2019-2020年高中物理（SWSJ）人教版选修3-1教学案：第二章 第11节 简单的逻辑电路 含答案.doc

2019-2020年高中物理（SWSJ）人教版选修3-1教学案：第二章 第11节 简单的逻辑电路 含答案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)。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1。3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0。(3)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2111(1)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1 V，“0”表示电压为0 VB“1”表示电压为大于或等于1 V，“0”表示电压一定为0 VC“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YAB，所以为“与”逻辑关系。故选A。3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Y1、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Y1、Y2。2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”()A00 B01C10 D11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。M01N102.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B。3(多选)“或”门电路的逻辑关系可表示为YAB，则下列关于“或”门的逻辑关系中结果正确的是()A000 B011C101 D110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1A1和0 B0和1C1和1 D0和0解析：选CB、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()AX为热敏电阻，Y为可变电阻BX为热敏电阻，Y为开关CX为可变电阻，Y为热敏电阻DX、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。A(UA)B(UB)Y111100010111000111010010100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DB、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15小题只有一个选项符合题意，第68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00011011A0010B0011C1010 D0001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1。2两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IAIB14，则横截面积之比SASB为()A12 B21C14 D41解析：选A由R可知，在U一定时，I与R成反比，即RARB41。又根据电阻定律R可知，当、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2A5 B10 C1 D6 解析：选B由电阻的定义式R知，A点对应灯泡的电阻RA 30 ，B点对应灯泡的电阻RB 40 ，所以灯丝的电阻改变了10 ，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1 A时，改装电流表的读数为1.1 A，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UII2rB充电器输出的电功率为UII2rC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UII2r，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 DR3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EI(rR1)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P3IR3减小，选项D正确；流过R3的电流I3减小，流过R2的电流I2II3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U2I2R2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U4U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U1和U2，则下列结论正确的是()图6AU1U2B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U1U2，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“6 V3 W”B直流电源68 VC电流表(量程3 A，内阻0.2 )D电流表(量程0.6 A，内阻1 )E电压表(量程6 V，内阻20 k)F电压表(量程20 V，内阻60 k)G滑动变阻器(020 、2 A)H滑动变阻器(01 k、0.5 A)(1)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I0.5 A，电流表应选D；灯泡额定电压6 V，电压表应选E；为方便实验操作，滑动变阻器应选G。(2)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R12 ，12，1666.7，电流表应采用外接法，实验电路图如图所示。答案：(1)ABDEG(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999.9 ，可当标准电阻用)、一个电流表(量程Ig0.6 A，内阻rg0.1 )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7(2)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R2.6 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9(3)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_。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EI(Rrrg)，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0.50 A，则坐标为(2,2.6)，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EI(Rrrg)得R(rrg)，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(rrg)0.4 ，则内阻r0.4 rg0.3 ，直线的斜率kE V1.5 V。答案：(1)(2)(3)如图所示(4)1.5(1.461.54)0.3(0.250.35)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2 A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R022 ，电源路端电压U随外电阻R变化的规律如图乙所示，图中U12 V的直线为图线的渐近线，试求：图10(1)电源电动势E和内阻r；(2)A、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2 A，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，E12 V，而当U6 V时，应有rR2 。(2)当滑片滑至上端时，UAB最大UmaxE11 V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011 V。(3)A、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I2 A，代入数据得Rx4.9 ，即所接负载电阻最小值为4.9 。答案：(1)12 V2 (2)011 V(3)4.912(18分)如图11所示，光滑绝缘斜面高度h0.45 m，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l0.9 m，板间距离d0.6 m，R13 ，R23 ， R36 。可以看为质点的带电小球，电量q0.01 C，质量m0.03 kg，从斜面顶端静止下滑。图11(1)若S1、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E。(2)若S1断开，S2闭合，小球离开平行板右边缘时，速度偏向角tan ，求电源内阻r。(3)若S1、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：mghmv，解得：v03 m/s，对S1、S2均断开时，极板电势差即为电源电动势E，由平衡条件得：mgq，解得：E18 V。(2)当S1断开，S2闭合时，带电小球做类平抛运动，水平方向：lv0t，竖直方向分速度：vyat，vyv0tan ，对带电小球，由牛顿第二定律得：mgqE1ma1，其中：UCE1d，代入数据解得：a14 m/s2，E118 N/C，UC10.8 V，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：UCUR3由部分电路欧姆定律：UR3I1R3由闭合电路欧姆定律：EI1(R1R3r)代入数据解得：r1 。(3)当S1、S2均闭合时，R2与R3并联，并联电阻：R23 2 ，电路电流：I2 A3 A，电压：U2I2R236 V，对小球，由牛顿第二定律得：mgqE2ma2，其中电压：U2E2d，联立求解：a2 m/s2对带电小球类平抛运动分析，有：lv0t，yat2联立求解：y0.3 m，y0.3 m，带电小球恰好从右侧极板边缘飞出。答案：(1)18 V(2)1 (3)能飞出