Mô phỏng Khoa học tự nhiên Lớp 9

Mạch điện đơn giản gồm dãy pin nối tiếp, một điện trở và một ampe kế. Kéo thanh trượt đổi hiệu điện thế U và điện trở R, quan sát dòng điện I = U/R thay đổi qua cỡ chữ phương trình, số pin, mật độ chấm tạp chất trong điện trở, mũi tên và hạt điện tích chạy trong mạch. Ghi lại các phép đo vào bảng và xem đồ thị I theo U để rút ra quy luật tỉ lệ thuận, tỉ lệ nghịch. Phỏng theo mô phỏng "Ohm's Law" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Chọn kiểu gene của bố mẹ (P) với một hoặc hai cặp gene (đậu Hà Lan: hạt vàng/xanh, trơn/nhăn; hoa tím/trắng, thân cao/thấp). Bảng Punnett tự dựng giao tử và tổ hợp; chạm vào ô để xem kiểu gene, kiểu hình. Bấm Sinh N con để mô phỏng ngẫu nhiên, so sánh tỉ lệ thực nghiệm với tỉ lệ lí thuyết 3:1 hoặc 9:3:3:1 trên biểu đồ cột.

Mô phỏng này minh họa một thí nghiệm điện cơ bản để đo điện trở bằng cách sử dụng định luật Ohm.

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.

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.

Bàn lắp mạch tự do với hai màn hình. Giới thiệu: kéo dây dẫn, pin, điện trở, bóng đèn, công tắc ra bảng, nối các đầu, cắt đỉnh để tách mạch; electron chạy theo cường độ dòng điện, đèn sáng theo công suất, dùng vôn kế hai que đo và ampe kế không tiếp xúc; đoản mạch thì dây cháy. Phòng thí nghiệm: chỉnh giá trị từng linh kiện, điện trở trong của pin, điện trở của dây, thêm cầu chì, pin công suất lớn, ampe kế và vôn kế mắc vào mạch, vật thử dẫn điện (đồng xu, kẹp giấy, bút chì, tẩy, tay người), đồng hồ bấm giờ và kiểu vẽ sơ đồ theo ký hiệu SGK. Mạch bất kỳ được giải bằng phân tích nút nên số đo đúng định luật Ohm và các quy tắc nối tiếp, song song. Phỏng theo mô phỏng "Circuit Construction Kit: DC" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

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.

Ba màn hình: Tia tới cho kéo laser qua mặt phân cách hai môi trường (kể cả môi trường bí ẩn phải tự đo để suy ra chiết suất) để đọc góc khúc xạ bằng thước đo góc và tìm điều kiện phản xạ toàn phần; Lăng kính cho kéo lăng kính và laser để thấy ánh sáng trắng tán sắc thành dải màu qua nhiều lần khúc xạ và phản xạ bên trong; Công cụ thêm đầu dò cường độ sáng, chế độ xem dạng sóng và bước sóng laser tuỳ chỉnh. Phỏng theo mô phỏng "Bending Light" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Nguồn U, hai điện trở R1, R2 mắc nối tiếp. Ampe kế chỉ I = U/(R1+R2); electron chạy nhanh hay chậm theo cường độ dòng điện. Hiệu điện thế trên từng điện trở tính theo định luật Ôm.

Chiếu ánh sáng đỏ, lục, lam vào mắt người quan sát và trộn chúng theo tỉ lệ khác nhau để thấy màu cảm nhận thay đổi. Ở màn hình một bóng đèn, chọn đèn trắng hoặc đèn đơn sắc (chỉnh bước sóng), bật kính lọc màu chắn trước chùm sáng và xem ánh sáng ở dạng chùm tia liên tục hoặc từng hạt photon rời rạc. Phỏng theo mô phỏng "Color Vision" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

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.

