高中物理人教版 (新课标)选修311 简单的逻辑电路教学设计及反思

这是一份高中物理人教版 (新课标)选修311 简单的逻辑电路教学设计及反思，共14页。教案主要包含了八——二转换，十六——二转换等内容，欢迎下载使用。

eq \(\s\up7(),\s\d5(整体分析))


教学分析


教科书从生活实例出发介绍了“与”“或”及“非”三种逻辑电路的逻辑关系，并在此基础上介绍了表示这三种逻辑关系的真值表。学生刚学完稳恒电流及复杂电路分析，对电势等概念比较清晰，但分析复杂电路的水平有限，加上教材中本节属于对稳恒电流的补充，对后面的选修3－2中传感器知识起引领。故应重点讲解“与”门、“或”门以及“非”门电路的特征、逻辑关系及表示法。教科书通过演示实验让学生知道这些逻辑关系可以通过电路来实现，从而引入了门电路。又从门电路的组合到“科学漫步”，让学生了解集成电路及应用领域。


教材中的重要思想


1．教材中使用类比的思想，使学生便于接受逻辑运算关系；


2．理论联系实际的思想；


3．培养学生严密逻辑思维能力的思想。


教学目标


1．知道数字电路和模拟电路的概念，了解数字电路的优点。


2．初步了解简单的逻辑电路及表示符号。


3．通过实验，理解“与”“或”及“非”逻辑电路中结果与条件的逻辑关系。


4．知道什么是真值表，会用真值表来表示一些简单的逻辑关系。


5．通过实验，观察门电路的作用，初步了解逻辑电路的基本原理以及在自动控制中的应用。在对逻辑电路应用实例的分析中体会三种逻辑运算关系，体会逻辑电路在现实生活中的意义。


6．初步了解集成电路的简单原理。关注我国集成电路以及元器件研究的发展情况，感受数字技术对现代生活的巨大改变。


教学重点难点


1．知道最基本的逻辑电路“与”门、“或”门及“非”门的功能；


2．理解各种门电路的逻辑关系；教学中可以从生活实例或演示实验现象入手，帮助学生理解三种逻辑关系。


3．什么是真值表？各个逻辑电路的真值表的填写。


4．能综合运用本节所学知识设计逻辑电路并在电路中填写恰当的电路符号。


学生对模拟信号和模拟电路的概念都能比较容易理解，但是，对信息社会中常提到的“数字”概念，认识是较模糊的。数字信号是信息技术的基础，数字电路是如何处理数字信号的，分析最小数字电路单元的逻辑关系，理解数字电路处理逻辑关系的原理，这是理解数字电路的关键。


教学易误点


1．逻辑电路的符号使用混乱。


2．自动控制电路分析。


3．脉冲信号的电势变化图。


教学设计思路和流程图


本节为了保证学生知识结构的完整性和全面性，在开头加入了逻辑代数的介绍：从二值逻辑到常用进制数之间的转换。在逻辑电路中补充介绍“与”“或”“非”的逻辑函数表达式、真值表的排列顺序，最后结合书本上的拓展联想内容，补充介绍了“或非”门、“与非”门等的逻辑函数表达式和真值表。





教学方法


讲授法、实验演示、互动探究法。以实验教学为主体、媒体教学为辅的课堂教学模式，以对比教学为主线、联系生活实际为辅线开展课堂教学活动。


eq \(\s\up7(),\s\d5(课前准备))


教学媒体


声光控感应灯、投影仪、多媒体教学设备、三种门电路演示示教板、电压表等。


数字电路教学中的演示或操作实验，仅从教学需求角度，单个数字逻辑单元电路器件是最佳媒体，但在实际教学中，寻找这些实验器材存在非常大的困难。而计算机仿真实验很好地解决了这个困难，并且能够让每个学生动手参与。因此，在教学媒体的应用中，除了应用实物让学生真切地感受外，对数字电路的理解，则通过计算机仿真来探究实践而获得。


