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2019-2020年高中物理第二章恒定电流第11节简单的逻辑电路教学案新人教版选修3I
一、门电路1.数字信号变化的两个状态“有”或者“没有”2.数字电路1概念处理数字信号的电路2功能研究电路的逻辑功能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
二、“与”门1.“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Y才是1“1”、“0”是逻辑关系中的两种取值,不表示具体数字3.真值表输入输出ABY000010100111
三、“或”门1.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13.真值表输入输出ABY000011101111
四、“非”门和集成电路1.“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03真值表输入输出AY01102.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、方便、可靠,适于系列化、标准化生产等1.自主思考——判一判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×2.合作探究——议一议图21111如图2111,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里面有什么逻辑关系呢?提示说明灯的控制里面有“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”逻辑关系三种门电路的类比类型“与”门“或”门“非”门类比1.逻辑电路的信号有两种状态一是高电位状态,用“1”表示;另一种是低电位状态,用“0”表示,关于这里的“1”和“0”,下列说法中正确的是 A.“1”表示电压为1V,“0”表示电压为0VB.“1”表示电压为大于或等于1V,“0”表示电压一定为0VC.“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选C 门电路是用来控制信号的“通过”或“截断”的一种开关电路根据指定条件,门电路对输入、输出的因果关系作出判断门电路的输入、输出信号都以电位高低来表示若把高电位看做有信号,表示某个条件存在或信号能通过,且用符号“1”表示;把低电位看做无信号,表示某个条件不存在或信号不能通过,用符号“0”表示,这种逻辑关系称为正逻辑反之,则称为负逻辑在通常情况下不加说明的都指正逻辑所以“1”和“0”只是两个符号,是两种变量的两种可能的取值C选项正确2.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.不存在逻辑关系解析选A 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时,只有用户名和对应的密码同时正确才能成功,反映的逻辑关系是Y=A×B,所以为“与”逻辑关系故选A3.如图2112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 图2112A.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”解析选B 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;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对,C错;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错简单的复合门电路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2113所示图2113其真值表为输入输出输入输出A1B1Y1A2Y2000010100110001111102.“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2114所示图2114其真值表为输入输出输入输出A1B1Y1A2Y200001011101011011110[典例] 如图2115所示,低电位报警器由两个基本门电路与蜂鸣器组成,图2115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”[解析] 由“与门”和“非门”的真值表可知选项A错由“或门”和“非门”的真值表可判断,选项B正确由“与门”和“或门”的真值表可以判断,选项C错由“或门”和“与门”的真值表可判断,选项D错[答案] B复合门电路真值表的确定方法1.如果A、B输入分别经过一个“非”门电路,它们各自的输出Y
