Mô phỏng Vật lý Lớp 12

Năm màn hình thí nghiệm về cảm ứng điện từ: nam châm thẳng với la bàn và đầu đo từ trường; đưa nam châm qua cuộn dây thu để làm bóng đèn sáng (thấy cả electron chạy trong mạch); nam châm điện đổi cực bằng nguồn một chiều hoặc xoay chiều; máy biến áp cho thấy tỉ số điện áp bằng tỉ số vòng dây khi hai cuộn ghép sát lõi; máy phát điện quay bằng dòng nước. Phỏng theo mô phỏng "Faraday's Electromagnetic Lab" và "Generator" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Chùm tia X đi qua các lớp mô khác nhau: mô mềm hấp thụ ít, xương hấp thụ nhiều nên ảnh in lên phim có độ tương phản. Chỉnh điện áp ống phát, bề dày mô và loại mô để thấy định luật hấp thụ I = I₀·e^(−µx) quyết định chất lượng ảnh, cùng lí do phải cân nhắc liều chiếu cho bệnh nhân.

Ấm đun điện công suất P đun m kg nước đá từ −10 °C cho tới khi tan hết, sôi và hoá hơi hết. Nhiệt kế và đồng hồ bấm giây cho đồ thị T(t) có hai đoạn nằm ngang ở 0 °C và 100 °C. Từ thời gian của hai đoạn này học sinh tính λ = P·Δt/m và L = P·Δt/m, so với 3,34·10⁵ J/kg và 2,26·10⁶ J/kg và thấy ảnh hưởng của nhiệt hao phí.

Chế độ Dây dẫn: đoạn dây dài l mang dòng điện I đặt trong từ trường đều B hợp góc α, lực từ F = BIl·sinα xác định bằng quy tắc bàn tay trái; kéo để xoay dây và thấy F thay đổi. Chế độ Hạt: hạt tích điện (proton hoặc electron) bay vào từ trường vuông góc, lực Lorentz f = |q|vB làm hạt chuyển động tròn bán kính r = mv/(|q|B), chu kì T = 2πm/(|q|B).

Mô hình 3D xoay được về đường sức từ quanh dây dẫn thẳng dài (các đường tròn đồng tâm, quy tắc nắm tay phải), vòng dây tròn và ống dây. Học sinh chỉnh cường độ I, đổi chiều dòng điện, kéo đầu dò để đổi khoảng cách r; các kim nam châm nhỏ trên mặt phẳng tự quay theo chiều B, độ lớn B = 2·10⁻⁷ I/r (dây thẳng), 2π·10⁻⁷ I/R (tâm vòng dây), 4π·10⁻⁷ nI (trong lòng ống dây) cập nhật liên tục.

Kéo thanh nam châm vào hoặc ra khỏi ống dây N vòng nối với điện kế (hoặc để nam châm tự chuyển động). Kim điện kế lệch tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông, đổi chiều khi đổi chiều chuyển động hoặc đổi cực; nam châm đứng yên thì kim về 0. Đồ thị từ thông Φ(t) và suất điện động e = −N·ΔΦ/Δt chạy liên tục, chiều dòng cảm ứng theo định luật Lenz hiện ngay trên ống dây.

Tự lắp mạch bằng kéo thả: nguồn xoay chiều, pin, dây dẫn, điện trở, bóng đèn, công tắc, tụ điện, cuộn cảm, cầu chì. Electron dao động qua lại theo nguồn, bóng đèn sáng theo công suất tức thời; vôn kế, ampe kế, đồ thị điện áp – thời gian và dòng điện – thời gian cho thấy u và i lệch pha trên tụ điện và cuộn cảm, còn pin, công tắc và đồng hồ bấm giờ cho thấy tụ nạp với hằng số thời gian τ = RC. Phỏng theo mô phỏng "Circuit Construction Kit: AC" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Các phân tử khí chuyển động hỗn loạn trong xi-lanh có pit-tông. Kéo pit-tông để đổi thể tích, trượt thanh nhiệt độ để đun nóng hoặc làm lạnh; áp suất p = nRT/V hiện ngay cùng đồ thị trạng thái (đẳng nhiệt p–V, đẳng tích p–T hoặc đẳng áp V–T) với đường lí thuyết và vết các trạng thái đã đi qua.

Vật 1 (kim loại, nước hoặc nước đá 0 °C) khối lượng m₁ ở nhiệt độ T₁ được thả vào nước m₂ ở T₂ trong nhiệt lượng kế. Nhiệt truyền từ vật nóng sang vật lạnh cho tới khi cân bằng; đồ thị T(t) hai vật, nhiệt lượng Q toả = Q thu = mcΔT hiện liên tục. Với nước đá thấy rõ đoạn nằm ngang 0 °C khi tan (nhiệt nóng chảy). Kéo thanh trượt T₁, T₂ để làm lại.

