Mô phỏng Khoa học tự nhiên

Quần thể (mô phỏng bằng các cá thể trong ô môi trường) tăng số lượng từ N₀ với tốc độ r; khi có giới hạn sức chứa K, đường cong N(t) dạng chữ S và ổn định quanh K. Học sinh chọn nhân tố sinh thái tác động (hạn hán giảm K, nguồn thức ăn dồi dào tăng K), chạm vào môi trường để gây dịch bệnh giảm số cá thể, quan sát quần thể phục hồi. Công thức tăng trưởng và số liệu hiện liên tục.

Làm nóng, làm lạnh để thấy rắn, lỏng, khí ở cấp phân tử. Mô phỏng của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, giấy phép CC BY 4.0 (https://phet.colorado.edu); cần mạng để tải.

Viên bi trượt trên máng lòng chảo hoặc dốc nối mặt phẳng ngang. Kéo bi đến độ cao muốn rồi thả: thanh động năng Wđ = ½mv² và thế năng Wt = mgh đổi qua lại, tổng cơ năng không đổi khi không ma sát; bật ma sát thì phần cơ năng chuyển thành nhiệt hiện rõ. Đồ thị năng lượng theo thời gian, công của trọng lực và công suất hiện liên tục.

Kéo thanh nam châm ra vào cuộn dây (bằng tay hoặc tự động), kim điện kế lệch theo tốc độ và số vòng dây; dừng nam châm thì kim về 0. Chuyển sang chế độ nam châm quay để thấy suất điện động đổi chiều tuần hoàn – dòng điện xoay chiều. Đồ thị suất điện động theo thời gian, số đường sức từ qua cuộn dây và chiều dòng cảm ứng hiện liên tục.

Quần thể bướm đêm gồm cá thể màu sáng (dd) và màu tối (DD, Dd) đậu trên thân cây. Mỗi thế hệ chim ăn nhiều hơn những con nổi bật trên nền, các con sống sót sinh sản tạo thế hệ mới; tần số allele và tỉ lệ kiểu hình đổi dần theo đồ thị. Đổi màu nền (chạm vào thân cây, hoặc để nền tối dần do ô nhiễm công nghiệp) và áp lực chọn lọc để thấy hướng tiến hoá thay đổi.

Nạp đá vôi vào lò rồi kéo nhiệt độ lò: dưới khoảng 825 °C phản ứng hầu như không xảy ra, từ 900 °C trở lên CaCO₃ phân huỷ mạnh thành CaO và khí CO₂ thoát ra ống khói. Các cột khối lượng cho thấy đúng tỉ lệ 100 kg đá vôi cho 56 kg vôi sống và 44 kg CO₂. Bật tôi vôi để xem CaO tác dụng với nước tạo Ca(OH)₂ và toả nhiều nhiệt. Sơ đồ chu trình carbon bên cạnh cộng dồn lượng CO₂ từ hô hấp, đốt nhiên liệu hoá thạch và nung vôi, trừ đi phần quang hợp hấp thụ, rồi hiện nồng độ CO₂ trong khí quyển theo ppm.

Chọn kim loại trên dãy hoạt động (K, Na, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Pb, H, Cu, Ag, Au) và dung dịch (acid HCl, H₂SO₄ loãng, muối CuSO₄, AgNO₃, FeSO₄, ZnSO₄ hoặc nước). Thả kim loại vào ống nghiệm: có bọt khí H₂, lớp kim loại mới bám lên thanh, màu dung dịch đổi, hay không phản ứng — đúng theo vị trí trong dãy. Phương trình hoá học cân bằng và giải thích hiện liên tục.

Nửa trên: tia sáng đi từ môi trường n₁ sang n₂, kéo nguồn sáng để đổi góc tới, thấy góc khúc xạ theo định luật Snell n₁·sin i = n₂·sin r và hiện tượng phản xạ toàn phần khi vượt góc tới hạn. Nửa dưới: vật sáng đặt trước thấu kính hội tụ hoặc phân kì, kéo vật để đổi khoảng cách d, ba tia đặc biệt dựng ảnh và công thức 1/f = 1/d + 1/d′ cho vị trí, tính chất, độ phóng đại của ảnh.