1、Y2又组成一个“与”门电路或“或”门电路,最后输出Y,则Y的值直接取决于Y
1、Y22.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 1.如图2116是一个三输入端复合门电路,当C端输入“1”时,A、B端图2116输入为何值时输出端Y输出“1” A.0 0B.0 1C.1 0D.1 1解析选D 此复合门电路由两个“与门”组成,故A、B输入都是“1”时,Y输出“1”,故D正确2.如图2117所示为两个“非”门和一个“或”门组成的复合门电路,请在表中填写该门电路的真值表图2117输入输出ABY解析由“非”门电路和“或”门电路的真值表可以确定此复合门电路的真值表如表所示输入输出ABY001101011110答案见解析1.多选在基本逻辑电路中,何种逻辑门电路,当所有输入均为“0”时,输出不是“1” A.“与”门电路 B.“或”门电路C.“非”门电路D.都不可能解析选AB 当所有输入都为“0”时,“与”门电路输出为“0”,“或”门电路输出为“0”,“非”门电路输出为“1”,A、B对,C、D错M01N
102.有一逻辑门电路的真值表如右表所示,试判断这是一个什么类型的逻辑门电路 A.“与”门B.“非”门C.“或”门D.“与非”门解析选B 由该逻辑门电路的真值表可以看出输出端与输入端是相反的关系,故选B3.多选“或”门电路的逻辑关系可表示为Y=A+B,则下列关于“或”门的逻辑关系中结果正确的是 A.0+0=0B.0+1=1C.1+0=1D.1+1=0解析选ABC 根据“或”门的逻辑关系可知,选项A、B、C均正确4.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 A.“与”门B.“或”门C.“非”门D.“与非”门解析选A 由题意知只要有一扇门没有关紧,汽车就不能启动,也就是说只有两扇门都关紧,汽车才能正常启动,所以该控制装置工作原理的逻辑门是“与”门,故A正确5.下表是某逻辑电路的真值表,该电路是 输入输出001011101110解析选D 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,选项D正确
6.在如图1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 图1A.1和0B.0和1C.1和1D.0和0解析选C B、D间是“非”门,当输入信号为“0”时D端输出为“1”,故A、D错误;D、A共为“与”门的输入端,由“与”门的真值表可知输出端C为“1”,故B错误,C正确7.请根据下面所列的真值表,从四幅图中选出与之相对应的一个门电路 输入输出ABY001010100110解析选C 从真值表可看出不是单一的“与”“或”关系,更不是单一的“非”关系,一定对应一个复合门电路,从真值表分析可得应为“或非”复合门电路,C选项正确
8.如图2所示由门电路组成的电路,输出端为“1”,指示灯L亮,输出端为“0”,指示灯L不亮,现要使灯L亮,则A、B两输入端分别是 图2A.“1”、“1”B.“0”、“0”C.“1”、“0”D.“0”、“1”解析选B 要使灯L亮,“非”门的输出应该为“1”,故“非”门的输入应为“0”;故“或”门的两个输入端都应该为“0”9.如图3所示的电路图是一个应用“非”门构成一个简易火警报警电路,则图中X框、图3Y框中应是 A.X为热敏电阻,Y为可变电阻B.X为热敏电阻,Y为开关C.X为可变电阻,Y为热敏电阻D.X、Y均为热敏电阻解析选C 热敏电阻受热后,电阻减小,A端出现低电位,经过“非”门后使L两端出现高电位,产生报警信号
