师:下面请同学们一起打开课本第13页,我们一起来读一首小诗。
“蔚蓝的天空中,火箭升腾,靠什么定位它的方向?辽阔的大海中巨轮穿梭,为什么它能乘风破浪?原来是因为大自然给了人类发明创造的灵感。”
火箭升空能够定位方向,轮船在大海中航行能够乘风破浪,这些都是人类向自然界生物学习的结果。生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多。自然界的生物多种多样,人们从这些生物身上得到了哪些启示,并应用到工程技术中呢?今天这节课,我们就来学习第二单元的第5课——《生物的启示》。生物在长期进化过程中形成了许多有利于生存的形态结构和生理特点,人们从中获得了许多启示。下面请同学们找一找动植物与仿生物品之间的相同点。你说你把荆棘与铁丝网连起来了,说说它们的相同点。
生:铁丝网和植物茎上的刺,其尖锐部分都能起到保护作用。荆棘上的刺很尖,分布均匀,扎人很疼,可以很好地保护植物本身。铁丝网上布置了一些尖刺,这样能加强铁丝网的防护效果,外来人员很难穿过,从而起到防护作用。
师:嗯,你说得非常好。你说你把苍耳与鞋子的魔术贴连在一起了,它们有什么相同点呢?
生:苍耳果实的刺附着力很强,可以附着在人或动物身上,实现种子传播。人们根据这个特点发明了鞋子上的魔术贴,它可以反复开合数万次,还应用到很多领域。
师:章鱼与吸盘,它们有什么相同点呢?
生:塑料吸盘和八爪鱼的吸盘都呈碗状,具有吸附功能。看到章鱼能完全吸附在轮船底上,人们发明出塑料吸盘。塑料吸盘可以吸附在平整墙面上,不容易脱落。
师:嗯,说得真棒。最后一个,你说蒲公英与降落伞它们有什么相同点呢?
生:蒲公英的种子成熟后,受风力影响会漂浮在半空中,借助风力飘到远方,实现种子传播。人们根据蒲公英这一特点发明了降落伞,它利用空气阻力原理,依靠相对于空气运动充气展开的可展式气动力减速器,广泛应用于航天航空领域。
师:同学们发现得真棒。除了以上4种受不同动植物启发发明出来的物品,你还知道哪些物品的设计是受了某些动植物的启示呢?大家思考一下。
生:锯子与锯齿草。
师:非常好。我们看王莲,王莲的正面能承受住一个小孩子的重量,而它的反面有一个非常精美的结构。北京新机场的航站楼钢结构就受到了它的启示,这些都与我们的生活息息相关。下面老师带了一个物品,大家都认识吗?对,这就是蜂窝。关于蜂窝,在公元4世纪,古希腊数学家佩波斯提出猜想,截面呈六边形的蜂巢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。那到底是不是这样呢?今天我们一起来探究一下蜂窝的特点。请同学们把收集到的资料跟大家说一说。
生:蜂窝的横截面呈六边形,不留空隙,也不互相重叠,是密铺而成的,而且蜂巢是蜜蜂采用最少量的蜂蜡建造而成的。
师:请同学们一起来看。这是一个蜂巢,我们观察蜂巢的结构,一个个蜂巢都是正六边形。那么用其他图形能不能构造蜂巢呢?像正三角形、正方形、正五边形、正六边形都可以尝试构建蜂巢。如果我们用正五边形来构造蜂巢,你有什么发现,把想法告诉大家。
生:如果蜜蜂用正五边形来构建蜂巢,蜂巢就会出现缝隙,不但影响美观,还会影响蜂巢的作用。所以用正五边形构造蜂巢行不通。
师:那么用正三角形或者正四边形行不行呢?像刚才一样,正三角形、正方形、正六边形都可以密铺,中间没有缝隙。现在我们来研究一下,用下面三种面积相等的图形——正三角形、正方形、正六边形来建造蜂巢,请大家计算一下每种图形的内圈沿直径以及蜂巢壁的总长度,并进行排序。
师:我们可以看出正三角形密铺它的蜂巢壁总长度是41.04,正四边形的是36,正六边形的是35.34。从这里能看出,用正六边形密铺蜂巢壁的总长度是最少的。其实这是一个简单的几何问题,假设我们想用相同形状大小的图形去密铺一个平面,只有三种正多边形可以做到,即正三角形、正四边形和正六边形。在铺满同等面积的情况下,使用正六边形所需要的周长和最小。
这就不难理解蜜蜂为什么选择六边形了,因为蜂巢是用蜂蜡做的,而蜜蜂产出蜂蜡是要消耗能量的,它们当然希望能省些力气,这心思就跟打工人想少搬几块砖一样。我们感慨蜜蜂的勤劳,更从蜂巢的形状以及用料上佩服蜜蜂的选择。住房可是大事,不仅要能遮风挡雨,更重要的是要牢固可靠,才能保证我们的安全。那么蜂窝能不能达到这样的要求呢?下面我们一起来探究一下蜂巢的抗压能力。
我们一起来做个小实验,将A4纸分别折成正三棱柱、正四棱柱和正六棱柱三种形状,比较一下哪种形状的抗压能力最强。做试验的时候一定要注意,放书要平稳,不能猛然加大压力。好,我们一起来观看老师请同学们做的这个实验。
(描述实验结果)翻到第七本时,正六棱柱也倒了。这样我们发现形状改变,材料承受力的大小也改变了。如果在材料上放了n本科学书后开始变形,那么材料的承受力就是n - 1本。从上面的试验可以看出,把薄的材料用不同方式折叠或弯曲可以提高材料的承受力,而且折叠或弯曲的形状不同,承受力大小也不同。通过刚才的试验可知,在相同条件下,三种形状的棱柱中,正六边形棱柱形状抗压能力最强。通过刚才的研究,我们发现蜜蜂简直是天然的数学家,它巧妙地规避了其他形状蜂巢的弊端,充分应用了正六边形蜂巢的优点。假如你是蜜蜂,你会选择哪种形状的蜂巢?为什么?
