Mô phỏng Vật lý Lớp 11

Một dãy phần tử môi trường nhận dao động từ nguồn ở đầu trái; chuyển giữa sóng ngang (phần tử dao động vuông góc phương truyền) và sóng dọc (dao động dọc phương truyền, tạo chỗ nén và giãn). Một phần tử được tô đỏ để thấy nó chỉ dao động quanh vị trí cân bằng; bước sóng λ = v/f, chu kì T và đồ thị li độ của phần tử hiện trực tiếp khi đổi f, A, v.

Bắn đạn theo phương ngang từ đỉnh một ngọn núi rất cao trên Trái Đất 3D. Chuyển động của đạn được tính bằng tích phân số với lực hấp dẫn tỉ lệ 1/r²: tốc độ nhỏ thì đạn rơi trở lại, khoảng 7,9 km/s (sát mặt đất) thì bay quỹ đạo tròn, lớn hơn thì quỹ đạo elip, từ 11,2 km/s trở lên thì thoát khỏi Trái Đất.

Đổi bán kính quỹ đạo của vệ tinh quanh Trái Đất để xem cường độ trường hấp dẫn g = GM/r², tốc độ dài và chu kì quay thay đổi thế nào. Mô phỏng chỉ ra bán kính cho chu kì đúng 24 giờ — quỹ đạo địa tĩnh mà các vệ tinh viễn thông phải dùng để luôn đứng yên so với một điểm trên mặt đất.

Quỹ đạo elip của một hành tinh quanh Mặt Trời với bán trục lớn a và tâm sai e chỉnh được. Các hình quạt tô màu ứng với những khoảng thời gian bằng nhau và có diện tích bằng nhau; hành tinh chạy nhanh ở cận nhật, chậm ở viễn nhật. Bảng số liệu thật của 8 hành tinh và sao chổi Halley kiểm chứng T²/a³ không đổi.

Một sợi dây rời rạc thành 81 hạt, giải phương trình sóng bằng sai phân hữu hạn. Chọn cách tạo sóng ở đầu trái (tự kéo tay, dao động điều hoà, hoặc một xung đơn), chọn kiểu đầu phải (cố định, tự do, hoặc không có đầu để mô phỏng dây dài vô hạn) và chỉnh sức căng, độ giảm chấn để xem sóng truyền, phản xạ đảo pha hay cùng pha, và sóng dừng hình thành. Có chuyển động chậm, chạy từng khung, thước đo và đồng hồ thời gian. Phỏng theo mô phỏng "Wave on a String" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Thí nghiệm ảo mạch gồm nguồn E, điện trở R, tụ điện C và khoá K hai vị trí: gạt K sang 1 để nạp, sang 2 để xả tụ qua R. Vôn kế đo u_C, đồ thị u_C(t) vẽ trực tiếp và tự đánh dấu lúc u đạt mốc 63 % để đo τ, so với τ = RC. Bảng số liệu ghi t, u_C, i, điện tích q = Cu và năng lượng W = Cu²/2.

Hai quả cầu đặt trên một trục, mỗi quả cầu được một người đứng ngoài giữ bằng dây để nó không bị hút lại gần quả kia. Đổi khối lượng m₁, m₂ và khoảng cách hai tâm r bằng thanh trượt hoặc kéo trực tiếp hai quả cầu, quan sát mũi tên lực, độ nghiêng người kéo và giá trị F = G·m₁·m₂/r² cập nhật theo thời gian thực; có thể hiện F dạng khoa học a×10ⁿ hoặc số thập phân, và bật "cỡ quả cầu không đổi" để tách bạch cỡ hình vẽ khỏi khối lượng thật. Phỏng theo mô phỏng "Gravity Force Lab" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Kéo con trỏ dọc thang sóng điện từ (thang logarit) từ sóng vô tuyến tới tia gamma để đọc bước sóng λ, tần số f = c/λ và năng lượng photon E = hf (J và eV). Mỗi miền có nguồn phát, cách thu, ứng dụng, tác hại, cho biết bức xạ có ion hoá không và có xuyên qua khí quyển tới mặt đất không. Màn Máy thu cho thấy cùng một căn phòng qua mắt, camera nhiệt, máy thu vi sóng, phim X quang và máy đếm gamma.

Một nguồn âm (xe có còi) chạy thẳng đều qua người nghe đứng cách đường một khoảng d; các mặt sóng là những vòng tròn phát ra từ các vị trí cũ của nguồn nên dồn sát phía trước và giãn thưa phía sau. Tần số người nghe nhận được f' tính theo thành phần vận tốc dọc đường truyền âm, hiện bằng số và đồ thị f'(t), và phát thành tiếng: âm cao khi nguồn lại gần, trầm dần khi nguồn ra xa. Có thể cho người nghe chuyển động ngược chiều hoặc cùng chiều nguồn.