Đun nóng, làm lạnh, nén và bơm thêm hạt neon, argon, oxygen hoặc nước để xem chúng sắp xếp lại giữa thể rắn, lỏng, khí; mỗi hạt chuyển động thật theo lực hút–đẩy giữa các phân tử (thế năng Lennard-Jones), không phải hoạt cảnh dựng sẵn. Màn Trạng thái cho đun/làm lạnh trong bình kín có nắp bật mở khi quá nóng; màn Chuyển pha cho nén bằng pit-tông kéo tay, bơm thêm hạt, đọc áp kế và giản đồ pha, bình có thể nổ nếu nén quá mạnh khi đang nóng; màn Thế năng tương tác so sánh độ sâu giếng thế năng của bốn chất để giải thích vì sao nhiệt độ sôi khác nhau. Phỏng theo mô phỏng "States of Matter" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Bơm hạt helium (nhẹ) hoặc argon (nặng) vào bình rồi xem chúng va chạm đàn hồi với nhau và với thành bình. Màn Bình khí cho đun, làm lạnh, kéo thành bình đổi thể tích hoặc giữ cố định thể tích, nhiệt độ, áp suất rồi đọc áp kế và nhiệt kế; màn Động năng vẽ phân bố tốc độ, động năng và so sánh động năng trung bình của hai loại khí; màn Khuếch tán cho mở vách ngăn giữa hai khí để thấy chúng tự trộn lẫn. Phỏng theo mô phỏng "Gas Properties", "Gases Intro" và "Diffusion" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Mô hình 3D xoay được: điện tích dao động trong anten lưỡng cực nửa bước sóng phát ra sóng điện từ, điện trường E và từ trường B vuông góc với nhau và với phương truyền, dao động cùng pha, truyền với tốc độ c = 1/√(μ₀ε₀). Đổi tần số để thấy bước sóng λ = c/f thay đổi và vị trí trên thang sóng điện từ, xoay anten thu để thấy tín hiệu tỉ lệ cos θ, đặt khối vật liệu chiết suất n để sóng chậm lại còn v = c/n.

Thêm bớt proton và neutron bằng nút bấm để dựng một hạt nhân, đọc kí hiệu nguyên tố, số khối A = Z + N và độ bền; hạt nhân không bền hiện chu kì bán rã trên thang thời gian log và một nút phân rã (alpha, beta trừ, beta cộng, phát proton hoặc phát neutron) tương ứng, bấm để xem hạt nhân con — có thể tiếp tục không bền và phân rã tiếp. Màn hình Biểu đồ hạt nhân vẽ lưới N–Z tô màu theo kiểu phân rã, kẻ đậm ba số magic 2, 8, 20, chạm một ô để chọn hạt nhân đó. Phỏng theo mô phỏng "Build a Nucleus" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Kéo hoặc nén pít-tông trong xi lanh kín ở nhiệt độ không đổi. Áp suất đo được luôn thỏa p·V = hằng số; đồ thị p–V là đường hypebol còn p–(1/V) là đường thẳng qua gốc, đúng như cách nhận ra định luật Boyle từ số liệu thí nghiệm.

Khí lí tưởng chạy chu trình Carnot, Otto hoặc Diesel giữa nguồn nóng T₁ và nguồn lạnh T₂ trên đồ thị p–V. Biểu đồ Sankey cho thấy Q₁ nhận vào, công A và Q₂ toả ra; hiệu suất H = A/Q₁ luôn nhỏ hơn giới hạn Carnot 1 − T₂/T₁, kèm biến thiên entropy ΔS = Q/T ở mỗi nguồn. Chế độ đảo chiều cho máy lạnh và bơm nhiệt với hệ số COP.

Khung dây N vòng quay giữa hai cực nam châm, nối với nguồn qua cổ góp hai nửa vành khuyên và chổi quét. Thay đổi cường độ dòng điện, cảm ứng từ, số vòng dây, diện tích khung và tải để xem lực từ lên từng cạnh, momen M = NBIS·cosθ, tốc độ quay và vì sao cổ góp phải đổi chiều dòng điện mỗi nửa vòng. Có góc nhìn dọc trục, quy tắc bàn tay trái, đồ thị momen theo góc, tốc độ và dòng điện theo thời gian, chế độ nguồn hiệu điện thế với suất phản điện, so sánh với hai vành khuyên liền của máy phát điện xoay chiều, và bảng ghi số đo.