现代教学系统中，教师、学生、教材和教学媒体相互联系，相互作用，构成一个互动的有机整体，使教学内容丰富多彩，教学方式多种多样。本节课内容尽管是知识性为主，但不乏学生参与互动的内容。可将传统的知识传授与自主探究式学习相互结合，实现互动交流、知识创新和提高学习效率的目标。


学生预习自学(出现在学案上)


逻辑代数


1．在客观世界中，事物的发展变化通常都有一定的因果关系，这种因果关系一般称为逻辑关系，反映和处理这种关系的数学工具就是逻辑代数。是英国数学家BOOLE在19世纪中叶创立的，也叫布尔代数(关系代数)。


2．二值逻辑：变量取值1或0,1或0并不表示数值的大小，代表两种不同的逻辑状态。在数字电路中，用二进制数来表示。


3．几种常用进制数的转换


a．二——十转换


(1011.01)2＝1×23＋0×22＋1×21＋1×20＋0×2－1＋1×2－2＝8＋2＋1＋0.25＝(11.25)10


b．十——二转换


(173)10＝(10101101)2


(0.812 5)10＝(0.1101)2


c．二——八、八——二转换


(10101.0011)2＝(25.14)8


(12.3)8＝(001010.011)2


d．二——十六、十六——二转换


(010 11 110.101 100 10)2＝(5E.B2)16


(8FA.C6)16＝(100 011 111 010.110 001 10)2


这就是8421BCD码





eq \(\s\up7(),\s\d5(教学过程))


导入新课


[事件1]


教学任务：创设情境，导入新课。


师生活动：


【演示】


一盏神奇的灯。


①接通电源，灯不亮。②接通电源，拍手，灯不亮。③接通电源，遮光，灯不亮。④接通电源，挡住光线，大家拍手，灯亮。(教师指出：这实际就是楼道内自动控制灯。)


通过演示声光控感应灯，引发学生好奇心理和探究欲望。从简单的应用互动操作，引导学生在理解数字信号和模拟信号的同时，学会使用仿真实验时如何分析实验现象中的数字关系。


引入新课：


像这样，现在很多电器中都包含了“智能”化逻辑关系，实现这些逻辑功能离不开“数字信号”，以数字信号为特征的现代信息技术在迅猛发展。


身边的“数字”话题：数码产品、数字电视、DIS实验、家电、遥控器、机器人等等。


数字信号只有两个对立的状态：“有”或者“没有”，也即高电平“1”、低电平“0”。而模拟信号则是连续变化的电压信号，调节收音机的音量，声音连续变化，声音信号就是“模拟”量。


数字电路


展示模拟信号和数字信号图象如图：





电压信号随时间连续变化，叫模拟信号。比如调节收音机的音量，声音连续变化，声音信号是“模拟”量。


电压信号不随时间连续变化，叫数字信号。


数字信号的“0”和“1”好比事件的“是”与“非”，而处理数字信号的电路——数字电路，就有了辨别“是”“非”的逻辑功能。今天我们就来学习数字电路中最基本的逻辑电路——门电路。门电路是一种有一个或多个输入端，只有一个输出端的开关电路，是数字电路的基本单元。门电路就像一扇门，当具备开门条件时，输出端就有一个信号输出；反之，如果条件不满足，门关闭，信号就被阻挡在“门”外。它们在工作时输入端和输出端的电势只有两种情况：一种为高电势(如12 V)，另一种为低电势(如0 V)，电路工作好像处在一种“是”和“非”的判断之中，因此叫做逻辑电路。


推进新课


[事件2]


教学任务：“与”(and)逻辑关系和“与”门


师生活动：


展示“与”逻辑电路。





如图，两个开关A、B串联起来控制同一个灯泡L。显然，只有A“与”B同时闭合时，灯L才会亮。在这个事件中，A、B闭合是条件，灯L亮是结果。





“与”逻辑电路


引导学生分析开关A、B对电路的控制作用，体会“与”逻辑关系。(当两个条件都满足时，结果才会成立)