Hai màn hình: Thấu kính (hội tụ/phân kì, tiêu cự tính từ bán kính cong và chiết suất) và Gương cầu (lõm/lồi/phẳng). Kéo vật để đổi khoảng cách, bật ba tia đặc biệt để dựng ảnh, thêm chùm tia rìa, điểm thứ hai trên vật, thước đo hoặc chế độ nguồn sáng điểm với màn ảnh để thấy vì sao chỉ ảnh thật mới hứng được. Phỏng theo mô phỏng "Geometric Optics" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Chọn vật liệu dây dẫn (bạc, đồng, nhôm, vonfram, sắt, nikelin, nicrom hoặc tự đặt điện trở suất), kéo thanh trượt chiều dài và tiết diện; điện trở R = ρ·L/S hiện ngay, mỗi kí hiệu trong công thức phóng to hay thu nhỏ theo giá trị của nó. Dây vẽ trên canvas dài ra/ngắn lại, to ra/mảnh lại và đổi màu theo vật liệu; chấm mật độ trong thân dây tăng theo điện trở suất. Ghi số liệu vào bảng và xem đồ thị R theo chiều dài để rút ra quy luật tỉ lệ thuận với L, tỉ lệ nghịch với S. Phỏng theo mô phỏng "Resistance in a Wire" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

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.

Thí nghiệm ảo đo chiết suất bằng kính hiển vi di động: ngắm một dấu khi chưa có gì, qua một tấm trong suốt hoặc một lớp chất lỏng, rồi ngắm bột rắc trên mặt trên; đọc R₁, R₂, R₃ trên thước có du xích (độ chính xác 0,001 cm) và tính n = độ sâu thật / độ sâu biểu kiến = (R₃ − R₁)/(R₃ − R₂). Đồ thị độ sâu thật theo độ sâu biểu kiến có hệ số góc n. Màn Gương cầu lõm tìm chỗ ghim không còn thị sai với ảnh của nó (h = R), đổ một ít chất lỏng vào gương rồi tìm lại (h = R′) để có n ≈ R/R′.

Kéo thanh thời gian từ khí quyển sơ khai do núi lửa tạo ra (chủ yếu CO₂ và hơi nước, một ít N₂, gần như không có O₂) tới khí quyển ngày nay (N₂ 78 %, O₂ 21 %, Ar 0,93 %, CO₂ khoảng 0,04 %). Xem hơi nước ngưng tụ thành đại dương, CO₂ tan vào nước biển rồi bị khoá trong đá vôi và nhiên liệu hoá thạch, vi khuẩn lam, tảo và thực vật làm O₂ tăng (sự kiện Oxy hoá lớn), tầng ozone hình thành. Biểu đồ tròn và biểu đồ theo thời gian cập nhật liên tục; bảng nêu quá trình làm thay đổi từng khí.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Sơ đồ tạo ảnh của kính lúp (G = Đ/f khi ngắm chừng ở vô cực, 1 + Đ/f ở điểm cực cận), kính hiển vi (ảnh thật trung gian, G ≈ (δ/fₒ)(Đ/fₑ)) và kính thiên văn khúc xạ hoặc phản xạ (G = fₒ/fₑ khi ngắm chừng ở vô cực). Tiêu chuẩn Rayleigh θ = 1,22λ/D cho biết khi nào hai ngôi sao được phân li theo đường kính vật kính và bước sóng; khả năng thu ánh sáng tỉ lệ với D²; biểu đồ khí quyển cho thấy vùng bức xạ nào cần kính đặt ngoài vũ trụ; kính quang phổ so vạch tối của sao với H, He, Na, Ca, Fe.

Ba màn về vật liệu và phát triển bền vững: sơ đồ đi từ tài nguyên thiên nhiên (dầu mỏ, dầu thực vật, gỗ, quặng bauxite, cát) qua các phản ứng chế biến tới sản phẩm (túi nilon, chai PET, xăng, xà phòng, biodiesel, túi giấy, lon nhôm, chai thuỷ tinh); đánh giá vòng đời so sánh túi nilon với túi giấy, chai PET với chai thuỷ tinh, lon nhôm với chai thuỷ tinh qua năng lượng, CO₂, nước và chất thải ở từng giai đoạn, với số lần dùng lại, quãng đường vận chuyển và cách thải bỏ; và mô hình tái chế cho thấy trữ lượng còn bao nhiêu năm, năng lượng tiết kiệm và số vòng tái chế của kim loại, thuỷ tinh, giấy, nhựa.