孫建朋 鮑瑩瑩

(1. 南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023；2. 南京師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210097)

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Multisim仿真軟件在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用
——以“簡單的邏輯電路”為例

孫建朋1鮑瑩瑩2

(1. 南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023；2. 南京師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210097)

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的計(jì)算機(jī)軟件被應(yīng)用到教學(xué)活動中.筆者以“簡單的邏輯電路”為例，嘗試將電學(xué)仿真軟件Multisim 14.0應(yīng)用到高中物理教學(xué)中.

高中物理;簡單邏輯電路;Multisim仿真軟件

Multisim是一款專業(yè)的電學(xué)仿真軟件，它擁有豐富的庫元件和測量儀器工具，其元件和測量儀器的屬性還可以由用戶設(shè)置，如可以設(shè)置電阻的某個(gè)引腳為開路，從而有助于學(xué)生對電路中故障現(xiàn)象的深入分析.筆者以“簡單的邏輯電路”為例，嘗試將電學(xué)仿真軟件Multisim 14.0應(yīng)用到高中物理教學(xué)中.

1 教材分析

本節(jié)教學(xué)的主要內(nèi)容是“與”門、“或”門以及“非”門這三種基本邏輯電路的含義、作用以及簡單應(yīng)用.

本節(jié)教學(xué)重點(diǎn)是“與”門、“或”門以及“非”門這三種基本邏輯電路的含義、作用以及應(yīng)用它們進(jìn)行簡單邏輯電路的設(shè)計(jì).教學(xué)難點(diǎn)是理解“與”門、“或”門以及“非”門這三種基本邏輯電路的工作特性.

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 知識與技能

(1) 理解“與”門、“或”門以及“非”門這三種基本邏輯電路的概念以及作用.

(2) 能應(yīng)用“與”門、“或”門以及“非”門電路設(shè)計(jì)簡單的電路.

2.2 過程與方法

(1) 通過觀察具有邏輯關(guān)系的電路圖，理解門電路的含義及其作用.

(2) 通過對例題中門電路的分析，掌握分析數(shù)字電路中門電路的基本方法.

2.3 情感、態(tài)度與價(jià)值觀

(1) 關(guān)心和觀察現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用邏輯電路的具體場合.

(2) 了解集成電路的發(fā)展現(xiàn)狀，感受現(xiàn)代電子技術(shù)在生產(chǎn)、生活中的作用.

3 教學(xué)過程

3.1 課堂導(dǎo)入

在日常生活中我們經(jīng)常會接觸到許多便攜式的電子產(chǎn)品，比如智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等.這些電子產(chǎn)品都是基于現(xiàn)代信息技術(shù)而設(shè)計(jì)出來的，它們內(nèi)部處理的主要都是數(shù)字信號.物理學(xué)將電信號分為兩種，一種是模擬信號，另一種則是數(shù)字信號(如圖1)，模擬信號具有一種連續(xù)“漸變”的特征，數(shù)字信號則是具有躍變的特征.

圖1

引導(dǎo)學(xué)生觀察圖1，觀察并分析模擬信號和數(shù)字信號的特征.

數(shù)字信號是由數(shù)字電路來負(fù)責(zé)處理的.而數(shù)字電路處理數(shù)字信號的本質(zhì)是表示一種邏輯關(guān)系.所以，數(shù)字電路又稱為邏輯電路.最簡單的邏輯電路表示的邏輯關(guān)系就像一扇門一樣，它允許一個(gè)信號通過或者禁止通過，因此邏輯電路也稱為門電路，本節(jié)課我們就一起來學(xué)習(xí)“簡單的邏輯電路”.

3.2 “與”門電路

請同學(xué)們觀察圖2，嘗試分析電路中的開關(guān)A、開關(guān)B以及燈泡L三者之間是怎樣的邏輯關(guān)系.

圖2 “與”邏輯電路

學(xué)生觀察電路圖并相互交流，經(jīng)過分析后可以很容易得出相應(yīng)的結(jié)論.

電路圖中的開關(guān)A、開關(guān)B和燈泡組成的是串聯(lián)電路，因此只有當(dāng)兩個(gè)開關(guān)全部閉合時(shí)，燈泡才會被點(diǎn)亮.把電路圖中的開關(guān)A、開關(guān)B全部閉合稱為條件，燈泡被點(diǎn)亮稱為結(jié)果.如果一個(gè)事件的幾個(gè)條件都滿足后，該事件才能發(fā)生，我們把這種關(guān)系叫做“與”邏輯.那么具有“與”邏輯關(guān)系的電路稱為“與”電路，簡稱為“與”門.

