1、第第二二单元单元 仿生仿生 5.5.生物的启示生物的启示 生物在长期进化的过程中，形成了许多有利于生存的形态结构和生理特点，人们从中获得很多启示。 课本 14 页的四种物品的设计与动植物的形态结构有什么相似之处？ 铁丝网和植物茎上的刺的尖锐部分都能起到保护作用；塑料吸盘和八爪鱼的吸盘都呈碗状，具有吸附功能；尼龙搭扣上的弯钩和苍耳果实上的钩刺都有很强的附着力；降落伞与带冠毛的蒲公英种子的整体形状相似。 除此之外， 还有锯子与锯齿草、 大跨度建筑屋顶架构与王莲叶、 人工冷光与萤火虫的光、风暴预测仪与水母耳、电子蛙眼与蛙眼等。 公元 4 世纪，古希腊数学家佩波斯提出猜想：截面呈正六边形的密铺(不留空
2、隙，也不相互重叠)的蜂窝巢房，是蜜蜂采用最少量的蜂蜡建成的。这一猜想被称为“蜂窝猜想”。 在同种正多边形中，能密铺的只有正三角形、正方形、正六边形。 虽然圆柱体抗压能力最强，但在平面密铺的基础上，圆形最终会被挤压成六边形。所以在正三棱柱、正四棱柱、正六棱柱三种之中，正六棱柱的抗压能力最强。 蜂窝的横截面呈正六边形的形状.不留空隙，也不互相重叠，是密铺而成。而且蜂窝的巢房是蜜蜂采用最少量的蜂蜡建造而成的。 假设我们想用相同形状和大小的图形密铺一个平面（使图形不留空隙、也不互相重叠地铺满整个平面），那么只有 3 种正多边形可以做到：正三边形、正四边形和正六边形。（这里指规则镶嵌）在铺满同等面积的情
3、况下，使用正六边形所需要的周长之和最小。这就不难理解蜜蜂为什么会选择六边形了，因为蜂巢是用蜂蜡做的，而蜜蜂产出蜂蜡是消耗能量的，它们当然希望省些力气这点小心思就跟打工人想少搬几块砖一样。 假如你是蜜蜂，你会选择哪种形状的蜂巢？为什么？ 假如我是蜜蜂， 我会选择建造正六边形的蜂巢。 因为正六边形的蜂巢有三大优点： 第一，每个蜂房都是密铺的，既不留空隙，也不相互重叠；第二，正六边形的蜂巢用料最少，可以采用最少量的蜂蜡建成最大的蜂巢；第三，正六边形的蜂巢抗压能力最强。虽然圆柱体抗压能力最强，但在平面密铺的基础上，圆形最终会被挤压成六边形。比较正三棱柱、正四棱柱、正六棱柱，正六棱柱的抗压能力最强。 你
4、还发现哪些物体有蜂巢结构？这种设计有什么好处？ 生活中具有蜂巢结构的物体还有：蜂窝板材、蜂窝填充料、蜂窝底的锅、移动通信基站的蜂窝状排列，等等。 这种设计的好处是：六边形排列没有缝隙，有效空间最大，所用材料少等。 人们在造船时，从鱼的身上得到了哪些启示？ 它们的对应关系是：鱼的鳍对应船的桨和橹，提供前进和转弯的动力；鱼的流线型身体对应潜艇的外形，减少水的阻力，行进更快更省力；鱼的骨架对应船的龙骨，提供整个身体的支撑；鱼肚子里的鳔对应潜艇的蓄水舱，通过充气和注水，调节上浮和下沉。 查资料，了解人类从鸟的身上获得了哪些发明创造的启示。 人类从鸟类的身上得到了启示，发明了滑翔机。 人类从蝙蝠的身上得