Bình lên men chứa dung dịch đường glucose: bật men rượu, bọt khí CO₂ sủi lên và cột ethanol dâng dần theo ngày. Chương trình tính khối lượng ethanol tạo ra theo phương trình C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ rồi quy ra độ rượu bằng thể tích ethanol chia thể tích dung dịch nhân 100. Chuyển sang giai đoạn lên men giấm để oxi hoá ethanol thành acetic acid và xem nồng độ giấm, hoặc giai đoạn ester hoá để đun acid với alcohol có H₂SO₄ đặc tạo ester thơm. Kéo nhiệt độ để thấy men hoạt động mạnh nhất quanh 30 °C và chết khi trên 40 °C.

Mô hình quả cầu – que của methane CH₄, ethane C₂H₆, propane C₃H₈ và ethylene C₂H₄ tự xoay trong không gian; kéo để xoay theo ý muốn. Bảng bên cạnh đếm số liên kết C–H, C–C đơn, C=C đôi, góc liên kết, công thức cấu tạo, và phương trình đốt cháy đã cân bằng (kèm phản ứng cộng bromine của alkene) để phân biệt hydrocarbon no và không no.

Một ngày 24 giờ chạy hết trong khoảng 10 giây. Đồ thị miền chồng cho thấy công suất phát của pin mặt trời (chỉ có ban ngày), tua bin gió và nhiệt điện than, còn đường màu đỏ là nhu cầu điện của khu dân cư với đỉnh vào buổi tối. Nhiệt điện phải bù đúng phần thiếu để cung bằng cầu; kéo các thanh công suất mặt trời, gió, nhu cầu và bật pin tích trữ để xem điện năng mỗi nguồn, tỉ lệ năng lượng tái tạo và khối lượng CO₂ thải ra trong ngày thay đổi thế nào.

Tế bào có bộ nhiễm sắc thể 2n (4, 6 hoặc 8) trải qua các kì của nguyên phân (kì trung gian, đầu, giữa, sau, cuối → 2 tế bào 2n) hoặc giảm phân (giảm phân I với cặp tương đồng xếp 2 hàng, giảm phân II → 4 tế bào n). Bấm từng bước hoặc tự chạy, NST tô màu theo nguồn gốc bố/mẹ, số NST và trạng thái đơn/kép ở mỗi kì hiện rõ để so sánh hai quá trình.

Phả hệ ba đời của một gia đình: hình vuông là nam, hình tròn là nữ, tô đen là người mắc bệnh. Chạm vào từng cá thể để chương trình suy ra kiểu gene có thể có và giải thích căn cứ. Đổi giả thiết giữa bệnh do gene lặn và bệnh do gene trội để thấy giả thiết trội mâu thuẫn với phả hệ vì bố mẹ bình thường vẫn sinh con bị bệnh. Ở chế độ nhóm máu, chọn kiểu gene ABO của bố và mẹ rồi bấm sinh con: bảng tổ hợp giao tử Iᴬ, Iᴮ, i cho tỉ lệ nhóm máu lí thuyết, biểu đồ cột so sánh với tỉ lệ thực nghiệm khi mô phỏng nhiều con.

Chọn một nhóm chất rồi xem các đơn phân lần lượt nối lại thành mạch dài: glucose nối thành tinh bột, amino acid nối thành chuỗi protein bằng liên kết peptide, glycerol gắn ba gốc acid béo thành chất béo, ethylene trùng hợp thành polyethylene. Bên phải là ống nghiệm thử: nhỏ iodine chỉ làm tinh bột hoá xanh tím, thuốc thử biuret chỉ làm protein hoá tím, lắc với nước thì chất béo không tan mà nổi thành lớp. Kéo nhiệt độ lên trên 70 °C để thấy chuỗi protein duỗi ra và đông tụ – hiện tượng biến tính.