一個(gè)開關(guān)有通、斷兩種工作狀態(tài)，那么圖2電路圖中的開關(guān)總共可以組合成4種情況(如表1).

表1 “與”邏輯電路的條件與結(jié)果

如果把開關(guān)導(dǎo)通時(shí)有電壓輸入的狀態(tài)設(shè)定為1，把開關(guān)斷開時(shí)無電壓輸入的狀態(tài)設(shè)定為0；那么相應(yīng)地把燈泡熄滅時(shí)沒有電壓輸出的狀態(tài)設(shè)定為0，燈泡點(diǎn)亮?xí)r有電壓輸出的狀態(tài)設(shè)定為1.那么可以把表1對應(yīng)的各種情況轉(zhuǎn)換成以數(shù)字形式來表現(xiàn)各種控制條件和結(jié)果的關(guān)系，如表2所示，這種表格也稱為真值表.

表2 “與”門真值表

圖3和圖4分別是中國標(biāo)準(zhǔn)和美國標(biāo)準(zhǔn)的“與”門電路符號.

我們用Multisim仿真軟件演示一個(gè)“與”門功能的實(shí)驗(yàn)，在圖5所示的仿真電路圖中，右上側(cè)的元器件是“與”門，它有兩個(gè)輸入端A和B以及一個(gè)輸出端Y，輸出端接一個(gè)數(shù)字電壓表，用來觀察“與”門輸出電壓的大小.左邊的兩個(gè)器件是信號源，當(dāng)“與”門輸入端連接到電源端正極有輸入電壓時(shí)設(shè)定輸入為1，連接到電源端負(fù)極沒有電壓輸入時(shí)設(shè)定輸入為0.在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，我們分別斷開和閉合開關(guān)，可以發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)A和B輸入端同時(shí)輸入為1時(shí)，在輸出端才會有電壓輸出，否則輸出的電壓始終是0伏.

圖5

3.3 “或”門電路

請同學(xué)們觀察圖6，嘗試分析電路圖中的開關(guān)A、開關(guān)B以及燈泡L三者之間是怎樣的邏輯關(guān)系.

圖6

圖6中的開關(guān)A、開關(guān)B和燈泡組成的是并聯(lián)電路，因此兩個(gè)開關(guān)中只要有一個(gè)閉合時(shí)，燈泡就會被點(diǎn)亮.把電路圖中的開關(guān)閉合稱為條件，燈泡被點(diǎn)亮稱為結(jié)果.如果一個(gè)事件的幾個(gè)條件中，有一個(gè)得到滿足該事件就會發(fā)生，我們把這種關(guān)系叫做“或”邏輯.那么把具有“或”邏輯關(guān)系的電路稱為“或”電路，簡稱為“或”門.

圖6中的開關(guān)總共可以組合成4種情況，我們把這4種情況以及每種情況對應(yīng)燈泡的點(diǎn)亮和熄滅都列在了一個(gè)表格中(如表3).

表3 “或”邏輯電路的條件與結(jié)果

把開關(guān)導(dǎo)通時(shí)有電壓輸入的狀態(tài)設(shè)定為1，開關(guān)斷開時(shí)沒有電壓輸入的狀態(tài)設(shè)定為0；那么相應(yīng)地把燈泡熄滅時(shí)沒有電壓輸出的狀態(tài)設(shè)定為0，把燈泡點(diǎn)亮?xí)r有電壓輸出的狀態(tài)設(shè)定為1.那么可以把表3對應(yīng)的各種情況轉(zhuǎn)換成以數(shù)字的形式來表現(xiàn)各種控制條件和結(jié)果的關(guān)系(如表4).

表4 “或”門真值表

圖7和圖8分別是中國標(biāo)準(zhǔn)和美國標(biāo)準(zhǔn)的“或”門電路符號.

用Multisim演示一個(gè)“或”門功能的實(shí)驗(yàn)，在圖9所示的仿真電路中，右上側(cè)的元件是“或”門，它有兩個(gè)輸入端A和B以及一個(gè)輸出端Y，輸出端連接著一個(gè)數(shù)字電壓表，用來觀察“或”門輸出電壓的大小.左邊的兩個(gè)器件是信號源，當(dāng)“或”門輸入端連接到電源端正極有電壓輸入時(shí)設(shè)定輸入為1，連接到電源端負(fù)極沒有電壓輸入時(shí)設(shè)定輸入為0.在實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們分別斷開和閉合開關(guān)，可以發(fā)現(xiàn)，只要當(dāng)A和B輸入端中有一個(gè)輸入為1時(shí)，輸出端就會有電壓輸出；而只有當(dāng)A和B兩個(gè)輸入端輸入都是0時(shí)，輸出端的電壓才是0伏.