5、到了启示发明了雷达。 鸟类可以在空中自由飞行，这对人类是多么大的吸引和激励啊！400 多年以前，意大利人达芬奇根据对鸟类的观察和研究，设计了扑翼机，试图用脚蹬的动来扑动飞行。后来，经过许多科学家的试验，终于在 1903 年发明了飞机，实现了几千年来人类渴望飞上天空的理想。 小小的蜂鸟是鸟中的“直升机”，制造具有蜂鸟飞行特性的垂直起落飞机，已经成为许多飞机设计师梦寐以求的愿望。还有科学家从鸽子的视觉发达得到启示，发明了“电子鸽眼”；从猫头鹰眼睛的特殊构造，发明了“夜视仪”；利用鹰的眼睛发明了“电子鹰眼”；从啄木鸟觅食中受到启发，发明了“防震头盔” 人类模仿生物的结构和功能，创造出各种人造物。这些
6、做法逐渐发展为一门从自然中学习，进而应用到工程技术中的学科仿生学。 学生活动手册 研究蜂巢形状的奥秘。 蜂巢截面蜂巢截面 形状形状 壁长壁长 / /厘米厘米 内切圆内切圆 直径直径/ /厘米厘米 4 4 个密铺后个密铺后 有几道壁有几道壁 4 4 个密铺后壁的个密铺后壁的 总长度总长度/ /厘米厘米 抗压能力抗压能力 ( (书本数书本数) ) 正三角形 4.56 2.64 9 41.04 4 正方形 3 3 12 36 3 正六边形 1.86 3.22 19 35.34 5 我的结论： 许多动物具有与生俱来的特殊本领，你认为可以从它们身上获得什么启示？进行哪些发明创造？ 秃鹫飞得高，能飞上 9
7、000 米的高空 发明飞机 游泳冠军旗鱼的 时速高达 113 千米 发明火箭 抹香鲸是潜水冠军， 能潜入海洋 2200 米深处 发明潜水艇 尖尾雨燕是飞行冠军， 时速可达 350 千米 发明飞机 6.6.蛋壳与薄壳结构蛋壳与薄壳结构 观察并描述鸡蛋壳的特点。 鸡蛋呈椭球形，外表光滑，表面有细微的气孔，内部有一层薄膜。鸡蛋壳的主要成分是碳酸钙，并不坚硬致密。 用手能把 1 枚鸡蛋握碎吗？ 因为鸡蛋是椭球形的，用手握鸡蛋时，手部施加的压力能被蛋壳外凸的曲面分散，所以鸡蛋不易握碎。此外，蛋壳内附着的一层富有弹性的薄膜所产生的预应力，能拉紧整个蛋壳，增加了蛋壳的抗压能力。 蛋壳为什么能承受这么大的压力
8、？ 薄薄的鸡蛋壳之所以能承受很大的压力，是因为蛋壳曲面可以看成由无数的拱拼接而成的，能够把受到的压力分散到蛋壳的各个部分。 蛋壳曲面可以看成由无数的拱形拼接而成，而拱能把受到的压力向下和向外传递给相邻的部分，所以拱形能承受巨大的压力。 外形为弧形的建筑结构被称为拱。常见的拱形有：拱门、牌坊、城堡、水渠、宫殿等。著名的建筑有法国的凯旋门、中国的赵州桥、古罗马水渠等。 拱桥的承重能力大于平桥。拱能把受到的压力向下和向外传递给相邻的部分，如果能抵住外推力，拱就能承受巨大的压力。 人们从蛋壳中得到启示， 发明了薄壳结构。 薄壳结构具有优越的受力性能， 且轻便省料，因此在建筑中被广泛使用。 薄壳结构的建
9、筑有：国家大剧院、悉尼歌剧院 薄壳结构的物体有：野营的帐篷、各种各样的灯泡、工地上的安全帽等。 学生活动手册 科学阅读。 薄壳结构薄壳结构 在自然界中， 一些植物的种子外壳、 动物的蛋壳和各种贝壳， 都是天然的薄壳结构。它们用很少的材料获得无比坚硬的外壳，以抵御外界的侵袭。 以蛋壳为例，通常情况下，蛋壳厚度只有 0.38 毫米。这么薄的蛋壳，简直不堪一击。然而，蛋壳的形状可以增大它的承受力，凸出向外的曲面能把压力分散。特别是当它均匀受力时，抗压性就更强了，远不是看上去的那么脆弱。 人类从蛋壳这样的天然壳体中受到启发，利用混凝土以及其他合金材料的可塑性，将各种形式的薄壳结构运用到大跨度的建筑中。
