2019-2020年高中物理 2.10《簡(jiǎn)單的邏輯電路》教案（粵教版選修3-1）.doc

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2019-2020年高中物理 2.10《簡(jiǎn)單的邏輯電路》教案（粵教版選修3-1） 一、 課 題：簡(jiǎn)單的邏輯電路 二、教學(xué)目標(biāo)： 知識(shí)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(diǎn)。 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(shí)際問(wèn)題中的應(yīng)用。 過(guò)程與方法： 以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主體的媒體教學(xué)為輔的課堂教學(xué)模式；以對(duì)比教學(xué)為主線、聯(lián)系生活實(shí)際為輔線開展課堂教學(xué)活動(dòng)。 情感、態(tài)度和價(jià)值觀： 感受數(shù)字技術(shù)對(duì)現(xiàn)代生活的巨大改變；體驗(yàn)物理知識(shí)與實(shí)踐的緊密聯(lián)系。 三、教學(xué)重、難點(diǎn)： 三種門電路的邏輯關(guān)系以及門電路的實(shí)際應(yīng)用。 四、教學(xué)過(guò)程： 演示實(shí)驗(yàn)引入課題 火警報(bào)警裝置 用火柴點(diǎn)燃放在圖示位置，結(jié)果聽到喇叭鳴叫。問(wèn)： 1、為什么會(huì)有這樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？ 2、中間的“黑盒子”是什么元件？ 實(shí)驗(yàn)裝置圖： 點(diǎn)燃的火柴 我們今天的這節(jié)課就是要來(lái)探究實(shí)驗(yàn)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(shí)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(hào)： 1、模擬信號(hào)：幅度隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào) 例：正弦波信號(hào)、鋸齒波信號(hào)等。 2、數(shù)字信號(hào)：幅度不隨時(shí)間連續(xù)變化,而是跳躍變化 閱讀材料（見附頁(yè)） 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(gè)或多個(gè)輸入端，只有一個(gè)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(shí)，輸出端就有一個(gè)信號(hào)輸出；反之，門關(guān)閉）。它們?cè)诠ぷ鲿r(shí)輸入端和輸出端的電勢(shì)只有兩種情況:一種為高電勢(shì) (如12V)，另一種為低電勢(shì)(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(lái)認(rèn)識(shí)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(hào)略） 今天我們主要的任務(wù)是了解“與”門、“或”門和“非”門的特點(diǎn)及其應(yīng)用。 三、邏輯電路的特點(diǎn) 1、“與”邏輯電路（and） 演示實(shí)驗(yàn) （利用積件模擬教材演示實(shí)驗(yàn)） 這是一個(gè)搭積木的過(guò)程，教師在電腦屏幕上將積木（元件）準(zhǔn)備好，學(xué)生上講臺(tái)操作鼠標(biāo)，按下其中任意一個(gè)Toggle Switch(鍵)，LED（燈）不亮；當(dāng)按下兩個(gè)Toggle Switch(鍵)，LED（燈）亮。此時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)圖： A Ｂ Y 電路圖： 引：上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的描述能否簡(jiǎn)單化呢？ 用數(shù)學(xué)語(yǔ)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(jiǎn)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(huì)發(fā)生（成立） 想想在實(shí)際生活中有沒(méi)有“與”邏輯關(guān)系？ 如：為了保險(xiǎn)柜的安全，安裝了三把鎖，那么只有當(dāng)這三把鎖同時(shí)被打開時(shí)保險(xiǎn)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(hào)來(lái)表示元件，如：電燈---- ,電阻---- 等。那么現(xiàn)在“與”門有沒(méi)有相應(yīng)的符號(hào)呢？ （3）符號(hào)： 引：能否還用電腦積件來(lái)演示“與”門的邏輯關(guān)系 演示1：按下其中任意一個(gè)Toggle Switch(鍵)，LED（燈）不亮 演示2：按下兩個(gè)Toggle Switch(鍵)，LED（燈）亮 這樣的演示對(duì)于簡(jiǎn)單電路我們都認(rèn)為是可信的，但對(duì)于我們剛剛認(rèn)識(shí)的“與”門電路你們不覺(jué)得懷疑嗎？下面我們來(lái)看真實(shí)的演示實(shí)驗(yàn)： 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(shí)驗(yàn)裝置圖： 分析左邊電路圖虛線框內(nèi)電路特點(diǎn)，即“與”門電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)A或B接低電位（0）時(shí)，其中的一個(gè)二極管導(dǎo)通，用電器兩端沒(méi)有電壓，不工作；只有當(dāng)A和B都接高電位（1）時(shí)，兩個(gè)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(shí)驗(yàn)圖進(jìn)行實(shí)際操作，教師演示燈泡的亮、暗過(guò)程，學(xué)生演示喇叭、風(fēng)扇的工作情況，學(xué)生能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)感知“與”門電路的邏輯關(guān)系，有利于對(duì)知識(shí)的掌握。 引：“與”門電路的邏輯關(guān)系清楚了，實(shí)際應(yīng)用也體會(huì)了，運(yùn)用剛才的思路我們繼續(xù)來(lái)學(xué)習(xí)“或”邏輯電路。 2、“或”邏輯電路（or） 簡(jiǎn)單講解教材演示實(shí)驗(yàn)，得出實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的描述同樣可以用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)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(gè)或一個(gè)以上的條件具備，事件就會(huì)發(fā)生（成立） “或”邏輯關(guān)系在實(shí)際生活中有嗎？ 如：我們同學(xué)的集體宿舍，每個(gè)同學(xué)都配有鑰匙，無(wú)論誰(shuí)開門都能夠進(jìn)入宿舍。 A Y B ≥1 （3）符號(hào)： 引：在清楚了基本知識(shí)之后，我們也來(lái)進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，體會(huì)“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(shí)驗(yàn)裝置圖： 分析左邊電路圖虛線框內(nèi)電路特點(diǎn)，即“或”門電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)A和B接低電位（0）時(shí)，二極管截止，用電器兩端沒(méi)有電壓，不工作；當(dāng)A或B接高電位（1）時(shí)，就有一個(gè)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(shí)驗(yàn)由學(xué)生來(lái)分析和操作，課堂互動(dòng)效果很好，另外實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比較明顯，課堂氣氛可以調(diào)節(jié)。 引：對(duì)于“非”門電路的學(xué)習(xí)我想請(qǐng)學(xué)生仔細(xì)閱讀教材，并根據(jù)前面知識(shí)得出相應(yīng)內(nèi)容： 3、“非”邏輯電路（not） 講解教材演示實(shí)驗(yàn)，得出實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的描述同樣可以用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)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(gè)，條件不具備時(shí)事件發(fā)生（成立），條件具備時(shí)事件不發(fā)生。 A Y 1 （3）符號(hào) 強(qiáng)調(diào)符號(hào)與前面兩個(gè)符號(hào)的不同點(diǎn) 引：三個(gè)門電路的知識(shí)我們學(xué)了，下面我們回到本節(jié)課的開始：火警報(bào)警演示實(shí)驗(yàn)。進(jìn)入例題一 例題1、如圖，一個(gè)火警報(bào)警裝置的邏輯電路圖。Rt是一個(gè)熱敏電阻，低溫時(shí)電阻值很大，高溫時(shí)電阻值很小，R是一個(gè)阻值較小的分壓電阻。 （1）要做到低溫時(shí)電鈴不響，火警時(shí)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(shí)電鈴會(huì)被接通？ （3）為了提高該電路的靈敏度，即報(bào)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(bào)警裝置 R X Rt +5V 電鈴 0V P D 電路圖： 分析：略。