10.如图4所示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该逻辑电路是______选填“与”“或”或“非”门电路当电阻R′受到光照时,小灯泡L将________选填“发光”或“不发光”图4解析由门电路简化图可知该逻辑电路是“非”门电路,电阻R′受到光照时,R′远小于R,“非”门电路输入电势降低,输出电势升高,灯泡L两端电压升高,灯泡L发光答案非 发光11.图5表示输入端A、B的电势随时间的变化关系 图5 图6求图6中输出Y随时间变化的关系AUABUBY111100010111000111010010100解析由题图可以看出,输出Y是A、B的“与”逻辑关系的输出信号,因此,首先作出A、B、Y的真值表,然后再确定输出Y与时间的变化关系A、B、Y的真值表如下答案UY随时间的变化如图所示12.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 解析选D B、C选项电路中,当开关断开后,没有电流通过灯泡,故不正确A选项电路中,是“与门”电路,两个开关同时断开,灯才发光,不正确D选项的电路是“或”门电路,只要有一个断开,灯泡就亮,D正确 第二章 恒定电流时间50分钟 满分100分
一、选择题本题共8小题,每小题6分,共48分,第1~5小题只有一个选项符合题意,第6~8小题有多个选项符合题意,全选对的得6分,选对但不全的得3分,有选错的得0分1.如图1为一逻辑电路其真值表中输出端从上到下排列的结果正确的是 图1输入输出00011011A.0 0 1 0 B.0 0 1 1C.1 0 1 0D.0 0 0 1解析选A 只有A输入为1,同时B输入为0,与门电路的输入才能均为1,C输出为12.两个用同种材料制成的均匀导体A、B,其质量相同,当它们接入电压相同的电路时,其电流之比IA∶IB=1∶4,则横截面积之比SA∶SB为 A.1∶2B.2∶1C.1∶4D.4∶1解析选A 由R=可知,在U一定时,I与R成反比,即RA∶RB=4∶1又根据电阻定律R=ρ=ρ=ρ可知,当ρ、V一定时,R∝,即有==,所以==3.某小灯泡的伏安特性曲线如图2中的AB段曲线所示,由图可知,灯丝的电阻因温度的影响改变了 图2A.5ΩB.10ΩC.1ΩD.6Ω解析选B 由电阻的定义式R=知,A点对应灯泡的电阻RA=Ω=30Ω,B点对应灯泡的电阻RB=Ω=40Ω,所以灯丝的电阻改变了10Ω,故B正确4.一电流表表头并联一个分流电阻后就改装成一个大量程的电流表,当把它和标准电流表串联后去测某电路中的电流时,发现标准电流表读数为1A时,改装电流表的读数为
1.1A,稍微偏大一些,为了使它的读数准确,应 A.在原分流电阻上再并联一个较大的电阻B.在原分流电阻上再串联一个较小的电阻C.在原分流电阻上再串联一个较大的电阻D.在原分流电阻上再并联一个较小的电阻解析选A 改装电流表的读数比标准电流表读数稍微偏大一些,说明改装电流表的内阻稍微偏大一些,要使内阻稍微变小一些,需要在原分流电阻上再并联一个较大的电阻,故A正确,B、C、D错误
5.用多用电表探测图3所示黑箱发现用直流电压挡测量,E、G两点间和F、G两点间均有电压,E、F两点间无电压;用欧姆挡测量,黑表笔与电表内部电源的正极相连接E点,红表笔与电表内部电源的负极相连接F点,阻值很小,但反接阻值很大那么,该黑箱内元件的接法可能是下图中的 图3解析选B 黑表笔接E点,红表笔接F点,电阻很小,此时二极管导通,电源电流从黑表笔流出,通过二极管从红表笔流进,电流方向从E到F,故B正确6.锂电池因能量高、环保无污染而广泛使用在手机等电子产品中现用充电器为一手机锂电池充电,等效电路如图4所示,充电器电源的输出电压为U,输出电流为I,手机电池的内阻为r,下列说法正确的是 图4A.电能转化为化学能的功率为UI-I2rB.充电器输出的电功率为UI+I2rC.电池产生的热功率为I2rD.充电器的充电效率为×100%解析选AC 电能转化为化学能的功率为UI-I2r,充电器输出的电功率为UI,选项A正确,选项B错误;电池产生的热功率为I2r,选项C正确;充电器的充电效率为×100%,选项D错误7.如图5所示,平行金属板中带电质点P原处于静止状态,不考虑电流表和电压表对电路的影响,当滑动变阻器R4的滑片向b端移动时,则 图5A.电压表读数减小B.电流表读数减小C.