1．“与”门


如果一个事件的几个条件都满足后，该事件才能发生，这种关系叫做“与”逻辑关系。


生活中哪些实例体现了“与”的逻辑关系？


思考与讨论，让学生体会生活中的“与”逻辑关系。


某单位财务室为了安全，规定不准一个人单独进入。为此，在门上以如图所示的方式安装了两把锁。只有甲与乙两个人同时打开各自的锁时，门才能打开。它体现了“与”逻辑关系。





具有“与”逻辑关系的电路称为“与”门电路，简称“与”门。


引导学生把图中结果与条件的关系用表格表示。


一个开关有通、断两种情况，图中两个开关的通、断组合起来有4种情况，我们把这4种情况以及每种情况灯泡的亮、熄都列在表1中。


表1





表2











能否把表1中实验现象的描述简单化呢？我们用数学语言描述表1中的关系，就是把开关接通定义为“1”，断开定义为“0”；灯亮定义为“1”，灯熄定义为“0”，用数字语言描述上表，就成了表2。


表2用数字表示了各种控制条件和控制结果，这种表格称为“真值表”。表2就是具有两个输入端的“与”门的真值表。


让学生理解数字信号“与”逻辑关系间的联系，对“与”逻辑关系仔细分析，理解记住“与”逻辑的真值表。


“与”门的符号





如图是“与”门的电路符号，它有两个输入端A、B，Y是它的输出端。


如图中A、B是有逻辑关系的机械开关，实用的门电路则是半导体材料制成的。


演示“与”门电路。


下图中右边的虚线框内是用晶体二极管组成的有两个输入端的“与”门电路，用于教学演示。A、B是它的两个输入端，Y是它的输出端，电压表显示输出电压的值。


左边两个虚线框内是两个信号源，分别从A、B接入门电路。当信号源的开关接1时，信号源将一个电压输入门电路，接0时没有电压输入。可以从电压表上看到，只有当A、B都输入1时，输出端才有输出电压。





晶体二极管“与”门电路








用互动课件实验验证“与”关系。指导学生在实验面板上进行“与”门电路连接实验，用实物的集成电路连接一个“与”门，真实再现虚拟。


通过示范性的操作演示讲解，理解“与”门电路实现“与”关系处理的电路原理，为下阶段自行探究“或”关系及“或”电路作准备。同时实现情感与价值目标。


声、光控灯的再讨论。


无光1，有光0；有声1，无声0；灯亮结果为1，灯不亮为0，我们就会发现，声、光控灯就是通过“与”门电路来实现智能化的。


总结“与”逻辑关系：有两个控制条件作用会产生一个结果，当两个条件都满足时，结果才会成立，这种关系称为“与”的关系。


【衔接】锁门方式的讨论：财务室的锁用了“与”的逻辑关系，但学生寝室的门锁能用“与”的关系吗？新学期开学了，青岛十七中416寝室的6名同学都到宿管办报到，宿管办的老师分别发给他们每人一把钥匙，方便他们单独出入，大家谈谈在这个事件中体现怎样的逻辑关系呢？


每人都配有一把钥匙，个人都可以用自己的钥匙单独开门，它体现了“或”逻辑关系。


引入“或”门


[事件3]


教学任务：“或”(r)逻辑关系和“或”门


2．“或”门


投影展示“或”逻辑关系电路：


如下图，两个开关A、B并联，控制同一个灯泡Y。在这个电路中，A“或”B只要有一个开关闭合，灯Y就会亮。





“或”逻辑电路








引导学生分析开关A、B对电路的控制作用，体会“或”逻辑关系(在几个控制条件中，只要有一个条件得到满足，结果就会发生)


