Mô phỏng Lớp 10

Bản đồ thế giới với các lục địa ở vị trí ngày nay và các bằng chứng Alfred Wegener dùng: hoá thạch Mesosaurus, Cynognathus, Lystrosaurus, Glossopteris; các dải núi và vùng đá cổ trên 2 tỉ năm; trầm tích băng hà cùng vết cào xước khoảng 300 triệu năm trước; than đá ở châu Nam Cực; thú có túi và chim chạy. Kéo và xoay bảy lục địa về phía châu Phi để ghép lại Pangaea: khi một mảnh khớp chỗ, các dải bằng chứng nối liền qua bờ biển. Màn Dòng thời gian chạy sự tách vỡ của Pangaea từ 200 triệu năm trước tới nay, kèm bản đồ tuổi đáy đại dương: đáy biển trẻ dần về phía sống núi giữa đại dương và biến mất khi lùi thời gian; đo bề rộng Nam Đại Tây Dương và vĩ độ cổ của một điểm tuỳ chọn.

Bàn thí nghiệm ảo về máy cơ đơn giản: ròng rọc cố định, ròng rọc động, palăng, mặt phẳng nghiêng, bánh xe và trục, kích vít và tời bánh răng. Đặt khối lượng vật, ma sát và khối lượng ròng rọc, kéo bằng lực kế rồi đo quãng đường dây kéo và quãng đường vật đi lên. Mô phỏng tính số lần lợi về lực, số lần thiệt về đường đi và hiệu suất; thanh công cho thấy công có ích không bao giờ lớn hơn công toàn phần.

Thí nghiệm ảo đo độ nhớt: thả bi thép có bán kính khác nhau vào glycerol, dầu thầu dầu hoặc nước, đo thời gian bi rơi giữa hai vạch và vẽ đồ thị vận tốc giới hạn v theo r². Bi tăng tốc tới khi trọng lực bằng lực đẩy Ác-si-mét cộng lực cản Stokes 6πηrv, nên v = 2r²(ρ − σ)g/(9η) và hệ số góc của đường thẳng cho η. Làm nóng chất lỏng để thấy η giảm, xem số Reynolds để biết khi nào định luật Stokes không còn đúng.

Ba màn về vi sinh vật phân giải. Thí nghiệm lipase: sữa, dung dịch sodium carbonate và phenolphthalein màu hồng; thêm lipase ở 5–60 °C, bấm giờ đến khi mất màu hồng, tính tốc độ 1/t và vẽ đồ thị theo nhiệt độ (có muối mật và lipase đun sôi làm đối chứng). Đống ủ phân: chỉnh nhiệt độ, độ ẩm và oxygen, theo dõi khối lượng còn lại trong 12 tuần cùng lượng CO₂ và CH₄ thoát ra. Hầm khí sinh học nạp phân bò: chỉnh nhiệt độ, lượng phân mỗi ngày và thời gian lưu để đọc lượng khí, tỉ lệ methane và pH.

Chọn bốn số lượng tử n, l, mₗ, mₛ và xem orbital s, p, d của nguyên tử hydrogen trong không gian ba chiều, dưới dạng bề mặt bao 90% xác suất hoặc đám mây xác suất, với mặt nút xuyên tâm (n − l − 1) và mặt nút góc (l). Đồ thị phân bố xuyên tâm r²R², sơ đồ ô của cả lớp n (2l + 1 orbital mỗi phân lớp, 2n² electron mỗi lớp), bảng các orbital đã xem và ba nhiệm vụ tự kiểm.