10、这些薄壳结构的建筑能够达到力学设计的基本要求用料少，抗压能力强。 寻找生活中的薄壳结构建筑或物品，把它们的照片贴在下面，或把它们的样子画在寻找生活中的薄壳结构建筑或物品，把它们的照片贴在下面，或把它们的样子画在下面。下面。 7.7.海豚与声呐海豚与声呐 人们在水池里插上金属棒，海豚游动时绝不会碰到；即使被蒙上眼睛，照样畅游无阻，还能准确捕捉猎物。这个实验说明，海豚探路不是依靠视觉。 海豚在水里能够发出一种人耳听不见的声波，声波遇到物体后会反射回来，被海豚的耳朵接收，海豚就能确定物体的形状、大小和位置。海豚采用的这种方法叫回声定位。 根据回声定位原理，科学家发明了声呐。现在，声呐已被广泛应用于各
11、种舰艇、水下作业及渔业勘测等。 潜艇的声呐系统利用声波对水下目标进行探测、定位、识别等。 B 超诊断仪同样利用回声定位原理， 将超声波射入人体， 通过分析体内组织产生的回声，探测人体内部是否健康。 雷达则利用类似的原理进行工作。雷达发出的电磁波遇到目标时会返回，从而测定目标位置、速度等，为飞机导航。 B 超、雷达的工作原理和海豚探路有什么相似之处？ 海豚、声呐、B 超、蝙蝠都属于回声定位的工作原理。 某些动物能通过口腔或鼻腔把从喉部发出超声波，利用反射回的声波来定向，这种空间定向的方法称为回声定位。 声呐是利用水中声波进行探测、定位和通信的电子设备。 雷达将电磁波以定向方式发射至空间，借由接收
12、空间内存在物体所反射的电磁波，可以计算出该物体的方向、高度及速度，并且可以探测物体的形状，以地面为目标的雷达可以探测地面的精确形状。 学生活动手册 画出声呐、B 超诊断仪和雷达的工作原理示意图。 声呐声呐 B B 超诊断仪超诊断仪 B 型超声诊断仪的基本工作原理超声波是一种超出人耳听力范围的声波，发射频率在 2 万赫兹以上，通过人体组织后反射回来显示在荧光屏上，形成很多亮暗不一的光点，构成一幅切面图像来诊断疾病。 雷达雷达 科学阅读。 蝙蝠与回声定位蝙蝠与回声定位 蝙蝠的视力很弱，但是听觉很灵敏。实验证明，蝙蝠主要靠听觉来发现昆虫。蝙蝠在飞行的时候， 喉内发出超声波。 超声波能够像波浪一样向前
13、推进， 遇到物体就被反射回来，形成根据物体性质不同而产生不同声音特征的回声。蝙蝠能够用耳朵接收这种回声，并根据回声的频率、音调、声音间隔等特征，确定物体的性质和位置，判断探测目标是昆虫还是障碍物，以及距离它有多远。蝙蝠的这种探测目标的方式，叫作回声定位。 蝙蝠利用回声定位来捕捉昆虫，其灵活性和准确性是非常惊人的。有人统计，蝙蝠在几秒时间内就能捕捉到一只昆虫，一分钟可以捕捉十几只昆虫。蝙蝠还能从杂乱无章的充满噪声的回声中检测出某一特殊的声音，然后迅速进行分析和辨别，以区别反射声波的物体是昆虫还是石块，或者更精确地判断是可食昆虫还是不可食昆虫。蝙蝠回声定位的精确性和抗干扰能力，对于人们研究提高雷达
