高中物理人教版选修3-1 第二章 第11节 简单的逻辑电路 学案 Word版含解析

第11节　简单的逻辑电路
1．知道数字电路和逻辑电路的概念，了解数字电路的优点。
2．知道“与”门、“或”门、“非”门电路的特征、逻辑关系及表示法。
3．初步了解“与”门、“或”门、“非”门电路在实际问题中的应用。
一、门电路
1．数字信号变化的两个状态：“有”或者“没有”。
2．几个概念
处理数字信号的电路叫数字电路。具有逻辑功能的数字电路叫做逻辑电路。门电路是最基本的逻辑电路。
3．“门”
就是一种开关，在一定条件下它允许信号通过；如果条件不满足，信号就被阻挡在“门”外。“1”“0”是逻辑关系中的两种取值，不表示具体数字。
二、几种门电路
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。
符号：，其中“&”具有“与”的意思，象征A与B两个输入端都是1时，输出端Y才是1。
2．“或”门
“或”逻辑关系：某事件的发生有几个条件，但只要有一个条件满足，事件就能发生。
符号：，“≥1”象征当1个或多于1个输入端为1时，输出端就是1。
3．“非”门
“非”逻辑关系：输出状态和输入状态相反。
符号：，其中矩形右侧小圆可看做数字“0”，它与数字“1”象征着输入端为1时，输出端是0。
三、集成电路
1．构成：将组成电路的元件(如电阻、电容、晶体管等)和连线集成在一块基片上。
2．优点：体积小、重量轻、方便、可靠，适于系列化、标准化生产等。
(1)如图，为了方便及节约用电，宿舍楼楼道里安装有声光控灯，这种灯在有光或没有声音时，不亮；而在无光又有声音时，灯就会自动点亮。灯的控制是什么逻辑关系呢？
提示：灯的控制是“与”逻辑关系。
(2)马路两旁的路灯，天黑了，路灯自动接通，天亮了，路灯又自动熄灭，它体现了什么逻辑关系？
提示：“非”逻辑关系。
(1)“与”门电路中，只有A、B两个输入端都是“0”时，输出端才是“1”。(　　)
(2)“与”门电路中，A、B两个输入端中只要有其中一个为“1”，输出端就为“1”。(　　)
(3)输入端为“1”时输出端是“0”的门电路就是“或”门。(　　)
(4)两个输入端都为“1”时，输出端为“1”的门电路就是“与”门。(　　)
提示：(1)×　 (2)×　(3)×　(4)×
课堂任务　三种门电路
仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。
说明：开关“通”记为1，“断”记为0。灯“亮”记为1，“熄”记为0。
活动1：甲图中两个开关A、B怎样灯泡才能亮(为1)?
提示：两个开关必须都通(都为1)，灯泡才能亮(为1)。
活动2：乙图中两个开关A、B怎样灯泡才能亮(为1)?
提示：两个开关A、B只要有一个接通(任一个为1或两个都为1)，灯泡都会亮(为1)。
活动3：丙图中开关A怎样灯泡才能亮(为1)?