像这样的情况：如果几个条件中，只要有一个条件得到满足，某事件就会发生，这种关系叫做“或”逻辑关系。具有“或”逻辑关系的电路称为“或”门电路，简称“或”门。


教师提问：日常生活中哪些实例体现了“或”的关系？


思考与讨论，让学生体会生活中的“或”逻辑关系。


引导学生把上图结果与条件的关系用表格3表示。


表3





表4











引导学生：把开关接通定义为“1”，断开定义为“0”；灯亮定义为“1”，灯熄定义为“0”，用数字语言描述上表。


请在表3中填写开关A、B通断的四种可能组合及灯泡亮熄的情况。然后再完成“或”门的真值表如表4。


“或”门的符号。


如图是“或”门的电路符号，A、B是它的两个输入端，Y是它的输出端。


演示“或”门电路。








晶体二极管“或”门电路








如图中右边的虚线框内是用晶体二极管组成的有两个输入端的“或”门电路，用于教学演示。A、B是两个输入端，Y是它的输出端，电压表显示输出电压的值。


左边两个虚线框内是两个信号源，分别从A、B接入门电路。当信号源的开关接1时，信号源将一个直流电压输入门电路，接0时没有电压输入。可以从电压表上看到，只要A、B有一个输入1时，输出端就有输出电压。


学生在计算机上根据学习“或”门电路情形，模拟实验，填表，总结逻辑关系；指导学生进行模拟实验；对学生实验进行实时辅导；交流，展示实验结果。教师利用网络转播，交流展示学习结果。通过示范性的操作演示讲解，理解“或”门电路实现“或”关系处理的电路原理，为下阶段探究“非”关系及“非”电路作准备。同时实现情感与价值目标。





[事件4]


教学任务：“非”(nt)逻辑关系和“非”门


3．“非”门


教师演示“非”门电路。引导学生分析开关A对电路的控制作用。体会“非”逻辑关系。


在下图的电路中，我们沿用以上讨论“与”门和“或”门时的研究方法：把开关接通定义为“1”，断开定义为“0”；灯亮定义为“1”，灯熄定义为“0”。开关通断是控制的条件，即输入；灯泡亮熄是控制的结果，即输出。





“非”逻辑电路








通过实验可以发现：当开关闭合而输入为1时，灯泡熄灭，输出为0；当开关断开而输入为0时，灯泡点亮，输出为1。像这样输出状态和输入状态相反的逻辑关系，叫做“非”逻辑关系，具有“非”逻辑关系的电路叫做“非”门。


输出状态和输入状态呈相反的逻辑关系称为“非”逻辑关系。


(教师提问：日常生活中哪些实例体现了“非”的关系？)


请列出开关A、B通断的可能组合及灯泡亮熄的情况的表格，然后再绘出“非”门的真值表。


表5














表6














“非”门的符号


表6是“非”门真值表。如图是“非”门的电路符号。


学生沿用“与”门、“或”门的研究方法，理解“非”逻辑关系，写出“非”门的真值表，记住“非”门符号。同时实现情感与价值目标。


自动擦鞋机的讨论。


自动擦鞋机就是利用了“非”的逻辑关系。当皮鞋靠近红外线感应器，挡住光线，输入应为0，擦鞋机开始工作，输出为1。





[事件5]


教学任务：集成电路


4．集成电路


前面演示用的晶体管门电路，是用晶体管、电阻等元件临时装配的电路，体积大，可靠性、稳定性差。目前广泛应用的是将元件集成在一块硅片上的集成电路，既缩小了体积，又方便、可靠，而且适用于系列化、标准化生产。


介绍集成电路的优点。让学生了解几个“或”门的集成电路和几个“非”门的集成电路的外引线图。


图甲是一个真实的集成电路的外引线图：四个2输入“与”门集成电路装在一个壳内，共有14条引线，其中12条引线内部连接着4个独立的2输入“非”门，第14号引线是公共电源线，第7号引线是公共地线。图乙是由6个独立的“非”门组成的集成电路的外引线图。





四个2输入“与”门集成电路的外引线 六个“非”门集成电路的外引线


甲 乙


演示：


用如图所示的集成电路中的一个“非”门进行实验，按产品说明书的要求接好电源，输出端接一个电压表。如下图所示，当输入端加一电压A时，输出端输出图中Y所示的电压。





“非”门的输入信号和输出信号


[事件6]