圖9

3.4 “非”門電路

請同學(xué)們觀察圖10，嘗試分析開關(guān)A、開關(guān)B以及燈泡L三者之間是怎樣的邏輯關(guān)系.

圖10

通過前面“與”門和“或”門電路的分析，學(xué)生會采用相同的方法，通過相互之間交流和討論，得出相應(yīng)的結(jié)論.

圖10中的開關(guān)A和燈泡組成的是并聯(lián)電路，我們可以采用前面研究門電路的方法來繼續(xù)分析這個(gè)電路.開關(guān)的通斷是控制的條件，即輸入；燈泡亮熄是控制的結(jié)果，即輸出.在之前的學(xué)習(xí)中，我們習(xí)慣于“開關(guān)閉合，燈泡亮”以及“開關(guān)斷開，燈泡熄”.而在現(xiàn)在的這個(gè)電路中只要開關(guān)閉合，燈泡就會因?yàn)楸欢搪范?；而只有?dāng)開關(guān)斷開時(shí)，燈泡才會被點(diǎn)亮.

如果把開關(guān)閉合時(shí)有電壓輸入的狀態(tài)設(shè)定為1，開關(guān)斷開時(shí)無電壓輸入時(shí)設(shè)定為0.那么相應(yīng)的燈泡熄滅時(shí)無電壓輸出的狀態(tài)則是0，燈泡點(diǎn)亮?xí)r有電壓輸出的狀態(tài)則是1.因此，對于圖10的電路，我們用數(shù)學(xué)的方式來表示它們之間的邏輯關(guān)系，當(dāng)開關(guān)閉合輸入為1時(shí)，燈泡熄滅輸出為0；當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)輸入為0時(shí)，燈泡熄滅輸出為1.像這樣輸出狀態(tài)與輸入狀態(tài)相反的邏輯關(guān)系，叫做“非”邏輯關(guān)系，具有“非”邏輯關(guān)系的電路叫做“非”門，表,5是“非”門的真值表.

表5 “非”門真值表

圖11和圖12分別是中國標(biāo)準(zhǔn)和美國標(biāo)準(zhǔn)的“非”門電路符號.

3.5 門電路在一般電路中的功能分析

例：圖13是一個(gè)火警報(bào)警裝置的邏輯電路圖.Rt是熱敏電阻，低溫時(shí)電阻值很大，高溫時(shí)電阻值很小，R是阻值較小的可調(diào)電阻.

(1) 要做到平時(shí)電鈴不響，而火警時(shí)電鈴由于高溫響起，在圖中的虛線圓內(nèi)應(yīng)該接入怎樣的元件？

(2) 為什么溫度高時(shí)電鈴會被接通？

(3) 為了提高電路的靈敏度，即要把報(bào)警溫度調(diào)得較低，R的值應(yīng)該大一些還是小一些？

圖13

在沒有發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于熱敏電阻Rt比電阻R大，因此X點(diǎn)為高電壓，電鈴不響；而發(fā)生火災(zāi)時(shí)，熱敏電阻Rt阻值變得很小，此時(shí)X點(diǎn)為低電壓，電鈴響.這樣的電路關(guān)系正好符合“非”邏輯.

可用Multisim來仿真例題中的電路，用一個(gè)可調(diào)電阻模擬熱敏電阻，用蜂鳴器模擬電鈴(如圖14).可以知道使用“非”門可以很好地實(shí)現(xiàn)題干要求的火警報(bào)警功能，如果為了提高電路的靈敏度，希望把報(bào)警的溫度調(diào)得較低些，即在較低溫度的時(shí)候，“非”門電路可以輸出1，即高電壓，從而使電鈴導(dǎo)通，那么就應(yīng)該使“非”門的輸入信號在溫度較低的時(shí)候輸入為0，即低電壓.根據(jù)歐姆定律，調(diào)大電阻R,就可以讓“非”門的輸入信號在較低溫度時(shí)輸入為低電壓.

圖14

朱建廉.關(guān)于“簡單的邏輯電路”教學(xué)要求的研究[J].物理教師,2008,29(6).