Ba thí nghiệm ảo về truyền nhiệt. A: đun một đầu thanh kim loại (đồng, nhôm, đồng thau, sắt, thép, thuỷ tinh), đo thời gian các đinh gắn sáp rơi, xem đồ thị nhiệt độ dọc thanh và công suất nhiệt vào, ra cho tới trạng thái dừng P = kAΔT/L. B: tường gồm ba lớp ghép nối tiếp, tính nhiệt trở R = e/(λA), thông lượng nhiệt Φ = ΔT/R và nhiệt độ ở mỗi mặt tiếp giáp. C: dòng đối lưu trong cốc nước có tinh thể kali pemanganat và trong hộp khói có nến, đo thời gian màu hoặc khói đi hết vòng.

Kéo thanh nhiệt độ hoặc chọn vật mẫu có sẵn (Trái Đất, lò nướng, bóng đèn dây tóc, Mặt Trời, Sirius A) để xem đường cong bức xạ Planck đổi cả độ cao lẫn vị trí đỉnh. Đọc bước sóng đỉnh theo định luật Wien, tổng cường độ bức xạ theo định luật Stefan-Boltzmann, màu vật phát sáng theo nhiệt độ, lưu nhiều đường cong để so sánh và đo bước sóng bằng thước kéo được trên đồ thị. Phỏng theo mô phỏng "Blackbody Spectrum" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Cột khí bị giam trong ống thuỷ tinh nhỏ bởi một giọt thuỷ ngân, đặt trong cốc nước được đun nóng hoặc làm lạnh. Giọt thuỷ ngân tự dịch chuyển để áp suất khí không đổi; học sinh đọc nhiệt độ và thể tích, ghi bảng số liệu và vẽ đồ thị V theo t. Kéo dài đường thẳng qua các điểm đo, nó cắt trục nhiệt độ ở khoảng −273 °C (0 K), còn V/T luôn là hằng số.

Dựng ống dây (số vòng, chiều dài, bán kính, lõi sắt) để có L = μ₀μN²S/l, rồi đóng ngắt mạch RL: dòng điện tăng giảm theo hàm mũ với τ = L/R, suất điện động tự cảm e = −L·di/dt, năng lượng ½Li²; đèn sáng chậm khi đóng và loé sáng khi ngắt. Thêm màn dòng tam giác (đo L từ u_L = L·di/dt), màn hỗ cảm có và không có lõi sắt, và màn so sánh điện trở một chiều với tổng trở xoay chiều của cuộn dây.

Thí nghiệm ảo đo nhiệt độ theo thời gian. A: cốc nước nóng bọc bông, màng bong bóng khí, giấy báo, nỉ hoặc xốp với số lớp tuỳ chọn, có hoặc không có nắp, bề mặt ngoài đen, trắng hoặc bạc bóng; đọc nhiệt kế mỗi 30 s trong 20 phút, vẽ đường nguội, khớp hàm mũ T − Tₐ = (T₀ − Tₐ)e^(−t/τ) để so sánh các vật liệu theo hằng số thời gian τ. B: đường nguội của axit stearic, salol và sáp parafin trong ống nghiệm: đoạn nằm ngang tại nhiệt độ đông đặc và ước lượng nhiệt nóng chảy riêng.

Đồ thị năng lượng liên kết riêng Wlk/A theo số khối A dựng từ khối lượng thật của khoảng 30 hạt nhân, từ ²H đến ²³⁸U, đỉnh ở vùng ⁵⁶Fe – ⁶²Ni. Chọn một hạt nhân để thấy Z, N, độ hụt khối Δm, Wlk = Δm·c² và Wlk/A. Hoạt hình phân hạch ²³⁵U và nhiệt hạch D + T cho thấy năng lượng toả ra khoảng 200 MeV và 17,6 MeV vì sản phẩm nằm cao hơn trên đường cong.

N₀ hạt nhân mẹ (đỏ) phân rã ngẫu nhiên thành hạt nhân con (xám), mỗi hạt có cùng xác suất phân rã trong một đơn vị thời gian. Đồ thị số hạt nhân còn lại N(t) từ mô phỏng so với đường lí thuyết N = N₀·2^(−t/T); hằng số phóng xạ λ = ln2/T và độ phóng xạ H = λN hiện liên tục. Kéo con trỏ trên đồ thị để đọc N tại thời điểm bất kì.

Ba chuyên đề học tập của Vật lí 12 trong một mẫu, chọn bằng tham số chuyên đề. Dòng điện xoay chiều: mạch R, L, C nối tiếp với đồ thị u và i lệch pha, giản đồ vectơ và đường cộng hưởng I theo tần số. Ứng dụng vật lí trong chẩn đoán y học: chùm tia X đi qua mô mềm và xương cho ảnh X quang theo định luật hấp thụ I = I₀e^(−μx), hoặc xung siêu âm phản xạ ở mặt phân cách để đo độ sâu. Vật lí lượng tử: chiếu ánh sáng có bước sóng chọn được vào kim loại, xem hiện tượng quang điện xảy ra hay không và động năng ban đầu cực đại của electron.