地质版（2019）必修《技术与设计2》二 系统的基本特性优质ppt课件

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学校运动会赛事系统一般由哪些部门组成?包含哪些比赛项目?都有哪些人员参加?
系统多种多样，即使同属一类，也各具不同的特色。它们各自以不同的结构呈现出不同的功能。作为系统,它们都具有什么样的特性呢?
一、系统分析案例(一）波轮式洗衣机系统分析1.组成与功能在第二章，已介绍过波轮式洗衣机的工作流程。它的结构示意图如图3-13所示。( 1)组成:波轮式洗衣机由洗涤与脱水桶、波轮、传动机构、操作与控制面板、机箱体、进水机构、排水机构和供电线路等部分组成。 (2）功能:洗衣机的总体功能是洗净衣物。为达此目的，它的各组成部分各具相应的功能和作用，以支撑实现总功能。以波轮为例,波轮上有几条突出的筋,如图3-14所示。波轮以每分钟数百转的速度转动，带动洗涤液形成强烈的涡流，使液体和衣物做旋转和翻转运动，洗净衣物。
波轮的不同安装方式与洗涤效果波轮在洗衣桶中有不同的安装方式。装于桶底的称为涡卷式;装于桶侧壁上的称为喷流式;在洗衣桶两相对侧壁上都安装波轮的，称为双喷流式。喷流式洗衣机洗涤衣物时，类似于手工洗衣。其特点是洗涤时间短、污垢容易洗掉、机器结构简单、故障少和造价低廉。但由于其水流激烈，衣物客易拧绞在一起，因而洗涤不匀，对织物的损伤较重，且洗涤时洗涤液容易飞溅。为了使衣物翻滚良好，洗涤液必须充足。双喷流式洗衣机，洗涤时衣物在桶内容易翻滚，不易拧绞在一起。针对喷流式洗衣机对织物损伤较重、洗涤液易飞溅等缺点，开发了涡卷式洗衣机。由于涡卷式洗衣机波轮装在洗衣机桶底部，洗涤时会形成强烈的涡流。其特点是洗涤时间较短、结构简单、价格便宜、对衣物磨损较轻。
问题思考(1) 洗衣机的结构组成与它的功能有什么关系?(2）洗衣机波轮安装方式与洗涤效果有什么关系?(3）洗衣机的其他组成部分(除波轮外)对总功能各起什么作用?
2.各组成部分之间的关系洗衣机的各组成部分对于洗衣机的总体功能来说，各起到一定的作用。例如，波轮可激起水流，桶可装水与衣物，等等。各组成部分也可按其功能分别称为给水子系统、驱动运动子系统、操作控制子系统、支撑子系统等。那么，各组成部分之间又有什么关系呢?先从各个局部看:供电、驱动→波轮旋转→水流形成;进水（也称注水)→洗涤、漂洗→排水;面板上各开关、按钮→各种洗涤程序﹔将各部分组装于机箱体内→洗衣机整体。再从横向看:由图3-15可知:水流的洗涤与漂洗,简称为洗，是洗衣机的核心﹔围绕着它,各组成部分有机关联。洗衣机作为一个整体,它的各组成部分，即各子系统之间,少了哪个都不行，哪一部分坏了洗衣机都不能正常工作。
技术探究( 1）洗衣机的各子系统间是怎祥相互关联的?(2）试指出几个洗衣机系统的元素。 3.系统和外界环境之间的关系洗衣机的工作过程,是在客观的外界环境中进行和完成的。图3-16表示它和外界环境之间的关系。进水环境给洗衣机注入工作（洗)的介质。供电环境给洗衣机提供工作能量。操作者环境(人)向洗衣机发出工作程序的信息。噪声洗衣机工作过程中向外界环境强加的一种影响。排水洗衣机工作过程中向外界环境排放物质（污水）。支撑基有两层关系:一是左边的指向洗衣机的箭头，表示环境给洗衣机提供支撑;二是右边的指向支撑基的箭头，表示洗衣机工作过程中向外界环境强加的又一种影响,如振动等。