14、的灵敏度和抗干扰能力，有着重要的参考价值。 8.8.我们来仿生我们来仿生 人或动物任何一个动作的产生，都不是一块骨骼肌收缩、舒张完成的，而是多组肌群在神经系统的调解下，骨、关节和肌肉的协调配合完成的：骨骼肌接受神经传来的刺激，会收缩，牵引着它所附着的骨，绕着关节运动，从而产生各种动作。 在手臂模型中， 硬纸板代表长骨； 对折的硬纸板代表前臂的桡骨和尺骨； 铆钉代表关节；绳子代表连接上臂与前臂的骨骼肌肉。 在“保护色”游戏中，小动物卡片代表生活在树丛中的小动物；以正常速度走过这条小路代表不经意的观察状态；重走一遍小路，代表仔细的观察状态。 迷彩服是作训服的一种基本类型。“迷彩”是由绿、黄、茶、黑
15、等颜色组成不规则图案的一种新式保护色。 迷彩服的种类和作用。 黄绿色的迷彩服是丛林迷彩，用于陆军夏作训服。 荒漠迷彩，用于陆军冬作训服。 蓝色的迷彩服是海洋迷彩，用于海军陆战队。 蚂蚁、竹节虫等昆虫都有三对足，在爬行时总是以三条足为一组，以三角形支架结构交替前行。它们可以轻松跨过障碍物，也可以随时随地停下来。 工程师借鉴昆虫的三角步态在稳定性、机动性等方面的优势，设计并制造了六足仿生机器人。这种机器人可以轻松跨越森林、沙地、沼泽等特殊路面，能够从事工程勘测、反恐防暴、军事侦察等难度较大或具有危险性的工作。 锥形瓶和烧瓶内大口小，普通刷子无法将其内部清洗干净。河鲀又叫气鼓鱼，它有又叫气鼓鱼，它有
16、个本领：一遇到惊吓，身体就会迅速胀大好几倍，以吓退天敌。技术人员从中受到启示，发明了一种像河鲀那样形状可变的试管刷子。 仔细观察周围的生物，思考它们能给你什么启示。试着模仿一种生物的形态、结构或功能，设计一种产品。 猫的耳朵可以改变朝向，以便接收不同方向传来的声音。 鸭子划水十分轻松，模仿鸭蹼发明脚蹼，可以为人们游泳、潜水提供前进动力。 翠鸟的锥形喙前小后大，在快速入水捕鱼时可减小阻力，锥形列车车头在列车高速行驶时可减小空气阻力。 野猪利用泥土细粒对氯气的吸附作用过滤空气，猪鼻子防毒面具前端进气口填充有类似细土吸附功能的活性炭。 学生活动手册 仿照示例，观察身边的生物，设想仿生两件物品。 序号序号 身边的生物身边的生物 仿生的物品仿生的物品 原理分析原理分析 1 1 鸭子的蹼有助于它划水 模仿鸭蹼的形态和功能设计脚蹼 鸭子划水十分轻松，模仿鸭蹼发明脚蹼，可以为人们游泳、 潜水提供前进动力。 2 2 翠鸟的嘴呈锥形 高速列车的车头设计成锥形 翠鸟的锥形喙前小后大， 在快速入水捕鱼时可减小阻力， 锥形列车车头在列车高速行驶时可减小空气阻力。 3 3 野猪鼻子中塞满细泥土，过滤掉氯气 前端装有活性炭的猪鼻子防毒面具 野猪利用泥土细粒对氯气的吸附作用，过滤空气， 猪鼻子防毒面具前端进气口填充有类似细土吸附功能的活性炭。
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