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2019-2020年高中物理 2.10《簡單的邏輯電路》教案（粵教版選修3-1） 一、 課 題：簡單的邏輯電路 二、教學(xué)目標(biāo)： 知識和技能： 1、知道數(shù)字電路和模擬電路的概念，了解數(shù)字電路的優(yōu)點。 2、知道“與”門、“或”門以及“非”門電路的特征、邏輯關(guān)系及表示法。 3、初步了解“與”門、“或”門以及“非”門電路在實際問題中的應(yīng)用。 過程與方法： 以實驗教學(xué)為主體的媒體教學(xué)為輔的課堂教學(xué)模式；以對比教學(xué)為主線、聯(lián)系生活實際為輔線開展課堂教學(xué)活動。 情感、態(tài)度和價值觀： 感受數(shù)字技術(shù)對現(xiàn)代生活的巨大改變；體驗物理知識與實踐的緊密聯(lián)系。 三、教學(xué)重、難點： 三種門電路的邏輯關(guān)系以及門電路的實際應(yīng)用。 四、教學(xué)過程： 演示實驗引入課題 火警報警裝置 用火柴點燃放在圖示位置，結(jié)果聽到喇叭鳴叫。問： 1、為什么會有這樣的實驗現(xiàn)象？ 2、中間的“黑盒子”是什么元件？ 實驗裝置圖： 點燃的火柴 我們今天的這節(jié)課就是要來探究實驗現(xiàn)象產(chǎn)生的原因以及“黑盒子”里的元件。為此讓我們從穩(wěn)恒電路的模擬世界進(jìn)入實用的數(shù)字世界。 一、數(shù)字電路和模擬電路 電子電路中的信號： 1、模擬信號：幅度隨時間連續(xù)變化的信號 例：正弦波信號、鋸齒波信號等。 2、數(shù)字信號：幅度不隨時間連續(xù)變化,而是跳躍變化 閱讀材料（見附頁） 引：數(shù)字電路的基本單元是邏輯電路,邏輯電路中最基本的電路叫做 “門” 電路, （門電路是一種有一個或多個輸入端，只有一個輸出端的開關(guān)電路，是數(shù)字電路的基本單元。門電路就像一扇門，當(dāng)具備開門條件時，輸出端就有一個信號輸出；反之，門關(guān)閉）。它們在工作時輸入端和輸出端的電勢只有兩種情況:一種為高電勢 (如12V)，另一種為低電勢(如0V), 電路工作好像處在一種 “是”和“非”的判斷之中 ，因此叫做邏輯電路。首先來認(rèn)識一下邏輯電路的種類： 二、邏輯電路的種類 “與”門、“或”門、“非”門以及“與非”門、“或非”門和“異或”門（符號略） 今天我們主要的任務(wù)是了解“與”門、“或”門和“非”門的特點及其應(yīng)用。 三、邏輯電路的特點 1、“與”邏輯電路（and） 演示實驗 （利用積件模擬教材演示實驗） 這是一個搭積木的過程，教師在電腦屏幕上將積木（元件）準(zhǔn)備好，學(xué)生上講臺操作鼠標(biāo)，按下其中任意一個Toggle Switch(鍵)，LED（燈）不亮；當(dāng)按下兩個Toggle Switch(鍵)，LED（燈）亮。此時記錄實驗現(xiàn)象： 條 件 結(jié) 果 開關(guān)A 開關(guān)B 燈泡L 斷 斷 熄 斷 通 熄 通 斷 熄 通 通 亮 積件簡圖： A Ｂ Y 電路圖： 引：上述實驗現(xiàn)象的描述能否簡單化呢？ 用數(shù)學(xué)語言描述表中的關(guān)系，就是：開關(guān)接通定義為“1”，斷開定義為“0”，燈亮定義為“1”，熄定義為“0”。這樣表格可以簡化為： （2） 真值表 輸 入 結(jié) 果 A B Y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 引：根據(jù)真值表歸納得出“與”邏輯的含義。 （1）含義： 與邏輯：決定事件發(fā)生的各條件中，所有條件都具備，事件才會發(fā)生（成立） 想想在實際生活中有沒有“與”邏輯關(guān)系？ 如：為了保險柜的安全，安裝了三把鎖，那么只有當(dāng)這三把鎖同時被打開時保險柜才可以打開，充分體現(xiàn)了“與”邏輯關(guān)系。 A Y B & 在模擬電路中我們可以相應(yīng)的符號來表示元件，如：電燈---- ,電阻---- 等。那么現(xiàn)在“與”門有沒有相應(yīng)的符號呢？ （3）符號： 引：能否還用電腦積件來演示“與”門的邏輯關(guān)系 演示1：按下其中任意一個Toggle Switch(鍵)，LED（燈）不亮 演示2：按下兩個Toggle Switch(鍵)，LED（燈）亮 這樣的演示對于簡單電路我們都認(rèn)為是可信的，但對于我們剛剛認(rèn)識的“與”門電路你們不覺得懷疑嗎？