洗衣机和外界环境间的关系(1)洗衣机工作时与外界环境有哪些关系?你能使用一些技术术语来表达这些关系吗?(2）如果给洗衣机注入温水或是很凉的冷水，会给洗衣机的洗涤效栗带来哪些影响?试着结合图3-15或图3-16给予恰当的解释。(3）如果电源电压或频率有大幅度的波动,会给洗衣机的工作带来什么影响?提示:先查阅有关电源参数波动对电器设备影响的技术资料，再考虑本问题。(4）洗衣机工作时，放置在什么地方（如浴室、洗手间或其他地方)合适?为什么?提示:①从环境与系统、子系统关系的角度来考虑问题;②可以带着问题与家长或老师交谈，也可以查阅洗衣机的使用说明书。
4.系统分析的评价与小结(1）评价:洗衣机作为一种产品,用户关注其性能。通常评价产品性能的好坏主要考虑以下几点:可靠性、返修率﹔实用性，包括洗涤容量、外形大小等﹔性价比﹔安全、节能、环保﹔外表美观。( 2）小结:洗衣机系统作为一个整体，它的核心功能是洗净衣物。它的各个组成部分都是围绕着支撑实现核心功能来确定其结构、工作方式的﹔各个组成部分的设计要服从于整体功能、整体效益的需要。洗衣机系统由若干个子系统组成。各子系统之间相互联系、相互作用、相互依赖。洗衣机系统总要工作在某个外界环境之中。它既要适应正常的工作环境，又要避开恶劣的环境。
开眼界可靠性所谓产品的可靠性，通常是指在规定的条件下和规定的时间内，产品完成预定功能的概率。对不可修产品，从开始使用到失效时所运行的这一段时间，称为产品寿命﹔对可修产品，则称其为产品的无故障运行时间。例如，洗衣机属于可修产品，因此它的可靠性是以平均无故障运行时间的长短来评价的。洗衣机是大件产品，搬动不方便，产品的可靠性就更显得重要。可靠性好，返修率则低。
(二）赛龙舟系统分析图3-17所示是我国传统的赛龙舟场景。从那种令人兴奋、励人争先的场面中，你观察到了什么?想到了些什么?对其中的胜者有何评价?
1.赛龙舟系统的功能与构成(1）系统的功能:赛龙舟系统（以下简称系统）用于团队间的比赛，以到达目的地的先后顺序记名次,作为比赛成绩。( 2）系统的构成:舟体子系统:支撑荷载。合理的龙舟造型可以减少水的阻力。运动子系统:由若干副桨组成，用于划水﹔舟后设舵或由一桨代替。动力子系统:由若干名运动员组成,按舟上的指挥号令划桨。
2.比赛取胜要素比赛取胜的要素是:一要快，二要方向性好。要快，即要求众运动员划的力量大，就是将人的强大与持久的机械力，转换成龙舟强劲的加速度和飞快的运动速度。要方向性好，就是让龙舟尽量走直线，要划得齐，尽量减少龙舟在前进方向上的左摆右晃。
3.龙舟的定量描述分析尝试( 1）龙舟速度的获得:在起点，各龙舟都处于静止状态，待令而发，初速度为零，可记为v0=0。发令后，众人奋力划桨，水给桨以反作用，龙舟得到动力，记作F;空气和水给龙舟的运动阻力，记作Fz。龙舟与人的总质量m已知,由可以计算得到加速度a。有了a，就获得了速度v。不断施加动力，不断获得加速度，龙舟便能快速前进。另外，式(3-2）中的阻力F是随龙舟速度v的增加而增加的变量，若动力F保持不变，随着速度v的增加，合力F就会逐渐减小直至为零，则由式(3-1)可知，加速度α也会逐渐减小直至为零，此时龙舟速度不再变化，为勾速运动。要想提高速度，必须有更大的动力F。当然，若龙舟上的运动员感到疲劳，划桨的力量减弱，即动力F降低，合力F为负值，就会产生反向加速度（负加速度)，龙舟的速度就会降低，同时F也随之减小，合力F会再次为零，此时龙舟就会以较低的速度做匀速运动。可见，如果作用于龙舟的动力强,则龙舟的运动速度就会快。
技术探究加速度、速度都是时间的函数。假定，已经解得一段时间内的加速度值，即a。那么，怎祥计算出这段时间内与a相对应的速度值v（t）呢?(2)作用于龙舟上力的平衡:由牛顿第二定律，可以写出力的平衡方程式此式第一项F，表示施加于运动体上的外力，包括动力、阻力或其他的力;第二项ma，本质上也是一种力,它表示运动体要克服的惯性。这两项，在运动中构成了力的平衡。