Phòng thí nghiệm địa chấn: ba trạm ghi một trận động đất. Kéo vạch P và S tới lúc sóng đến trên mỗi băng địa chấn, đổi hiệu thời gian S–P thành khoảng cách bằng biểu đồ thời gian truyền sóng, vẽ ba đường tròn trên bản đồ và tìm tâm chấn ở chỗ chúng gặp nhau, nằm ngay trên chấn tiêu ở dưới sâu. Đọc biên độ dao động lớn nhất theo milimét và dùng toán đồ Richter để tìm độ lớn địa phương, so sánh với độ lớn mômen tính từ kích thước và độ trượt của đứt gãy, thấy mỗi bậc độ lớn ứng với năng lượng gấp khoảng 32 lần. Vẽ bản đồ cảm nhận theo thang cường độ Mercalli cải tiến với các đường đẳng chấn, và xem một trận động đất ở đới hút chìm nâng đáy biển, tạo sóng thần vượt đại dương với tốc độ v = √(g·d) vào bờ, cùng thời gian cảnh báo và thời gian cần để đi bộ lên chỗ cao. Mặc định của màn Sóng thần (Mw 9,0, đại dương sâu 4.000 m, rãnh cách bờ 200 km) gần với trận động đất Sumatra–Andaman năm 2004 ở phía tây Indonesia.

Phòng thực hành đất ảo với sáu mẫu đất (cát đụn ven biển, đất rừng thông, đất vườn, đất phù sa, đất đồng cỏ trên đá vôi, đất sét) và mẫu chưa biết. Lắc lọ lắng với nước: cát lắng trong một phút, limon trong vài giờ, sét trong vài ngày; đo bề dày lớp lắng trên thước để tính phần trăm cát, limon, sét rồi tìm tên đất trên tam giác thành phần cơ giới. Đổ nước vào 100 cm³ đất khô để đo độ xốp, cho 100 mL nước chảy qua cột đất để so độ thấm và lượng nước đất giữ lại, thử pH bằng chất chỉ thị vạn năng, thử nitrat, photphat, kali bằng bảng màu và nung đất để tính lượng mùn. Các kết quả gom vào phiếu so sánh các mẫu đất.

Một thành phố thải rác mỗi ngày: chọn tỉ lệ giảm thải, tái chế, ủ compost và đốt thu năng lượng, rồi chạy 30 năm để xem bãi chôn lấp đầy dần, methane và nước rỉ rác sinh ra, điện thu được. Màn Thử phân huỷ chôn cùng các vật trong đống compost và trong bãi chôn lấp để so sánh vật phân huỷ sinh học và không phân huỷ sinh học; màn Trò chơi phân loại đưa rác sinh hoạt vào đúng thùng.

Thử nghiệm sinh học ảo với ba màn. Thử độc tính: cho hạt xà lách, ấu trùng tôm nước mặn (Artemia) hoặc cá nhỏ tiếp xúc với một đĩa đối chứng và năm nồng độ copper(II) sulfate, sodium chloride, ethanol hoặc chất tẩy rửa, đếm số cá thể bị ảnh hưởng sau thời gian chuẩn, rồi vẽ đường liều lượng – đáp ứng trên thang logarit để đọc LC50 (EC50 với hạt) và ngưỡng tác dụng (NOEC, LOEC). Lặp lại để gộp các lần lặp, đổi khoảng và bước nồng độ, thêm chất thứ hai để thấy tác dụng cộng gộp, hiệp đồng hoặc đối kháng. Giá trị LD50: so sánh LD50 qua đường miệng và qua da của các chất quen thuộc với các nhóm độc cấp tính theo GHS. Chất giả hormone: một quần thể cá trong hồ có vài nanogam EE2 (estrogen tổng hợp) mỗi lít không con cá nào bị ngộ độc chết, nhưng sinh sản suy giảm và quần thể sụp đổ.

Một thửa ruộng trên sườn đồi được canh tác 30 năm: chọn độ dốc, lượng mưa, ruộng cố định hay du canh phát đốt có bỏ hoá, cách làm đất (cày lật, làm đất tối thiểu, không cày), các biện pháp của Cách mạng xanh (giống năng suất cao, phân đạm, tưới) và các biện pháp bảo vệ đất (cày theo đường đồng mức, ruộng bậc thang, đai cây chắn gió, cây che phủ đất). Mỗi năm mô phỏng tính năng suất, lượng đất bị xói mòn, dòng chảy mặt, chất hữu cơ, độ dày tầng đất mặt và lượng đạm bị rửa trôi. Màn thứ hai so sánh độc canh với xen canh và vườn rừng (phân ủ, phủ gốc, bể trữ nước mưa) bên một đồng cỏ có mật độ chăn thả thay đổi được, qua 10 vụ.

