配合完成。（3）机械装置中太阳下面的大皮带轮直径是带动月球转动的小皮带轮的12倍，可以保证地球绕太阳运动1圈时，月球绕地球运动12圈。模拟阳光的发光模块用大功率LED灯可以模拟阳光 材料选择：木板，太阳、地球、月球小模型直径不相同的轴和轴套（大铁轴配大皮带轮，小铁轴配小皮带轮）大小不同的两个皮带轮及皮带（两个皮带轮直径的比是12：1）一些螺丝、螺母等固定件工具选择：如锯子、钻孔工具等 绘制草图 实施计划 1．按照草图中的尺寸，用锯子把木板锯成长度和宽度各不相同的长木条。（注意：使用锯子和钻孔机注意安全） 2．用钻孔机在较长木条的左右两端和中间偏右的位置钻3个孔，在较短的木条的两端各钻一个孔，较宽的木条的中间钻一个孔。（注意：孔的大小和轴的大小相同，较宽木条的中间孔和较长木条中间偏右的孔径相同，其余的孔径相同） 3．按照下图，用螺丝把底座安装好。 4．将一个大皮带轮用大铁轴套固定在较宽木条中心的大铁轴上，再把较长木条中间偏右的孔插上，轴上端固定太阳模型。（注意：大皮带轮上下都要用轴套固定，与上下木条之间要留有空隙） 实施计划 5．较长木条左侧的孔中插入小铁轴，轴的下面装一个小皮带轮，上面依次固定较短木条和地球（泡沫中球）模型，较短木条的另一端固定月球（泡沫小球）模型，调整轴的高度，使月球中心与地球中心相平。 6．在大、小皮带轮上挂上松紧合适的皮带，推动右侧的轴，使较长木条带动地球绕太阳转动，同时小皮带轮带动月球绕地球旋转，如图所示 检验产品 演示要求在遮光室内进行。用手连续推动右侧的轴，地球绕太阳公转，月球绕地球旋转，当地球运行到太阳与月球之间时，则形成月食；当月球运行到太阳与地球之间时，则形成日食。验收标准：三球运动演示模型制作验收标准 评价维度 ★ ★★ ★★★ 科学原理 三球位置、比例均不合理 三球位置或比例基本合理 三球位置、比例均合理 可靠程度 模型难以正常转动 模型转动流畅，偶尔打滑卡顿，但不影响使用 模型转动流畅，无打滑卡顿现象 制作工艺 模型外形较粗糙 模型外形较为美观 模型整体美观、精致 演示效果 无法演示日食和月食 基本可以演示日食和月食，光源有时会被遮挡 可以完美演示日食和月食，光源全程无遮挡 组别 科学原理 可靠程度 制作工艺 演示效果 第一组 第二组 第三组 ······ 依照评价量表对模型进行测试并打分，将结果记录在表中。 改进完善 手动转动可以改成电动机、电池和齿轮自动转动，运行更平稳 发布成果 通过绘制画报、呈现实物或产品发布会的形式发布三球运动演示模型制作成果 课堂检测 【例题】按照有关规划，我国未来要发射更多的火箭进行载人登月、深空探测等活动，因此大家想做一个简单的火箭模型来模拟真实火箭发射升空，为此学校开展“制作水火箭”项目化学习活动。 【明确问题】 小明同学负责明确“水火箭”发射的原理，他查阅资料后得知，我国发射火箭时，点火后火箭尾部会向下喷出烈焰，火箭随即升起，于是想到“水火箭”也可以利用这一科学原理。（1）简述“水火箭”可以飞起来的原因： 。 高压空气推动水向下喷出，水给火箭一个向上的推力，水火箭升空。 课堂检测 咿呀微老师制作 【设计方案】小亮同学负责“水火箭”的设计方案，他考虑到“水火箭”的动力只能由水或空气提供，从工程角度看，装置的密封性要好，要能保证水在足够大的压力下喷出而产生足够的反推力。于是他设计了制作流程，首先在废旧饮料瓶内装入适量水，用带有打气筒的瓶塞将瓶口塞住，最后配置上由废纸箱改造而成的火箭外壳、导流罩及底座，“水火箭”即可完成，如图甲所示（简化模型如图乙）。 （2）如果瓶塞未完全塞紧，将会导致 现象产生。 （3）小亮设计“水火箭”顶端的导流罩，其目的是减小飞行时受到的 。 漏气 空气阻力 课堂检测 【实施计划】小林负责“水火箭”的发射，他往瓶中 装600mL的水，塞好瓶塞后放在发射架上。用气筒不断地向瓶内打气，瓶内气压不断增大，当橡皮塞从瓶口冲出时，“水火箭”发射升空。 【检验作品】 以下是“水火箭”发射的评价量表。 评价指标 优秀 合格 待改进 功能性 火箭能顺利升空且在空中运行时间t＞6s 火箭能顺利升空且在空中运行时间 火箭能顺利升空且在空中运行时间t＜2s或不能升空 美观性 符合审美，有一定的设计感 符合审美，设计感一般 不符合审美，设计感较差 课堂检测 （4）小华同学负责“水火箭”是否制作成功的鉴定，其标准就是“水火箭”上升的高度，但高度不容易测量，小华此时可以转化成测量 。某组同学制作的“水火箭”，由地面竖直向上发射，其速度和时间的关系如图所示。根据图像，结合评价量表的功能性指标,你对该“水火箭”评价结果是什么并说明理由。 火箭在空中的运行时间 合格。理由：由速度和时间的关系图像可知，水火箭的飞行时间为6s，对比水火箭发射的评价量表可知，水火箭的功能性指标为合格。 课堂检测 【拓展延伸】（5）小组同学对“水火箭”水平飞行的距离与哪些因素有关的问题进行了进一步研究，并设计了多个方案。其中的一个方案是：取上述“水火箭”，分别安装在发射架上，调整它们发射的角度分别为20°、30°、45°、50°、60°、70°，向瓶内打气直至橡皮塞从瓶口冲出，使“水火箭”向前飞出。下表是他们在实验中收集到的数据：分析表中数据可得 在其他情况相同时，水火箭水平飞行距离与发射角有关，随着发射角的增大．水平飞行距离先增大，后减小。 课后练习 3、任务：某同学的爷爷年事已高，行动不便。该同学想要设计一款轻便实用的拐杖来帮助爷爷行走。根据任务定义工程问题，分析限制条件，提出验收标准。 工程问题：设计一款能为行动不便的高龄老人提供稳定支撑和辅助行走，且轻便实用的拐杖。限制条件分析：质量限制：拐杖要轻便，质量不超过350g。材质：主体不锈钢材料或铝合金材料。 稳定性：拐脚配橡胶防滑脚垫，着地性能好，稳定性佳，安全可靠；高度9档调节。 外观设计：必须符合人体工程学原理，握柄舒适，外观简洁，易于操作和使用，避免复杂的结构和操作。 验收标准： 质量：拐杖整体质量不超过350g。 高度调节范围：能够在100cm～140cm之间自由调节，并能稳定固定。 稳定性测试：最大承重120kg，防滑系数0.7，在湿滑、不平整等多种常见地面条件下，倾斜角度达到30°时仍能保持稳定，不倾倒。调节轻松便捷。 （答案不唯一，合理即可） 课后练习 $$nullnull