(3）龙舟质量的权衡:龙舟的质量是由两部分组成的,即舟体及其设备，加上舟上的人员。一般来说，力气大的人，体重也大。当龙舟上体重大的人多了，总质量m也就大了。总质量的加大，对获得快速不利。这就需要去考虑、去决策。舟上运动员的选择要求应该是:力气大而质量相对小。这样,通过公式a=Flm的计算，就可以获得较大的加速度α。如果选择不当或相反，则龙舟的速度是不会快的。这就是运用系统的思想及定性、定量相结合的方法来分析和处理问题的基本思路。
(4)龙舟运动的数学描述:上面的分析表明,龙舟运动可以依据牛顿第二定律，进行严格的定量描述。比如，在一定的条件下,a定量地依赖于F的变化而变化。能获得多大的a是可以进行定量计算的。这种描述运动特性(如动力学关系)的数学表达式，一般称为数学模型。寻求某一运动的数学模型的过程,称为建模过程。建模的一般原则是利用规律、定律及法则等，用合适的数学方式表达。如利用牛顿第二定律来建立龙舟运动的动力学模型，就是一种较常见的建模方法。
4.赛龙舟系统分析的评价与小结(1)评价:赛龙舟系统,人们关注的是比赛结果,即如何快速到达终点。影响龙舟速度的因素有三个:1)划的力基大。2)前进的方向性好。3）总体质量尽可能小。龙舟比赛要取胜,其决定性的作用是依靠团队精神和团队技术状态的发挥。(2)小结:赛龙舟系统，作为一个整体，它的功能和目的是比赛与取胜。作为系统，它具有整体性、目的性、各子系统的相关性和对工作环境的适应性等特性。赛龙舟系统是用于龙舟与龙舟间的比赛。这一点不同于洗衣机系统。如果赛龙舟系统的各舟体子系统、运动子系统都一样，那么，各龙舟间的差别全在于动力子系统，即运动员的团队品质。因此，运动员团队的选择、组成、训练至关重要。在本案例中，大家一起做了一个尝试,即运用系统的恩想和定性、定量相结合的方法分析处理问题，如龙舟速度的获得、龙舟上力的平衡、龙舟质量的权衡等。其中，有关力的平衡的概念与应用,使我们对牛顿第二定律的认识有所深化。
讨论交流(1)龙舟的速度是怎样产生的?如果考虑阻力，实际的动力值将怎样考虑?怎样才能减少阻力?(2）在上面的分析中，只重点讨论了施加动力的大或小的作用。如果考虑提高划菜的频率,会带来什么作用?(3）如果突然出现一阵凤吹到某龙舟上，你能结合牛顿第二定律做一些论述吗?(这个问题可留到课外思考、讨论)(4）将赛龙舟系统与波轮式洗衣机系统相对比，试就系统内部各分系统的关联关系和系统与外界环境的关系,对赛龙舟系统做一些分析。
描述系统的方法描述系统的特性，可从定性、定量两个方面入手。其中，定量特性是定性特性的显化。定量特性的描述可以利用数学处理，如数学模型的方法。选择适当的系统量，通过建立反映这些量的特征、相互关系和变化规律的数学表达式，即数学模型来刻画真实系统。这种方法，既可获得系统定量特性的精确结果，又可深入认识系统的定性特性。数学模型的形式有多种。用平衡方程式作为系统模型是一种常见的形式,如力平衡方程,电压平衡方程、热平衡方程、流量平衡方程等。例如，前面的赛龙舟系统，采用的就是力平衡方程式(3-3)和方程式(3-2)作为系统动力学特性的描述。这是一种较为简单的数学模型。其中，系统变量为a、F1、F2;运动遵循的是牛顿力学定律。它较准确地描述了赛龙舟系统运动加速度与各外力之间的定量关系,可以用作系统设计计算的理论依据。建立数学模型的方法有多种。上面的例子，属于已知系统的工作机理，故可依据原理、定律来描述其运动规律。这样建立数学模型的方法，通常称为机理建模。对于工作机理不清的系统，机理建模的方法不能适用。系统都包括两个方面，即一是系统本身,二是系统所处的环境。环境对系统的作用表现在对系统的输入(或干扰)，系统在特定环境下，按翰入进行工作而产生输出。通过测试系统的输入和对应的愉出，可以利用所谓系统辨识技术，获取系统的数学模型。类似这样的一些建模方法，通常称为非机理建模。关于系统辨识,待以后再学习或可查阅相关资料了解。