Thí nghiệm ảo đo hệ số căng bề mặt γ bằng ống mao dẫn và kính hiển vi di động: đọc hai mép trong của ống để có bán kính r, đọc đáy mặt khum và mặt thoáng để có độ dâng h, rồi tính γ = rhρg/(2cosθ). Thêm hai màn: áp suất phụ trong giọt và bong bóng (Δp = 2γ/r, 4γ/r) và kim thép nổi trên mặt nước; nhiệt độ và chất tẩy rửa làm γ giảm.

Lực F₁ ấn lên pít-tông nhỏ làm áp suất chất lỏng tăng thêm p = F₁/A₁ ở mọi điểm, nên pít-tông lớn được đẩy với lực F₂ = F₁·A₂/A₁. Đổi đường kính hai pít-tông, lực ấn và khối lượng xe để đọc áp suất (Pa), số lần lợi về lực, quãng dịch chuyển d₂ = d₁·A₁/A₂ và thấy công vào bằng công ra.

Ba màn hình: Cân bằng (bàn tổng hợp lực với 2–4 lực, thành phần, hợp lực, đa giác lực, định lí Lamy; bảng Gravesand đo trọng lượng vật bằng quy tắc hình bình hành), Mặt phẳng nghiêng (phân tích trọng lực, ma sát nghỉ cực đại μN, góc ma sát; đồ thị lực kéo theo sin θ) và Hệ vật nối (máy Atwood, vật trên bàn hoặc mặt nghiêng nối vật treo; gia tốc, lực căng, cắt dây). g = 9,81 m/s².

Bảy tình huống: người đẩy tường, hai người trượt băng đẩy nhau, quyển sách trên bàn, hai lực kế kéo nhau, súng đại bác giật lùi, bóng bay phản lực, Trái Đất và quả táo. Chạm vào một vật để xem mọi lực tác dụng lên nó, chạm vào một lực để thấy lực trực đối của nó trên vật kia. Hai lực kế đo luôn bằng nhau trong suốt tương tác, còn gia tốc a = F/m của hai vật khác nhau.

Rót nước đều vào bình hình trụ, hình nón, bình cầu, cái bát hoặc bình tự thiết kế, hay theo dõi một chuyến đạp xe; học sinh kéo các điểm để phác đồ thị chiều cao – thời gian hoặc quãng đường – thời gian rồi so với đồ thị thật. Hình động chạy song song bình nước (hoặc xe đạp) với đồ thị, tô màu các khoảng đồng biến, nghịch biến, cong lên, cong xuống; bảng biến thiên và giá trị lớn nhất, nhỏ nhất đọc ngay từ đồ thị, không cần đạo hàm.

Ống dòng gồm ba đoạn đổi được tiết diện và độ cao: các hạt đánh dấu cho thấy lưu lượng Q = Av không đổi, ba đồng hồ áp suất và biểu đồ cột cho thấy p + ½ρv² + ρgh như nhau ở mọi đoạn (Venturi kế). Màn thứ hai là bài thực hành: bình nước có lỗ nhỏ ở thành bên; đổi mực nước H và độ cao lỗ, đo tầm xa của tia nước để kiểm tra v = √(2gH), có bảng số liệu và đồ thị v² theo H.

Chọn hai hàm f, g (bậc nhất, bậc hai, mũ, căn, nghịch đảo) với tham số a, b. Màn Hàm hợp vẽ sơ đồ ánh xạ x → g(x) → f(g(x)) và đồ thị f∘g, so sánh với g∘f, tính tập xác định và tập giá trị. Màn Cộng, nhân hàm cộng hoặc nhân tung độ. Màn Hàm ngược lấy đối xứng đồ thị qua y = x, thử đường thẳng nằm ngang, giới hạn tập xác định và so sánh hệ số góc tiếp tuyến tại hai điểm đối xứng.

Nhập hai hàm f và g bất kì (hoặc đường ngang y = k) để thấy nghiệm của f(x) = g(x) là hoành độ giao điểm của hai đồ thị, còn tập nghiệm của f(x) < g(x) là các khoảng được tô trên trục hoành. Thanh trượt k cho thấy số nghiệm thay đổi thế nào, đường h(x) = f(x) − g(x) cho thấy cách chuyển vế về dạng h(x) = 0, và phần Kiểm tra đại số chỉ ra nghiệm ngoại lai do bình phương hai vế hoặc quy đồng khử mẫu.