质点P将向上运动D.R3上消耗的功率减小解析选AD 根据电路图,电阻R2与滑动变阻器R4接入电路的部分串联后,再与R3组成并联电路,最后并联部分再与电阻R1串联接入电源两端,电压表测量滑动变阻器R4接入电路部分的电压,电流表测量流过电阻R2的电流,电容器两极板间的电压等于并联部分的电压,当滑动变阻器R4的滑片向b端移动时,变阻器接入电路的电阻变小,并联部分的电阻R并减小,干路电流I增大,并联部分电压U并=E-Ir+R1减小,所以电容器两极板间的电压减小,极板间场强减小,电场力小于重力,质点向下运动,选项C错误;电阻R3两端电压减小,流过R3的电流I3减小,R3上消耗的功率P3=IR3减小,选项D正确;流过R3的电流I3减小,流过R2的电流I2=I-I3增大,所以电流表读数增大,选项B错误;流过R2的电流I2增大,R2两端的电压U2=I2R2增大,而并联部分的电阻R并减小,所以,滑动变阻器R4接入电路部分的电压U4=U并-U2减小,选项A正确
8.如图6所示,当滑动变阻器R3的滑动片向右移动时,两电压表示数变化的绝对值分别是ΔU1和ΔU2,则下列结论正确的是 图6A.ΔU1>ΔU2B.电阻R1的功率先增大后减小C.电阻R2的功率一定增大D.电源的输出功率先增大后减小解析选AC 因为滑片右移,R3变小,总电阻变小,干路电流增大,内电压增大,路端电压变小,即V1的示数变小,V2的示数变大,所以V1变小的部分应该等于V2增大的部分加上内阻的电压增大的值,即ΔU1>ΔU2,故A正确由A分析知,干路电流增大,所以通过R2的电流变大,即功率增大;V1的示数变小,即通过R1的电流减小,所以R1的功率变小,故B错误由B分析知,干路电流增大,所以通过R2的电流变大,电阻R2的功率一定增大,C正确利用结论当外电阻等于内阻时,电源的输出功率最大;当滑片右移动时,总电阻减小,但无法判断外电阻与内阻的关系,所以电源的输出功率无法判断,故D错误
二、实验题本题共2小题,共20分9.8分在“描述小灯泡的伏安特性曲线”实验中,需要用伏安法测定小灯泡两端的电压和通过小灯泡的电流,除开关、导线外,还有如下器材A.小灯泡“6V 3W”B.直流电源6~8VC.电流表量程3A,内阻
0.2ΩD.电流表量程
0.6A,内阻1ΩE.电压表量程6V,内阻20kΩF.电压表量程20V,内阻60kΩG.滑动变阻器0~20Ω、2AH.滑动变阻器0~1kΩ、
0.5A1把实验所用到的器材按字母的先后顺序填入空中____________2在下面的虚线框内画出最合理的实验原理图解析1灯泡额定电流I===
0.5A,电流表应选D;灯泡额定电压6V,电压表应选E;为方便实验操作,滑动变阻器应选G2描绘灯泡伏安特性曲线实验中滑动变阻器应采用分压接法;灯泡正常工作时电阻为R===12Ω,==12,=≈
1666.7,>,电流表应采用外接法,实验电路图如图所示答案1ABDEG 2见解析图10.12分某同学通过查找资料自己动手制作了一个电池该同学想测量一下这个电池的电动势E和内阻r,但是从实验室只借到一个开关、一个电阻箱最大阻值为
999.9Ω,可当标准电阻用、一个电流表量程Ig=
0.6A,内阻rg=
0.1Ω和若干导线1请根据测定电动势E和内阻r的要求,设计图7中器件的连接方式,画线把它们连接起来图72接通开关,逐次改变电阻箱的阻值R,读出与R对应的电流表的示数I,并作记录当电阻箱的阻值R=
2.6Ω时,其对应的电流表的示数如图8所示处理实验数据时,首先计算出每个电流值I的倒数,再制作R坐标图,如图9所示图中已标注出了,R的几个与测量对应的坐标点,请你将与图8所示实验数据对应的坐标点也标注在图上图8图93在图上把描绘出的坐标点连成图线4根据图中描绘出的图线可得出这个电池的电动势E=________V,内阻r=________Ω解析1先设计实验电路图,然后根据电路图连线由闭合电路欧姆定律得E=IR+r+rg,故只要知道两组外电阻和电流值,就可以求出电池的电动势和内阻因此,直接将电阻箱和电流表串联在电路中即可2由电流表示数可读出此时电流为
0.50A,则坐标为
22.6,在坐标纸上描出该点3剔除明显有误差的点,将其他点用直线连接起来,使较多的点落在直线上,不在直线上的点均匀分布在直线的两侧4由E=IR+r+rg得R=-r+rg,由此式可知,外电阻和电流的倒数呈线性关系将图中的直线延长,与纵坐标轴的交点的纵坐标值为-r+rg=-
0.4Ω,则内阻r=
0.4Ω-rg=
0.3Ω,直线的斜率k=E=V=
1.5V答案123如图所示
41.