利用實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行演示，并揭開本節(jié)課開始引入的實(shí)驗(yàn)中黑盒子原來(lái)是“非”門元件。其中的第三小問(wèn)題作為科學(xué)探究的第一個(gè)作業(yè)題。 例題2、某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)路燈自動(dòng)控制門電路，天黑了，讓路燈自動(dòng)接通，天亮了，讓路燈自動(dòng)熄滅。圖中RG是一個(gè)光敏電阻，當(dāng)有光線照射時(shí)，光敏電阻的阻值會(huì)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(qǐng)?jiān)谔摼€框內(nèi)填入需要的門電路. 2、如果路燈開關(guān)自動(dòng)接通時(shí)天色還比較亮，現(xiàn)要調(diào)節(jié)自動(dòng)控制裝置，使得它在天色較暗時(shí)才會(huì)自動(dòng)接通開關(guān)，應(yīng)如何調(diào)節(jié)R？說(shuō)明道理。 電路圖： 自然光 模擬路燈 R RG J 分析：略。利用實(shí)驗(yàn)器材讓學(xué)生進(jìn)行操作，用手電筒來(lái)控制光敏電阻，感受路燈的自動(dòng)控制情況。其中的第二小問(wèn)題作為科學(xué)探究的第二個(gè)作業(yè)題。 四、基本邏輯關(guān)系的擴(kuò)展 學(xué)生參閱教材“問(wèn)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(yè)） 布置第三個(gè)科學(xué)探究課題：集成電路的歷史、現(xiàn)在以及未來(lái)。 總結(jié)全課內(nèi)容，布置作業(yè)： 問(wèn)題與練習(xí)：1、2。 板書設(shè)計(jì) 悟理 含義 “門”電路 真值表 符號(hào) 科學(xué)探究1 含義 簡(jiǎn)單的邏輯電路 “或”電路 真值表 科學(xué)探究2 實(shí)際應(yīng)用 符號(hào) 含義 科學(xué)探究3 “非”電路 真值表 符號(hào) 附：閱讀材料 模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn) 模擬信號(hào)的特點(diǎn)：①抗干擾能力較弱；②對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理；可能產(chǎn)生非線性失真，特別是在信號(hào)比較強(qiáng)的情況下；③模擬信號(hào)記錄載體在記錄和重放時(shí)都是靠轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)轉(zhuǎn)；因此無(wú)法避免抖晃現(xiàn)象；④難以壓縮。 數(shù)子信號(hào)的特點(diǎn)：①抗干擾能力強(qiáng)，無(wú)噪聲積累；②便于加密處理；③與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，便于用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和交換，可使通信網(wǎng)的管理、維護(hù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(hào)可以看作是一系列按正弦函數(shù)變化的信號(hào)的疊加，如圖（a）所示。 數(shù)字信號(hào)是將模擬信號(hào)以一定的時(shí)間間隔，取出信號(hào)的大小，經(jīng)過(guò)采樣和處理后換成二進(jìn)制數(shù)的信號(hào)，如圖（b）所示。 (a)模擬信號(hào) （b）數(shù)字信號(hào) 集成電路發(fā)展“年譜” 1906年，美國(guó)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(shí)現(xiàn)了電子技術(shù)的第一次重大突破， 1947年，美國(guó)人巴丁和布拉塔因一起發(fā)明了晶體管，實(shí)現(xiàn)了電子技術(shù)的第二次重大突破。 1958年9月，美國(guó)的杰克基爾發(fā)明了第一個(gè)鍺集成電路，這一發(fā)明具有劃時(shí)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(jiǎng)。 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(gè)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(gè)晶體管一中規(guī)模集成電路。 1967—1973年，研制出1000—100000個(gè)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(wàn)個(gè)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(shí)代。 從1993年至今，集成度已由1000萬(wàn)個(gè)達(dá)到10億個(gè)，稱為超級(jí)大規(guī)模電路，并以每18個(gè)月翻一番的速度發(fā)展