第2章11 简单的逻辑电路—2020-2021 高中物理选修3-1学案

11简单的逻辑电路

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素养目标定位

※了解最基本的逻辑电路——门电路

※掌握几种基本门电路及它们的表示符号

※认识集成电路

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素养思维脉络

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知识点1逻辑电路

1.数字信号

数字信号在变化中只有两个对应状态__有__或者__没有__。

2.逻辑电路

处理数字信号的电路叫做__数字__电路,具有__逻辑功能__的数字电路叫做逻辑电路。

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。

知识点2“与”门

1.逻辑关系

一个事件的几个条件__同时满足__时事件才能发生。

2.符号

____,其中“&”具有“__与__”的意思,象征A与B两个输入端__都是1__时,输出端才是1。

3.真值表

输入输出

A B Y

000

010

100

11 1

知识点3“或”门

1.逻辑关系

某事件发生有几个条件,但只要有__一个条件__满足事件就能发生。

2.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.真值表

输入输出

A B Y

000

01 1

10 1

11 1

知识点4“非”门

1.逻辑关系

输出状态和输入状态__相反__。

2.符号

____,其中矩形右侧小圆表示数字“0”,它与数字“1”象征着输入端为__1__时,输出端是__0__。

3.真值表

输入输出

A Y

0 1

10

知识点5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__硅片__上。

2.优点

__体积__小、方便、可靠,适用于__系列化__、标准化生产等。

思考辨析

『判一判』

(1)逻辑电路可存在两种以上的状态。(×)

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

(3)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,这种关系叫作“或”逻辑关系。(√)

(4)隧道里有一个警报器,在隧道的两端各有一个开关,在出现危险时要求不论接通哪一个开关都能使警报器报警,应设计“非”门电路。(×)

(5)集成电路中必须同时存在三种门电路。(×)

『选一选』

如图所示为三个门电路符号,A输入端全为“1”,B输入端全为“0”。下列判断正确的是(C)

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A.甲为“非”门,输出为“1”

B.乙为“与”门,输出为“0”

C.乙为“或”门,输出为“1”

D.丙为“与”门,输出为“1”

解析:甲为“非”门,输出为“0”;乙为“或”门,输出为“1”,丙为“与”门,输出为“0”,则只有选项C正确。

『想一想』

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。灯的控制电路里面有什么逻辑关系呢?

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解析:两个条件同时满足灯才会亮,这说明灯的控制电路存在“与”逻辑关系。

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探究一对三种门电路的理解

S

思考讨论

i kao tao lun 1

某同学可以从前门进教室,也可以经后门进教室,这体现了一种什么逻辑关系?

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提示:该同学走前门或后门,都可以实现进入教室这一结果,这体现了“或”逻辑关系。

G 归纳总结

ui na zong jie

三种门电路的类比理解

门电路种类类比电路图逻辑关系

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“与”门

两个电键都闭合是灯亮的充分必要条件,逻辑关系

可示意为Y=A×B

“或”门

两个电键都闭合是灯亮的充分但不是必要条件,逻

辑关系可示意为Y=A+B

“非”门

逻辑关系表示为Y=-A,A表示结果成立,-A表

示结果不成立

特别提醒:(1)上述类比中都是电键闭合作为满足条件,灯泡亮作为结果成立进行类比的。

(2)条件成立或结果成立对应逻辑门电路中的“1”,相反时对应“0”,“1”“0”是逻辑关系中的两种取值,不表示具体数字。

D

典例剖析

ian li pou xi

典例1 如图是一个应用某逻辑电路制作的简单车门报警电路图。图中的两个按钮S1、S2分别装在汽车的两道门上。只要其中任何一个开关处于开路状态,发光二极管(报警灯)就发光。则该逻辑电路是__“或”__门电路,并在图中画出这种门电路的符号;当S1、S2都闭合时,A、B的输入都为__0__,Y端输出为__0__;当S1断开时,__A__端的输入为1,Y端输出为__1__。(门电路有输入电压或有输出电压都记为1,无输入电压或无输出电压都记为0)

解题指导:在“或”门电路两个条件中,只要满足其中一个条件,结果就会发生。

解析:驾驶员离开汽车后,两个车门均处于关闭状态,与两个车门对应的开关S1和S2均闭合,这时发光二极管不会发光报警。因为S1和S2闭合后,电流不通过发光二极管。当有其他人打开了某一个门时,S1或S2就处于断开状态,这

时就有电流通过发光二极管,使其发光报警。可见,这一装置实际上是一个“或”门电路。当S1、S2都闭合时,A、B的输入都为0时,Y端输出为0,当S1断开时,A端的输入为1,Y端输出为1。

答案:

〔对点训练1〕如表所示是某逻辑电路的真值表,则该电路是(B)

输入输出

000

010

100

11 1

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解析:由题中真值表可知,只有两输入端均为“1”时,输出端才为“1”,故该逻辑电路为“与”逻辑关系,故选项B正确。

探究二复合门电路

S

思考讨论

i kao tao lun 2

某种逻辑关系的符号如图所示,请思考:

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(1)该逻辑关系是“非”门或是“或”门吗?