下面我們來看真實的演示實驗： 演示：晶體二極管“與”門電路 讓學(xué)生真正了解“與”門電路的內(nèi)部。 電路圖：A B Y R 1 0 ＋ 1 0 用 電 器 實驗裝置圖： 分析左邊電路圖虛線框內(nèi)電路特點，即“與”門電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)A或B接低電位（0）時，其中的一個二極管導(dǎo)通，用電器兩端沒有電壓，不工作；只有當(dāng)A和B都接高電位（1）時，兩個二極管都處于截止，用電器兩端獲得電壓，用電器能正常工作。 利用實驗圖進(jìn)行實際操作，教師演示燈泡的亮、暗過程，學(xué)生演示喇叭、風(fēng)扇的工作情況，學(xué)生能夠通過實驗感知“與”門電路的邏輯關(guān)系，有利于對知識的掌握。 引：“與”門電路的邏輯關(guān)系清楚了，實際應(yīng)用也體會了，運(yùn)用剛才的思路我們繼續(xù)來學(xué)習(xí)“或”邏輯電路。 2、“或”邏輯電路（or） 簡單講解教材演示實驗，得出實驗現(xiàn)象: 條 件 結(jié) 果 開關(guān)A 開關(guān)B 燈泡L 斷 斷 熄 斷 通 亮 通 斷 亮 通 通 亮 A B L 電路圖： 引：上述實驗現(xiàn)象的描述同樣可以用數(shù)學(xué)語言來進(jìn)行簡化。由此可以得到“或”門的真值表 。 （2）真值表 輸 入 結(jié) 果 A B Y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 引：根據(jù)真值表歸納得出或邏輯的含義。 （1）含義： 或邏輯：決定事件發(fā)生的各條件中，有一個或一個以上的條件具備，事件就會發(fā)生（成立） “或”邏輯關(guān)系在實際生活中有嗎？ 如：我們同學(xué)的集體宿舍，每個同學(xué)都配有鑰匙，無論誰開門都能夠進(jìn)入宿舍。 A Y B ≥1 （3）符號： 引：在清楚了基本知識之后，我們也來進(jìn)行演示實驗，體會“或”門的邏輯關(guān)系。 演示：晶體二極管“或”門電路 電路圖： B 1 0 1 0 用 電 器 A Y R 實驗裝置圖： 分析左邊電路圖虛線框內(nèi)電路特點，即“或”門電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)A和B接低電位（0）時，二極管截止，用電器兩端沒有電壓，不工作；當(dāng)A或B接高電位（1）時，就有一個二極管導(dǎo)通，用電器兩端即獲得電壓，用電器能正常工作。 該實驗由學(xué)生來分析和操作，課堂互動效果很好，另外實驗現(xiàn)象比較明顯，課堂氣氛可以調(diào)節(jié)。 引：對于“非”門電路的學(xué)習(xí)我想請學(xué)生仔細(xì)閱讀教材，并根據(jù)前面知識得出相應(yīng)內(nèi)容： 3、“非”邏輯電路（not） 講解教材演示實驗，得出實驗現(xiàn)象: 條件 結(jié) 果 開關(guān)A 燈泡L 斷 亮 通 暗 電路圖： A Y 引：上述實驗現(xiàn)象的描述同樣可以用數(shù)學(xué)語言來進(jìn)行簡化。由此可以得到“非”門的真值表 。 （2）真值表 條件 結(jié) 果 A Y 0 1 1 0 引：根據(jù)真值表歸納得出“非”邏輯的含義。 （1）含義： 非邏輯：決定事件發(fā)生的條件只有一個，條件不具備時事件發(fā)生（成立），條件具備時事件不發(fā)生。 A Y 1 （3）符號 強(qiáng)調(diào)符號與前面兩個符號的不同點 引：三個門電路的知識我們學(xué)了，下面我們回到本節(jié)課的開始：火警報警演示實驗。進(jìn)入例題一 例題1、如圖，一個火警報警裝置的邏輯電路圖。Rt是一個熱敏電阻，低溫時電阻值很大，高溫時電阻值很小，R是一個阻值較小的分壓電阻。 （1）要做到低溫時電鈴不響，火警時產(chǎn)生高溫，電鈴響起。在圖中虛線處應(yīng)接入怎樣的元件？ （2）為什么溫度高時電鈴會被接通？ （3）為了提高該電路的靈敏度，即報警穩(wěn)定調(diào)的稍底些，R的值應(yīng)大一些還是小一些？ 火警報警裝置 R X Rt +5V 電鈴 0V P D 電路圖： 分析：略。利用實驗器材進(jìn)行演示，并揭開本節(jié)課開始引入的實驗中黑盒子原來是“非”門元件。其中的第三小問題作為科學(xué)探究的第一個作業(yè)題。 