51.46~
1.54
0.
30.25~
0.35
三、计算题本题共2小题,共32分11.14分一个允许通过最大电流为2A的电源和一个滑动变阻器,接成如图10甲所示的电路滑动变阻器最大阻值为R0=22Ω,电源路端电压U随外电阻R变化的规律如图乙所示,图中U=12V的直线为图线的渐近线,试求图101电源电动势E和内阻r;2A、B空载时输出电压的范围;3若要保证滑动变阻器的滑片任意滑动时,干路电流不能超过2A,A、B两端所接负载电阻至少多大解析1由乙图可知,当R→∞时,E=12V,而当U=6V时,应有r=R=2Ω2当滑片滑至上端时,UAB最大Umax=E=11V当滑片滑至下端时,UAB为零,因此,A、B空载时输出电压范围为0~11V3A、B两端接某一负载电阻后,滑动变阻器滑片移至上端时,干路电流最大此时I=,为了电源不过载,应保证I≤2A,代入数据得Rx≥
4.9Ω,即所接负载电阻最小值为
4.9Ω答案112V 2Ω 20~11V
34.912.18分如图11所示,光滑绝缘斜面高度h=
0.45m,斜面底端与光滑绝缘水平轨道圆弧连接,水平轨道边缘紧靠平行板中心轴线平行板和三个电阻构成如图所示电路,平行板板长为l=
0.9m,板间距离d=
0.6m,R1=3Ω,R2=3Ω,R3=6Ω可以看为质点的带电小球,电量q=-
0.01C,质量m=
0.03kg,从斜面顶端静止下滑图111若S
1、S2均断开,小球刚好沿平行板中心轴线做直线运动,求电源电动势E2若S1断开,S2闭合,小球离开平行板右边缘时,速度偏向角tanθ=,求电源内阻r3若S
1、S2均闭合,判断小球能否飞出平行板?解答1小球下滑过程机械能守恒,由机械能守恒定律得mgh=mv,解得v0==3m/s,对S
1、S2均断开时,极板电势差即为电源电动势E,由平衡条件得mg=q,解得E===18V2当S1断开,S2闭合时,带电小球做类平抛运动,水平方向l=v0t,竖直方向分速度vy=at,vy=v0tanθ,对带电小球,由牛顿第二定律得mg-qE1=ma1,其中UC=E1d,代入数据解得a1=4m/s2,E1=18N/C,UC=
10.8V,当S1断开,S2闭合时,R1与R3串联,电容器与R3并联,电容器两端电压UC=UR3由部分电路欧姆定律UR3=I1R3由闭合电路欧姆定律E=I1R1+R3+r代入数据解得r=1Ω3当S
1、S2均闭合时,R2与R3并联,并联电阻R23==Ω=2Ω,电路电流I2==A=3A,电压U2=I2R23=6V,对小球,由牛顿第二定律得mg-qE2=ma2,其中电压U2=E2d,联立求解a2=m/s2对带电小球类平抛运动分析,有l=v0t,y=at2联立求解y=
0.3m,y==
0.3m,带电小球恰好从右侧极板边缘飞出答案118V 21Ω 3能飞出
1.处理数字信号的电路称为数字电路2.逻辑电路是指具有逻辑功能的数字电路,基本的逻辑电路有“与”、“或”、“非”三种门电路3.在逻辑运算中,可用真值表表示各种控制条件和控制结果;在真值表中,用逻辑值“1”表示满足条件或有信号输入,用逻辑值“0”表示条件不满足或没有信号输入,对于输出,用“1”表示产生结果或有信号输出,用“0”表示没有产生结果或没有信号输出。