Chọn hàm gốc (x, x², x³, |x|, √x, 1/x, 1/x², 2ˣ, eˣ, ln x, sin x) rồi kéo a, b, h, k trong g(x) = a·f(b(x − h)) + k để thấy phép co giãn, đối xứng và tịnh tiến; mũi tên nối điểm đặc biệt với ảnh của nó, nút Xem từng bước diễn lại các phép biến đổi theo đúng thứ tự. Màn Đồ thị suy ra vẽ |g(x)|, g(|x|), 1/g(x), [g(x)]²; màn Tính đối xứng kiểm tra hàm chẵn, hàm lẻ và hàm tự nghịch đảo.

Xâu được vẽ thành dãy ô kí tự đánh chỉ số từ 0. Chế độ Thao tác: nối xâu, độ dài, lấy kí tự, cắt xâu con [a, b) (không lấy chỉ số b), tìm xâu con, so sánh, đổi chữ hoa/thường, thay thế, tách xâu, mã kí tự; kết quả hiện song song ở mã giả, Python và Java, kể cả lỗi vượt chỉ số. Chế độ Thuật toán chạy từng bước đếm kí tự, đảo xâu, kiểm tra xâu đối xứng, tìm xâu con vét cạn kèm bảng theo dõi. Chế độ cuối so sánh số phép so sánh của tìm kiếm vét cạn và Boyer–Moore.

Danh sách hiện thành các ô có chỉ số và con trỏ. Học sinh đọc, ghi, thêm vào cuối, chèn và xoá phần tử, thấy các phần tử dịch chuyển, độ dài thay đổi và lỗi chỉ số ngoài phạm vi; chuyển sang mảng kích thước cố định để so với danh sách động. Chế độ mảng hai chiều duyệt từng bước theo hàng hoặc theo cột với grid[r][c]; chế độ từ điển tra cứu theo khoá; chế độ tham chiếu cho thấy hai tên cùng trỏ tới một danh sách. Mã của mỗi thao tác hiện bằng Python, Java hoặc mã giả.

Chạy từng dòng một chương trình có hàm và thủ tục, xem mỗi lời gọi đẩy một khung lên ngăn xếp: đối số gán vào tham số, biến cục bộ, giá trị trả về quay lại dòng gọi. So sánh biến cục bộ với biến toàn cục, truyền tham trị với truyền tham chiếu và đệ quy, viết bằng Python hoặc mã giả. Chế độ Hàm thư viện cho gọi thử các hàm có sẵn để hiểu chữ kí hàm và trừu tượng hoá.

Chạy từng dòng một chương trình Python hoặc mã giả kiểu đề thi. Bảng biến cho thấy giá trị và kiểu (int, float, str, bool) đổi thế nào sau mỗi lệnh gán; cây biểu thức cho thấy thứ tự ưu tiên và cách tính 17 // 5, 17 % 5, int(3.7). Có nhập xuất, rẽ nhánh, vòng lặp, số ngẫu nhiên kèm biểu đồ tần số, đọc ghi tệp ảo, lỗi ép kiểu và ngoại lệ, tràn số nguyên 32 bit, cùng bảng theo dõi từng bước.

Cùng một chương trình ngắn được dịch bằng trình biên dịch (kiểm tra cả chương trình, liệt kê mọi lỗi cú pháp rồi tạo tệp chạy được) và bằng trình thông dịch (dịch và chạy từng câu lệnh, dừng ở lỗi đầu tiên). Bản hợp ngữ của chương trình đi qua trình hợp dịch hai lượt, đổi mã gợi nhớ thành mã máy nhị phân. Chèn lỗi cú pháp, lỗi khi chạy hoặc lỗi lôgic để xem lỗi được phát hiện lúc nào, rồi so thời gian chạy nhiều lần. Thẻ IDE minh hoạ tô màu cú pháp, báo lỗi, gợi ý hoàn thành mã, điểm dừng và cửa sổ theo dõi biến.