(2)该逻辑关系到底是什么逻辑关系?

提示:(1)不是。

(2)该逻辑关系是“或非”逻辑关系。

G 归纳总结

ui na zong jie

1.“与非”门

一个“与”门电路和一个“非”门电路组合在一起,组成一个复合门电路,称为“与非”门。如图所示:

可简为

其真值表为

输入输出输入输出

A1B1Y1A2Y2

0000 1

0100 1

1000 1

11110 2.“或非”门

一个“或”门电路和一个“非”门电路组合在一起,组成

一个“或非”门。如图所示:

可简为

其真值表为

输入输出输入输出

A1B1Y1A2Y2

0000 1

01110

10110

11110

D 典例剖析

ian li pou xi

典例2 在如图所示的逻辑电路中,当A端输入电信号“1”、B端输入电信号“0”时,则在C和D端输出的电信号分别为(C)

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A.1和0B.0和1

C.1和1D.0和0

解题指导:注意门电路结构,尤其是由B端输入之后进入与门的信号。

解析:首先从“非”门电路入手,当B端输入电信号“0”时,D端输出电信号为“1”,所以“与”门电路的两输入均为“1”,因此C端输出电信号为“1”。所以C项正确,其他选项均不对。答案为C。

〔对点训练2〕一个门电路的两个输入端A、B与输出端Y的波形如图所示,则可知该门电路是(C)

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A.“与”门B.“或”门

C.“与非”门D.“或非”门

解析:由图象可知,当A、B均有输入时,输出与其相反,当有一端有输入时,无输出,故为“与非”门,C正确,A、B、D均错误。

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门电路与光敏电阻、热敏电阻等相结合的综合问题

在门电路的问题分析中,门电路往往要和一些常用的电学元件(如电阻、电键、热敏电阻、光敏电阻、二极管等)一起构成电路,通过电路中某一部分的变化(电键的通断、电阻的变化等)实现门电路输入端的电压变化,即电势的高低变化,从而通过门电路的输出端达到控制电路的目的。

分析这类问题时,除熟练掌握各种门电路的逻辑关系外,还要熟练地掌握对电路动态变化规律的分析,准确判断出电路中,尤其是门电路部分的电势高低的变化,从而达到正确解决问题的目的。

案例如图所示是一个火警报警装置的逻辑电路图。R t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。

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(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响起?

(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?

答案:(1)“非”门(2)见解析(3)R大一些,反应较灵敏

解析:(1)温度较低时R t的阻值很大,R比R t小得多,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,可见虚线处元件是“非”门。

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

(3)由前面分析可知,若R较大,由于它的分压作用,R t两端的电压不太高,即外界温度不太高时,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大一些,反应较灵敏。

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1.(2019·四川省三台中学实验中学高二上学期检测)为了保障行驶安全,一种新型双门电动公交车安装了如下控制装置:只要有一扇门没有关紧,汽车就不能启动。如果规定:车门关紧时为“1”,未关紧时为“0”;当输出信号为“1”时,汽车可以正常启动行驶,当输出信号为“0”时,汽车不能启动。能正确表示该控制装置工作原理的逻辑门是(B) A.“非”门B.“与”门

C.“或”门D.“与非”门

解析:汽车可以正常启动行驶这个事件要想发生,车门关闭这个条件要同时满足,故该事件为与逻辑关系,为“与”门电路。故选B。

2.(2019·甘肃省平凉高二检测)如图所示,由基本门电路组成的四个电路,其中能使小灯泡发光的是(D)

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解析:要使小灯泡发光,就得使它两端的电压为高电压。A图为“非”门,“1”经它输出0;B图是“与”门,“1”与“0”经它输出“0”;C图为“或”门,“0”与“0”经它输出“0”;D 图中,“1”与“0”经它输出“1”,小灯泡两端得到高电压,

小灯泡发光,D正确。

3.(2019·山东省青州实验中学高二月考)如图所示的“与”门电路为报警的电路图,则下列说法正确的是(A)