教学任务：实例探究


【例题】如图所示为一个火警报警装置的逻辑电路图，Rt是一个热敏电阻，低温时电阻值很大，高温时电阻值很小，R是一个阻值较小的分压电阻。问：





(1)要做到低温时电铃不响，火警时产生高温，电铃响起。在图中虚线处应接入怎样的元件？


(2)为什么温度高时电铃会被接通？


(3)为了提高该电路的灵敏度，即报警温度调得稍低些，R的值应大一些还是小一些？


教师引导学生完成对例题的分析和求解，通过实例分析加深对所学知识的理解。


解：(1)温度较低时的Rt阻值很大，R比Rt小很多，因此P、X之间电压较大。要求此时电铃不发声，表明输出给电铃的电压应该较小，输入与输出相反，可见虚线处元件应该是“非”门。


(2)当高温时Rt阻值减小，P、X之间电压降低，输入低电压时，从“非”门输出是高电压，电铃响起。


(3)由前面分析可知，若R较大，由于它的分压作用，Rt两端的电压不太高，则外界温度不太高时，就能使P、X之间电压降到低电压输入，电铃就能发声。因此R较大，反应较灵敏。


变形训练：


由某门电路构成的一简单控制电路如图，其中r为光敏电阻，光照时电阻很小，R为变阻器，L为小灯泡。其工作情况是：当光敏电阻受到光照时，小灯L不亮，不受光照时，小灯L亮。





①请在电路中虚线框内画出该门电路符号；


②该门电路是________。


解答从略。


[事件7]


教学任务：阅读科学漫步——集成电路。


eq \(\s\up7(),\s\d5(科学漫步))


集成电路


电阻、电容、二极管等元件，在使用时总是需要以各种各样的方式组装成一定的电路。对于一个稍微复杂一些的电路，还要经过一定的调试才能使用，这就降低了人们的工作效率。为了解决这一问题，集成电路(integrated circuits，IC)应运而生，它是以半导体材料为基片，将组成电路的各种元器件和连线集成在同一基片上，成为具有一定功能的微电路系统。从宏观上来看，已经分不清集成电路中哪些部分是元件，哪些部分是连线，它们已成为一个统一体。





集成电路块








集成电路具有分立元件电路无可比拟的优点。与最紧凑的分立元件电路相比，集成电路的体积小了几个数量级，重量轻了几个数量级。现代微电子技术可以在手指甲大小的半导体硅片上，制造出20亿～30亿个晶体管(如图)。现在由超大规模集成电路制成的超轻、超薄笔记本电脑，质量只有1 kg左右，厚度不到4 cm。而世界上第一台电子管式电子计算机，仅用1.8万只电子管，就占地170 m2，质量为30余吨。集成电路还具有可靠性高、运算速度快、成本低廉等许多优点。





超薄笔记本电脑








目前，集成电路已经广泛应用于国民经济的各个领域以及人们日常的工作和生活中。比如卫星、导弹的控制系统，汽车、船舶的电子装置，电视、手机等家用电器的核心部件，无一不采用集成电路。


随着微电子技术的发展，微电子产品的功能越来越强大，价格越来越低廉，计算机、手机已经走入千家万户。各种功能广泛、质量可靠、体积小、重量轻的微电子产品，越来越受消费者的青睐。


课堂巩固与反馈


[事件8]


教学任务：形成性测试。


1．数字信号和模拟信号的不同之处是( )


A．数字信号在大小上不连续，时间上连续，而模拟信号则相反


B．数字信号在大小上连续，时间上不连续，而模拟信号则相反


C．数字信号在大小和时间上均不连续，而模拟信号则相反


D．数字信号在大小和时间上均连续，而模拟信号则相反


2．走廊里有一盏电灯在走廊两端各有一个开关，我们希望不论哪一个开关接通都能使电灯点亮，那么由此设计的电路为( )


A．与门电路 B．非门电路


C．或门电路 D．上述答案都有可能


3．如图所示为两个非门和一个或门组成的复合门电路，请在下表中填写该门电路的真值表。




















答案：1.C 2.C 3.如下表











eq \b\lc\ \rc\ (\a\vs4\al\c1(课堂小结))