(1) 通过前面的阅读材料，你对于系统特性的描述有何联想?(2) 请对学校运动会赛事系统进行尝试性描述。
二、系统的基本特性前面的两个案例,虽都是系统,但它们的结构、功能、工作方式、使用场合等都不相同。作为系统,它们都具有哪些共同特性呢?通过对两个案例的分析、技术探究，可归纳出系统具有如下基本特性:(一）整体性系统的整体性也称为集合性，是系统的基本属性。系统不是一些元素的简单集合，也不是一些组成部分的简单数量上的相加，而是一个有机整体。系统的结构、工作方式决定于系统的目标、效益的需求。系统要求它的局部服从整体，强调整体性。如案例中的洗衣机、龙舟虽分属不同的系统，但它们都具有整体性。(二）相关性系统的相关性也称为关联性。构成系统的各部分之间是相互依存、相互作用、相互支撑、相互影响的，是彼此相关的。如赛龙舟系统中各子系统的设计，比赛时各子系统协调配合是取得比赛胜利的保证。(三）功能性每个系统都具有特殊的功能，这是区别不同系统的主要标志。如洗衣机用于洗涤，而龙舟用于比赛。(四）环境适应性系统都存在于一定的环境之中，并不断地与外界环境进行物质的、能量的和信息的交换。系统必须适应外部环境的变化。如洗衣机、龙舟工作于不同的环境，它们应具有不同的环境适应性。创客坊用学校运动会赛事系统或其他系统，具体说明系统的基本特性。
创客坊用学校运动会赛事系统或其他系统，具体说明系统的基本特性。技术探究:试分析钟系统的基本特性分析对象:闹钟或座钟或挂钟。分析内容:怎样体现其基本特性。分析方法:(1)先了解钟的构成、功能及其运行情况。(2)参照波轮式洗衣机系统案例进行分析。实习要求:(1)分小组做，全班交流。(2）讨论交流后，写出简单的分析报告。(3）分析报告的内容包括分析过程、依据、结论、建议及相应的说明。
三、系统分析的基本方法(一）系统的基本思想作为系统，它们都具有整体性、相关性、功能性和环境适应性。系统的这些基本特性构成了系统的基本思想。在前面案例中，体现了运用系统的思想来分析处理问题。(二）系统分析的基本方法运用系统的思想和定性、定量相结合的方法对系统进行分析，就是系统分析的基本方法。通过前面两个案例的系统分析过程，可以归纳出该方法包括以下三个阶段。阐明问题:分析的对象（系统)、系统的整体功能和系统的组成。分析研究:系统内部机理，如洗衣机采用波轮旋转激起水流﹔系统内部各子系统的关联、配合﹔系统与其外部环境的关系;基本的定量分析。评价比较:系统性能、品质评价，系统运行效果评价﹔同类系统间比较，找出优劣。在上述分析研究阶段中，涉及一些定量分析，特别是关于数学建模问题，有待在今后的学习研究中去深化。
(三）学写简单的系统分析报告我们在做过系统分析之后，就要通过写报告来达到总结收获、提高认识和利于今后发展的目的。同时,通过写报告，也可以培养和训练我们的科学思维与表达能力。简单的系统分析报告内容包括:系统的分析过程，如功能、构成及特性的定性、定量分析说明等﹔依据，如系统的内部关系，系统与外部环境关系的挖掘﹔结论和建议，如评价与小结。可参考本节两个案例的相关说明。