Treo vật vào lò xo thẳng đứng và quan sát dao động qua bốn màn hình: Giới thiệu, Vector, Năng lượng, Phòng thí nghiệm. Học sinh đổi độ cứng lò xo, khối lượng, lực cản và trọng trường (Trái Đất/Mặt Trăng/Sao Mộc/Hành tinh X); đo độ giãn cân bằng và chu kì bằng thước, đồng hồ bấm giây ảo; theo dõi vector vận tốc, gia tốc, lực đàn hồi, trọng lực và biểu đồ cột động năng - thế năng - nhiệt năng; dùng lò xo đã biết độ cứng để xác định khối lượng vật bí ẩn. Phỏng theo mô phỏng "Masses and Springs" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Bốn màn hình: một nguồn sóng đo biên độ/tần số/bước sóng; hai nguồn kết hợp cho hệ vân giao thoa hình hyperbol, chạm vào mặt sóng để đọc hiệu đường đi và bậc vân; khe Young một/hai khe với đồ thị cường độ trên màn quan sát; nhiễu xạ qua khe hẹp hoặc lỗ tròn. Mô hình tính bằng chồng chập các sóng tròn kết hợp theo nguyên lí Huygens, không phải hình vẽ dựng sẵn. Phỏng theo mô phỏng "Wave Interference" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại. Phỏng theo mô phỏng "Waves Intro" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Cho Mặt Trời, Trái Đất, Mặt Trăng hoặc vệ tinh hút nhau bằng lực hấp dẫn thật (khối lượng, khoảng cách SI, tích phân số velocity-Verlet), quan sát quỹ đạo hình thành từ vectơ lực và vận tốc; kéo vật hoặc đầu mũi tên vận tốc khi tạm dừng để đổi điều kiện đầu, tắt lực hấp dẫn để thấy vật bay thẳng. Chuyển giữa hiển thị phóng đại kích thước và đúng tỉ lệ thật; đổi khối lượng vật trung tâm/vật quay quanh để thấy quỹ đạo và chu kì thay đổi theo định luật Kepler. Phỏng theo mô phỏng "Gravity and Orbits" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Ba màn hình: Giới thiệu (một hoặc hai con lắc, đổi chiều dài dây, khối lượng, gia tốc trọng trường, ma sát, kéo thả đặt góc, thước đo, đồng hồ bấm giờ, bộ đo chu kì, vectơ vận tốc–gia tốc), Năng lượng (biểu đồ cột động năng – thế năng – nhiệt) và Phòng thí nghiệm (đo chu kì để tìm gia tốc trọng trường của một hành tinh bí ẩn). Mô hình dao động phi tuyến đầy đủ θ'' = −(g/L)·sinθ − lực cản, tích phân bằng RK4. Phỏng theo mô phỏng "Pendulum Lab" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Con lắc lò xo nối với cần rung tạo ngoại lực tuần hoàn F = F₀cos(2πft). Học sinh thấy giai đoạn chuyển tiếp rồi dao động ổn định với tần số f của ngoại lực, kéo f qua lại để dựng đường cộng hưởng A(f) có đỉnh tại tần số riêng f₀. Đổi lực cản để thấy đỉnh cộng hưởng nhọn hay tù; tắt ngoại lực để thấy dao động tắt dần.

Hai điện tích đặt trên một trục, kéo trực tiếp hoặc dùng thanh trượt để đổi độ lớn (kể cả dấu) của q₁, q₂ và khoảng cách r giữa chúng; lực Coulomb hiện trên mũi tên và bằng số, đổi màu và hướng theo hai điện tích cùng dấu (đẩy nhau) hay trái dấu (hút nhau). Màn hình Vĩ mô dùng đơn vị micro-Coulomb và mét như điện tích tĩnh điện ngoài đời; màn hình Nguyên tử thu nhỏ về đơn vị điện tích nguyên tố e và khoảng cách picomét như trong nguyên tử, phân tử. Có thể hiện lực dạng khoa học a×10ⁿ hoặc số thập phân, và bật "cỡ điện tích không đổi" để tách bạch cỡ hình vẽ khỏi độ lớn điện tích thật. Phỏng theo mô phỏng "Coulomb's Law" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Bốn màn hình: Định luật I (kéo trực tiếp vị trí và vận tốc của hành tinh, elip được tính lại ngay, dựng elip bằng đinh và dây), Định luật II (chia quỹ đạo thành các khoảng thời gian bằng nhau, đo diện tích từng hình quạt), Định luật III (tự thêm điểm vào đồ thị T² theo a³, so với hành tinh thật) và Phòng thí nghiệm (đổi khối lượng sao, nhiều hành tinh cùng lúc). Vận tốc quá lớn cho quỹ đạo hở, sim báo rõ thay vì vẽ elip sai. Phỏng theo mô phỏng "Kepler's Laws" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Ba chuyên đề học tập của Vật lí 11 trong một mẫu, chọn bằng tham số chuyên đề. Trường hấp dẫn: kéo để đổi bán kính quỹ đạo của vệ tinh quanh Trái Đất, xem gia tốc trọng trường g = GM/r², tốc độ dài và chu kì quay, tìm quỹ đạo địa tĩnh. Truyền thông tin bằng sóng vô tuyến: xem tín hiệu âm tần, sóng mang và sóng đã điều biên AM hoặc điều tần FM chạy theo thời gian. Mở đầu điện tử học: mạch chỉnh lưu nửa chu kì hoặc cả chu kì, thêm tụ lọc để thấy điện áp một chiều bớt nhấp nhô.