[事件9]


教学任务：引导学生从知识、方法、情感三个侧面小结本节课的学习活动。


教师活动：让学生概括总结本节的内容。请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总结，然后请同学评价黑板上的小结内容。


学生活动：认真总结概括本节内容，并把自己这节课的体会写下来，比较黑板上的小结和自己的小结，看谁的更好，好在什么地方。


点评：总结课堂内容，培养学生的概括总结能力。


教师要放开，让学生自己总结所学内容，允许内容的顺序不同，从而构建他们自己的知识框架。


鼓励学生从生活中寻找“与”“或”及“非”的逻辑关系，以加深对逻辑关系的理解。让学生了解，门电路是一种“条件开关”。只有当输入信号满足一定的条件时，“门”才会打开，才能有输出信号。


1．如果一个事件的几个条件都满足后，该事件才能发生，这种关系叫做“与”逻辑关系。具有“与”逻辑关系的电路称为“与”门电路，简称“与”门。


2．如果几个条件中，只要有一个条件得到满足，某事件就会发生，这种关系叫做“或”逻辑关系。具有“或”逻辑关系的电路称为“或”门电路，简称“或”门。


3．输出状态和输入状态相反的逻辑关系，叫做“非”逻辑关系。具有“非”逻辑关系的电路叫做“非”门。


eq \b\lc\ \rc\ (\a\vs4\al\c1(布置作业))


1．复习本节教材。


2．完成课本课后问题与练习。


eq \(\s\up7(),\s\d5(板书设计))


10 简单的逻辑电路


1．“与”门


“与”逻辑关系：一个事件的几个条件都满足后，该事件才能发生。











真值表





“与”门的符号








2．“或”门


“或”逻辑关系：几个条件中，只要有一个条件得到满足，某事件就会发生。

















真值表





“或”门的符号








3．“非”门





“非”门的符号


“非”逻辑关系：输出状态和输入状态相反的逻辑关系。











4．集成电路





eq \(\s\up7(),\s\d5(备课资料))


自动擦鞋机结构和原理


自动擦鞋机结构：


1．低速马达、齿轮或皮带传动机构；


2．毛刷柱或毛毡轴；


3．光电感应器(自动型使用；手动型，直接用电源开关即可)；


4．开关；


5．安全防漏电开关。


将上述装配起来，即可。


电动感应擦鞋机是由软管鞋油和鞋刷构成，其特征在于：


①它集软管鞋油、鞋刷为一体，用微型电动机带动鞋刷旋转，鞋刷擦鞋、上油、抛光。


②软管鞋油管口套接一S形出油管，S形出油管口对准刷面。


③在软管鞋油底部设一挤鞋油推块结构，推块的一部分露在电动擦鞋器壳外，外壳设一条推块移动槽。


④在电动擦鞋器的手把处设有电源开关和电池，结构合理。


自动擦鞋机原理：


电机两端都有很长的轴，不用传动机构，擦鞋用的轮子直接装在轴上，两端都有。轮子旁边装有红外探测接收器，当鞋伸进擦鞋机时，探测器接收到信号就把电机接通，开始工作，鞋取出时，自动关闭。





条件
结果
开关A
开关B
灯泡L
断
断
熄
断
通
熄
通
断
熄
通
通
亮
输入
结果
A
B
Y
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
条件
结果
开关A
开关B
灯泡L
断
断
熄
断
通
亮
通
断
亮
通
通
亮
输入
结果
A
B
Y
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
条件
结果
开关A
灯泡Y
断
亮
通
熄
条件
结果
A
Y
0
1
1
0
输入
输出
A
B
Y
输入
输出
A
B
Y
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
条件
结果
开关A
开关B
灯泡L
断
断
熄
断
通
熄
通
断
熄
通
通
亮
输入
结果
A
B
Y
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
条件
结果
开关A
开关B
灯泡L
断
断
熄
断
通
亮
通
断
亮
通
通
亮
输入
结果
A
B
Y
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
输入
输出
A
Y
0
1
1
0