提示：开关A不接通(为0)灯泡就能亮(为1)。A接通(为1)灯泡反而不亮(为0)。
活动4：讨论、交流、展示，得出结论。
(1)几种门电路对比
续表
(2)特点
“与”门特点：有零为零，全一为一。
“或”门特点：有一为一，全零为零。
“非”门特点：入一出零，入零出一。
例1　在登录你的微信(或QQ)的过程中，要有两个条件，一个是用户名，一个是与用户名对应的密码，要完成这个事件(登录成功)，它们所体现的逻辑关系为(　　)
A．“与”关系 B．“或”关系
C．“非”关系 D．不存在逻辑关系
用户名和对应的密码相当于什么？
提示：相当于两个串联的开关，必须同时为“通过”状态才能登录上。
[规范解答]　当几个条件同时具备才能出现某一结果时，这些条件与结果之间的关系称为“与”逻辑关系。在登录微信(或QQ)时，只有用户名和对应的密码同时正确才能成功，反映的是“与”逻辑关系。故选A。
[完美答案]　A
要看生活中的事件相当于什么“门”，除了分析其条件和结果的关系，还必须清楚各个“门”的特点。
　如图所示为三个基本逻辑电路的符号，A输入端全为“1”，B输入端全为“0”。以下判断正确的是(　　)
A．甲为“非”逻辑电路符号，输出为“1”
B．乙为“或”逻辑电路符号，输出为“1”
C．乙为“与”逻辑电路符号，输出为“0”
D．丙为“与”逻辑电路符号，输出为“1”
答案　B
解析　根据门电路的符号特点可知，甲为“非”逻辑电路符号，A输入端为“1”时，输出为“0”，A错误；乙为“或”逻辑电路符号，A输入端为“1”，B输入端为“0”时，输出为“1”，B正确，C错误；丙为“与”逻辑电路符号，A输入端为“1”，B输入端为“0”时，输出为“0”，D错误。
课堂任务　简单的复合门电路
仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。
活动1：如图三种门电路逻辑关系很简单，如果将它们两两排列组成一个新元件，从数学上看有哪些可能？
提示：最简单的3个门电路两两排列，由数学组合排列分析知，有6种排列可能：与或、或与、与非、非与、或非、非或。
活动2：考虑门电路的物理结构，实际可行的有哪几种？
提示：从物理结构上看，“与”门和“或”门都有两个输入端，而输出端只有一个，它们之间无法组合(除非有更多的门电路)；另外“非”门只有一个输入端和输出端。所以以上6种情况，实际可行的只有2种：与非、或非。
活动3：讨论、交流、展示，得出结论。
(1)“与非”门
①概念：一个“与”门和一个“非”门组成的复合门电路。
②符号：
可简化为。
③其真值表为
输入
输出
输入
输出
A1
B1
Y1
A2
Y2
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
0
(2)“或非”门
①概念：一个“或”门和一个“非”门组成的复合门电路。
②符号：
可简化为。
③其真值表为
输入
输出
输入
输出
A1
B1
Y1
A2
Y2
0
0
0
0
1
0
1
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
1
1
0
拓展：上面介绍的“与非”门和“或非”门是最简单的复合门电路，比较常用。除此之外也可以由三个门电路或更多个门电路组成更复杂的逻辑电路，由于比较复杂，就不介绍了。
例2　如图所示，低电位报警器由两个基本门电路与蜂鸣器组成，该报警器只有当输入电压过低时蜂鸣器才会发出警报。其中(　　)
A．甲是“与”门，乙是“非”门
B．甲是“或”门，乙是“非”门
C．甲是“与”门，乙是“或”门
D．甲是“或”门，乙是“与”门
三个门电路的特点是什么？
提示：“与”门特点：有0为0，全1为1。“或”门特点：有1为1，全0为0。“非”门特点：入1出0，入0出1。
[规范解答]　若甲是“与”门，乙是“非”门，不管输入电压为低电压还是高电压，经过“与”门后输出为低电压，经过“非”门后输出高电压，蜂鸣器都会发出警报，故A错误。若甲是“或”门，乙是“非”门，当输入电压为低电压，经过“或”门输出为低电压，经过“非”门输出为高电压，蜂鸣器发出警报；当输入为高电压，经过“或”门输出为高电压，经过“非”门输出为低电压，蜂鸣器不发出警报，故B正确。乙不会是“或”门和“与”门，故C、D错误。
[完美答案]　B
复合门电路真值表的确定方法
判断复合门电路的最终输出结果时，分析思路一般是“从前向后”，先分析第一个门电路的输出结果，再判断第二个，依此类推。
　下表是某逻辑电路的真值表，该电路是(　　)
输入
输出
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
答案　D
解析　根据该逻辑电路的真值表可以判断，该门电路是一个“与”门电路和一个“非”门电路的组合，D正确。