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A.仅闭合S1警铃就会发出声音

B.仅闭合S2警铃就会发出声音

C.当S1、S2都断开时警铃会发出声音

D.只有S1、S2均闭合警铃才会发出声音

解析:该门电路为“与”门,输出端为高电位时,报警器工作,此时输入端均为高电位,分析电路图可知S1需要闭合,S2需要断开,A正确。

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[练案19]

一、选择题(1~5题为单选题,6题为多选题)

1.逻辑电路的信号有两种状态:一是高电位状态,用“1”表示;二是低电位状态,用“0”表示。关于这里的“1”和“0”,下列说法中正确的是(D)

A.“1”表示电压为1 V,“0”表示电压为0 V

B.“1”表示电压为大于或等于1 V,“0”表示电压一定为0 V

C.“1”和“0”是逻辑关系的两种可能的取值,不表示具体的数字

D.“1”表示该点与电源正极相连,“0”表示该点与电源负极相连

解析:“1”表示该点与电源正极相连,“0”表示该点与电源负极相连。

2.夜间,居民楼的楼道里只是偶尔有人经过,“长明灯”会造成浪费。科研人员利用“光敏”材料制成“光控开关”——天黑时自动闭合,天亮时自动断开;利用“声敏”材料制成“声控开关”——当有人走动发出声音时自动闭合,无人走动时自动断开。若将这两种开关配合使用,就可以使楼道里的灯变的“聪明”。这种“聪明”的电路是图中的(D)

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解析:在白天时,一般不需要灯照明;天黑以后,特别是夜深人静时,一般也不需要灯照明的,也就是说天黑且人在楼道里走动时需要。对于选项A,“声控开关”闭合时,发生短路;对于选项B,不管是“光控开关”,还是“声控开关”各自都能让灯发光,节能目的达不到;对于选项C,“光控开关”闭合时,发生短路;对于选项D,“光控开关”与“声控开关”同时闭合时,灯才亮,所以达到节能的目的。

3.在车门报警电路中,两个按钮开关分别装在汽车的两扇门上,只要有开关处于断开状态,报警灯就发光。能实现此功能的电路是(D)

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解析:灯泡与低电压端相连,故该门电路输出高电平报警灯发光,B、C错误;能实现此功能的电路是或门电路,选项D正确,A错误。

4.如图,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(B)

第2章11 简单的逻辑电路—2020-2021 高中物理选修3-1学案

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”

解析:由题图知乙为“非”门,如果蜂鸣器发出警报表明乙的输入端为低电压,即甲的输出端为低电压,而此时甲的输入端为低电压,故甲为“或”门或“与”门。若甲为“与”门,则甲的输入端为高电压时,蜂鸣器也发出警报,与题意不符,故甲为“或”门电路,故B正确。

5.下面的门电路中,它们的输出结果正确的是(输入信号如图所示)(D)

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解析:选项A中,“与”门输出“0”,“非”门输出“0”,则“或”门输出“0”,选项A 错误;选项B中,“与”门输出“1”,“非”门输出“0”,则“或”门输出“1”,选项B错误;选项C中,“或”门输出“1”,非门输出“1”,则“与”门输出“1”,选项C错误;选项D中,“或”门输出“1”,“非”门输出“1”,则“与”门输出“1”,选项D正确。

6.如图为包含某逻辑电路的一个简单电路图,L为小灯泡,光照射电阻R′时,其阻值将变得远小于R。那么当电阻R′受到光照射时,下列说法正确的是(AC)

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A.小灯泡L将发光B.小灯泡L将不发光

C.a点电势高D.b点电势高

解析:该逻辑电路是非门电路;当电阻R′受到光照时,其阻值将变得远小于R,则R′分压较小,即非门的输入端为0,输出为1,(1即为高电势),小灯泡L发光,故A、C正确。

二、非选择题

7.电动机的自动控制电路如图所示,其中R H为热敏电阻,R L为光敏电阻,当温度升高时,R H的阻值远小于R1;当光照射R L时,其阻值远小于R2,为使电动机在温度升高或

受到光照时能自动启动,电路中的虚线框内应选__或__门逻辑电路;若要提高光照时电动机启动的灵敏度,可以__增大__R2的阻值(选填“增大”或“减小”)。

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解析:为使电动机在温度升高或受到光照时能自动启动,即热敏电阻或光敏电阻的电阻值减小时,输入为1,输出为1,所以是“或”门。因为若要提高光照时电动机启动的灵敏度,需要在光照较小,即光敏电阻较大时输入为1,输出为1,所以要增大R2。

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