Thí nghiệm ảo về phân cực: ánh sáng đèn đi qua kính phân cực và kính phân tích, xoay kính phân tích rồi đọc máy đo ánh sáng để kiểm tra định luật Malus I = I₀cos²θ, có bảng số đo, đồ thị I theo θ và theo cos²θ, có thể chèn kính thứ ba ở giữa hoặc đổi sang vi sóng với lưới kim loại. Màn Sóng qua khe cho thấy vì sao chỉ sóng ngang bị phân cực; màn Phản xạ tính hệ số phản xạ Fresnel, góc Brewster và tác dụng của kính râm phân cực.

Súng tăng tốc electron, proton hoặc hạt alpha qua hiệu điện thế Uₐ (|q|Uₐ = ½mv²), rồi hai bản song song có hiệu điện thế U, cách nhau d tạo điện trường đều E = U/d làm chùm hạt lệch theo đường parabol. Số đo hiện tốc độ, thời gian bay giữa hai bản, góc lệch, vị trí vết sáng trên màn và động năng theo eV. Bật thêm từ trường B để cân bằng lực điện (v = E/B) và đo q/m theo cách của Thomson.

Đổi diện tích bản tụ, khoảng cách hai bản và hiệu điện thế của pin để xem điện dung C, điện tích Q và năng lượng W của tụ điện phẳng cập nhật theo thời gian thực. Ngắt pin để thấy điện tích giữ nguyên còn hiệu điện thế tự đổi theo hình học tụ. Màn hình thứ hai cho nạp tụ rồi chuyển sang xả qua bóng đèn, quan sát dòng điện và độ sáng giảm dần theo hàm mũ. Phỏng theo mô phỏng "Capacitor Lab: Basics" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Chạm nút để lấy điện tích +1 nC hoặc −1 nC từ kho, kéo tới bất kỳ đâu trên vùng vẽ (tối đa 20 hạt); lưới vectơ điện trường và bản đồ màu điện thế tự cập nhật quanh hệ điện tích. Kéo đầu đo để đọc độ lớn, hướng của điện trường tại một điểm; kéo hai que vôn kế để đo hiệu điện thế; dùng thước dây đo khoảng cách. Bật công cụ vẽ đường đẳng thế rồi chạm vào vùng vẽ để dò và vẽ một đường đẳng thế, có nhãn giá trị điện thế. Phỏng theo mô phỏng "Charges and Fields" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Ống thuỷ tinh chứa nước, âm thoa 256–512 Hz rung ở miệng ống. Kéo mặt nước để đổi chiều dài cột khí L: âm to hẳn lên khi L + e = (2n − 1)·λ/4, thấy trên đồng hồ độ to, đồ thị độ to theo L và hình sóng dừng trong ống, nghe được qua nút loa. Ghi hai vị trí cộng hưởng liên tiếp để tính λ = 2(L₂ − L₁) và tốc độ âm v = λf.

Hai điện tích điểm q₁, q₂ cách nhau d. Vẽ đường sức điện, lực Coulomb F = k|q₁q₂|/r² giữa hai điện tích và vectơ cường độ điện trường E = E₁ + E₂ tại điểm thử. Kéo điểm thử đi khắp mặt phẳng để thấy E đổi hướng và độ lớn; kéo hai điện tích để đổi khoảng cách.

Vật nặng m gắn lò xo độ cứng k, kéo ra biên độ A rồi thả. Quan sát vật dao động và đồ thị li độ x(t); chu kỳ T = 2π√(m/k) hiện ngay để so sánh khi đổi m, k.