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2019-2020年高中物理《簡單的邏輯電路》教案3 新人教版選修3-1 二、教學目標： 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用。 過程與方法： 以實驗教學為主體的媒體教學為輔的課堂教學模式；以對比教學為主線、聯(lián)系生活實際為輔線開展課堂教學活動。 情感、態(tài)度和價值觀： 感受數(shù)字技術對現(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、教學重、難點： 三種門電路的邏輯關系以及門電路的實際應用。 四、教學過程： 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 R Y A 用電器 0 1 0 1 B 用電器 0 1 ＋ 0 1 R Y B A 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電路，是數(shù)字電路的基本單元。門電路就像一扇門，當具備開門條件時，輸出端就有一個信號輸出；反之，門關閉）。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是了解“與”門、“或”門和“非”門的特點及其應用。 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）準備好，學生上講臺操作鼠標，按下其中任意一個Toggle Switch(鍵)，LED（燈）不亮；當按下兩個Toggle Switch(鍵)，LED（燈）亮。此時記錄實驗現(xiàn)象： 條 件 結 果 開關A 開關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)學語言描述表中的關系，就是：開關接通定義為“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 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”邏輯關系？ 如：為了保險柜的安全，安裝了三把鎖，那么只有當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”邏輯關系。 A Y B & 在模擬電路中我們可以相應的符號來表示元件，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為是可信的，但對于我們剛剛認識的“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 讓學生真正了解“與”門電路的內部。 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電路特點，即“與”門電路的內部結構，當A或B接低電位（0）時，其中的一個二極管導通，用電器兩端沒有電壓，不工作；只有當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。 利用實驗圖進行實際操作，教師演示燈泡的亮、暗過程，學生演示喇叭、風扇的工作情況，學生能夠通過實驗感知“與”門電路的邏輯關系，有利于對知識的掌握。 引：“與”門電路的邏輯關系清楚了，實際應用也體會了，運用剛才的思路我們繼續(xù)來學習“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 果 開關A 開關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)學語言來進行簡化。由此可以得到“或”門的真值表 。 （2）真值表 輸 入 結 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”邏輯關系在實際生活中有嗎？ 如：我們同學的集體宿舍，每個同學都配有鑰匙，無論誰開門都能夠進入宿舍。 A Y B ≥1 （3）符號： 引：在清楚了基本知識之后，我們也來進行演示實驗，體會“或”門的邏輯關系。 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電路特點，即“或”門電路的內部結構，當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A或B接高電位（1）時，就有一個二極管導通，用電器兩端即獲得電壓，用電器能正常工作。 該實驗由學生來分析和操作，課堂互動效果很好，另外實驗現(xiàn)象比較明顯，課堂氣氛可以調節(jié)。 引：對于“非”門電路的學習我想請學生仔細閱讀教材，并根據(jù)前面知識得出相應內容： 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 果 開關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)學語言來進行簡化。由此可以得到“非”門的真值表 。 （2）真值表 條件 結 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 強調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了，下面我們回到本節(jié)課的開始：火警報警演示實驗。進入例題一 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)定調的稍底些，R的值應大一些還是小一些？ 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探究的第一個作業(yè)題。 例題2、某同學設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，當有光線照射時，光敏電阻的阻值會顯著地減小。R是可調電阻，起分壓作用。J為路燈總開關控制繼電器。 1、請在虛線框內填入需要的門電路. 2、如果路燈開關自動接通時天色還比較亮，現(xiàn)要調節(jié)自動控制裝置，使得它在天色較暗時才會自動接通開關，應如何調節(jié)R？說明道理。 電路圖： 自然光 模擬路燈 R RG J 分析：略。利用實驗器材讓學生進行操作，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探究的第二個作業(yè)題。 四、基本邏輯關系的擴展 學生參閱教材“問題與練習”第四小題 與邏輯電路的種類相呼應 五、集成門電路 介紹“科學漫步”，并講述集成電路在科技、生活中的廣泛應用 閱讀材料（見附頁） 布置第三個科學探究課題：集成電路的歷史、現(xiàn)在以及未來。 總結全課內容，布置作業(yè)： 問題與練習：1、2。 板書設計 悟理 含義 “門”電路 真值表 符號 科學探究1 含義 簡單的邏輯電路 “或”電路 真值表 科學探究2 實際應用 符號 含義 科學探究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對模擬信號進行處理；可能產(chǎn)生非線性失真，特別是在信號比較強的情況下；③模擬信號記錄載體在記錄和重放時都是靠轉動機構動轉；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，無噪聲積累；②便于加密處理；③與計算機聯(lián)網(wǎng)，便于用計算機對數(shù)字信號進行存儲、處理和交換，可使通信網(wǎng)的管理、維護實現(xiàn)自動化、智能化；④設備便于集成化、微型化；⑤便于構成綜合數(shù)字網(wǎng)和綜合業(yè)務數(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，它揭開了半導體科學與技術史上全新篇章，是人類在20世紀電子技術領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，這是電子技術的第四次重大突破，從此真正邁入了微電子技術時代。 從1993年至今，集成度已由1000萬個達到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。