例題2、某同學(xué)設(shè)計了一個路燈自動控制門電路，天黑了，讓路燈自動接通，天亮了，讓路燈自動熄滅。圖中RG是一個光敏電阻，當(dāng)有光線照射時，光敏電阻的阻值會顯著地減小。R是可調(diào)電阻，起分壓作用。J為路燈總開關(guān)控制繼電器。 1、請在虛線框內(nèi)填入需要的門電路. 2、如果路燈開關(guān)自動接通時天色還比較亮，現(xiàn)要調(diào)節(jié)自動控制裝置，使得它在天色較暗時才會自動接通開關(guān)，應(yīng)如何調(diào)節(jié)R？說明道理。 電路圖： 自然光 模擬路燈 R RG J 分析：略。利用實驗器材讓學(xué)生進(jìn)行操作，用手電筒來控制光敏電阻，感受路燈的自動控制情況。其中的第二小問題作為科學(xué)探究的第二個作業(yè)題。 四、基本邏輯關(guān)系的擴(kuò)展 學(xué)生參閱教材“問題與練習(xí)”第四小題 與邏輯電路的種類相呼應(yīng) 五、集成門電路 介紹“科學(xué)漫步”，并講述集成電路在科技、生活中的廣泛應(yīng)用 閱讀材料（見附頁） 布置第三個科學(xué)探究課題：集成電路的歷史、現(xiàn)在以及未來。 總結(jié)全課內(nèi)容，布置作業(yè)： 問題與練習(xí)：1、2。 板書設(shè)計 悟理 含義 “門”電路 真值表 符號 科學(xué)探究1 含義 簡單的邏輯電路 “或”電路 真值表 科學(xué)探究2 實際應(yīng)用 符號 含義 科學(xué)探究3 “非”電路 真值表 符號 附：閱讀材料 模擬信號與數(shù)字信號的特點 模擬信號的特點：①抗干擾能力較弱；②對模擬信號進(jìn)行處理；可能產(chǎn)生非線性失真，特別是在信號比較強(qiáng)的情況下；③模擬信號記錄載體在記錄和重放時都是靠轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)動轉(zhuǎn)；因此無法避免抖晃現(xiàn)象；④難以壓縮。 數(shù)子信號的特點：①抗干擾能力強(qiáng)，無噪聲積累；②便于加密處理；③與計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，便于用計算機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行存儲、處理和交換，可使通信網(wǎng)的管理、維護(hù)實現(xiàn)自動化、智能化；④設(shè)備便于集成化、微型化；⑤便于構(gòu)成綜合數(shù)字網(wǎng)和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)；⑥占用信道頻帶較寬。一路模擬電話的頻帶為4kHz，一路數(shù)字電話約占64kHz，這是模擬通信目前仍有生命力的主要原因。 周期性的模擬信號可以看作是一系列按正弦函數(shù)變化的信號的疊加，如圖（a）所示。 數(shù)字信號是將模擬信號以一定的時間間隔，取出信號的大小，經(jīng)過采樣和處理后換成二進(jìn)制數(shù)的信號，如圖（b）所示。 (a)模擬信號 （b）數(shù)字信號 集成電路發(fā)展“年譜” 1906年，美國物理學(xué)家德福列斯特研制成功了世界上第一根三極電子管，實現(xiàn)了電子技術(shù)的第一次重大突破， 1947年，美國人巴丁和布拉塔因一起發(fā)明了晶體管，實現(xiàn)了電子技術(shù)的第二次重大突破。 1958年9月，美國的杰克基爾發(fā)明了第一個鍺集成電路，這一發(fā)明具有劃時代的意義，它揭開了半導(dǎo)體科學(xué)與技術(shù)史上全新篇章，是人類在20世紀(jì)電子技術(shù)領(lǐng)域的第三次重大突破，為此，基爾比在xx年獲得了諾貝爾物理獎。 集成電路的發(fā)展歷史經(jīng)歷了以下階段： 1962年，制造出包含12個晶體管的小規(guī)模集成電路。 1966年，發(fā)展到集成度為100—1000個晶體管一中規(guī)模集成電路。 1967—1973年，研制出1000—100000個晶體管的大規(guī)模集成電路。 1977年，研制出在30mm2的硅晶片上集成度為15萬個晶體管的超大規(guī)模集成電路，這是電子技術(shù)的第四次重大突破，從此真正邁入了微電子技術(shù)時代。 從1993年至今，集成度已由1000萬個達(dá)到10億個，稱為超級大規(guī)模電路，并以每18個月翻一番的速度發(fā)展