Chiếu tia sáng từ không khí sang nước, thuỷ tinh và đo góc tới, góc khúc xạ bằng thước đo góc. Học sinh tăng góc tới đến khi xảy ra phản xạ toàn phần và quan sát sự tán sắc khi cho ánh sáng trắng qua lăng kính. Mô phỏng của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, giấy phép CC BY 4.0 (https://phet.colorado.edu); cần mạng để tải.

Phòng thí nghiệm ảo để tự lắp mạch một chiều từ pin, bóng đèn, điện trở, công tắc và dây nối. Học sinh mắc ampe kế nối tiếp, vôn kế song song rồi kiểm chứng quy tắc của đoạn mạch nối tiếp và song song. Mô phỏng của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, giấy phép CC BY 4.0 (https://phet.colorado.edu); cần mạng để tải.

Các hạt của chất ở thể rắn xếp sát nhau và chỉ dao động, ở thể lỏng trượt lên nhau, ở thể khí chuyển động tự do. Bấm Đun nóng hoặc Làm nguội, kéo thanh nhiệt độ để thấy chất nóng chảy, sôi, ngưng tụ, đông đặc; đồ thị nhiệt độ theo thời gian có đoạn nằm ngang ở nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi. Chọn nước, ethanol, thuỷ ngân hoặc oxygen để so sánh.

Phiên bản rút gọn: thả người trượt từ các độ cao khác nhau trên máng cong và quan sát biểu đồ năng lượng. Học sinh bật ma sát để thấy cơ năng giảm dần và chuyển thành nhiệt. Mô phỏng của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, giấy phép CC BY 4.0 (https://phet.colorado.edu); cần mạng để tải.

Kéo nam châm qua lại trong lòng cuộn dây, bóng đèn chỉ sáng khi nam châm đang chuyển động. Học sinh đổi chiều, đổi tốc độ và số vòng dây để thấy dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào điều gì. Mô phỏng của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, giấy phép CC BY 4.0 (https://phet.colorado.edu); cần mạng để tải.

Đặt vật trước thấu kính hội tụ, thấu kính phân kì hoặc gương cầu rồi kéo để đổi khoảng cách và tiêu cự. Học sinh dựng các tia đặc biệt, đọc vị trí, chiều và độ lớn của ảnh thu được. Mô phỏng của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, giấy phép CC BY 4.0 (https://phet.colorado.edu); cần mạng để tải.

Phiên bản rút gọn chỉ với thấu kính và gương cơ bản, tập trung vào cách dựng ảnh. Học sinh kéo vật lại gần rồi ra xa tiêu điểm để thấy ảnh chuyển từ thật sang ảo. Mô phỏng của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, giấy phép CC BY 4.0 (https://phet.colorado.edu); cần mạng để tải.

Chiếu các loại ánh sáng (hồng ngoại, tử ngoại, vi sóng) vào từng phân tử khí và xem phân tử nào hấp thụ rồi rung, quay. Học sinh nhận ra vì sao carbon dioxide, methane, hơi nước giữ nhiệt còn nitrogen, oxygen thì không. Mô phỏng của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, giấy phép CC BY 4.0 (https://phet.colorado.edu); cần mạng để tải.

Kéo hai thanh trượt hiệu điện thế và điện trở, cường độ dòng điện hiện ngay trong công thức I = U/R. Học sinh quan sát cỡ chữ trong công thức đổi theo giá trị để nhớ quan hệ tỉ lệ giữa ba đại lượng. Mô phỏng của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, giấy phép CC BY 4.0 (https://phet.colorado.edu); cần mạng để tải.

Đổi điện trở suất, chiều dài và tiết diện của dây dẫn, điện trở hiện ngay trong công thức R = pL/S. Học sinh quan sát hình dây dẫn to nhỏ, dài ngắn để giải thích vì sao dây càng dài thì điện trở càng lớn. Mô phỏng của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, giấy phép CC BY 4.0 (https://phet.colorado.edu); cần mạng để tải.