Mô phỏng Trung học phổ thông

Electron tự do trong dây kim loại chuyển động hỗn loạn với tốc độ cỡ 10⁵ m/s và va chạm với các ion dao động của mạng tinh thể; khi có dòng điện, chúng trôi thêm rất chậm ngược chiều điện trường. Đổi cường độ dòng điện, tiết diện, kim loại và nhiệt độ để đọc tốc độ trôi v = I/(neS), điện trường E = ρJ, thời gian trung bình giữa hai va chạm τ và độ linh động μ = v/E, và thấy vì sao kim loại nóng hơn có điện trở suất ρ = m/(ne²τ) lớn hơn.

Mô hình 3D xoay được: đặt điện tích điểm, dây thẳng tích điện, mặt phẳng tích điện hoặc vỏ cầu tích điện, rồi chọn mặt Gauss là mặt cầu, mặt trụ hay hộp, đổi cỡ, nghiêng và dời mặt. Mô phỏng tính số thông lượng Φ = ∮E·dA qua mặt và so với q_trong/ε₀. Màn Mặt phẳng cho thấy Φ = EA·cos θ khi xoay một mặt phẳng trong điện trường đều; màn Đối xứng → E suy ra E của điện tích điểm, dây thẳng (λ/(2πε₀r)), mặt phẳng (σ/(2ε₀)) và vỏ cầu (0 bên trong, kQ/r² bên ngoài).

Ghép mọi đơn vị SI từ lũy thừa của bảy đơn vị cơ bản và thấy các đơn vị dẫn xuất như niutơn, jun, oát, paxcan, vôn được suy ra từ công thức định nghĩa. Đổi tiền tố từ nanô tới giga trên thang lũy thừa của 10, kiểm tra một công thức có đúng thứ nguyên không, và suy ra dạng công thức chu kì con lắc đơn từ thứ nguyên trước khi đo hệ số 2π.

Điện kế khung quay trong từ trường xuyên tâm: momen lực từ NBIA tác dụng lên khung cân bằng với momen cản kθ của lò xo xoắn, nên góc lệch θ = (NBA/k)·I tỉ lệ với cường độ dòng điện. Đo điện trở của điện kế bằng phương pháp nửa độ lệch và tìm giá trị một độ chia, rồi chuyển điện kế thành ampe kế bằng điện trở sơn, thành vôn kế bằng điện trở phụ mắc nối tiếp và thành ôm kế có thang chia không đều, so sánh với đồng hồ chuẩn trong bảng số liệu.

Phòng thí nghiệm ảo phân tích có hệ thống một muối đơn: thử sơ bộ (hình dạng, pha dung dịch gốc, nung khô, thử màu ngọn lửa), tìm anion theo nhóm (nhóm H₂SO₄ loãng: CO₃²⁻, S²⁻, SO₃²⁻, NO₂⁻, CH₃COO⁻; nhóm H₂SO₄ đặc: Cl⁻, Br⁻, I⁻, NO₃⁻ với phép thử vòng nâu, C₂O₄²⁻; nhóm độc lập: SO₄²⁻, PO₄³⁻) và tìm cation theo sơ đồ nhóm 0–VI với thuốc thử nhóm và phép thử khẳng định (NH₄⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Fe³⁺, Al³⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Mg²⁺, sau cùng Na⁺, K⁺ bằng màu ngọn lửa). Mỗi phép thử thêm một dòng vào bảng thí nghiệm – hiện tượng – kết luận; muối chưa biết chọn ngẫu nhiên cho kết quả nhất quán qua cả sơ đồ.

Bốn màn liên kết về tầng ozone. Tia UV: ánh sáng Mặt Trời đi qua cột ozone tự chọn; UV-C bị hấp thụ hết, UV-B một phần, UV-A gần như đi qua, phổ ở mặt đất và chỉ số UV đổi theo lượng ozone và độ cao Mặt Trời. Chlorine: trong một hộp không khí tầng bình lưu, tia UV làm vỡ phân tử CFC, mỗi nguyên tử chlorine phá huỷ ozone hết lần này đến lần khác (Cl + O₃ → ClO + O₂, ClO + O → Cl + O₂) cho tới khi bị giữ lại trong chất dự trữ như HCl; so sánh với nitrogen oxide sinh ra từ N₂O. Lỗ thủng ozone: bản đồ vùng cực và đồ thị theo mùa cho thấy lỗ thủng trên châu Nam Cực mở ra vào mùa xuân sau khi mây tầng bình lưu vùng cực giải phóng chlorine, còn ở Bắc Cực ozone giảm ít hơn nhiều. Nghị định thư Montreal: chlorine, ozone và chỉ số UV từ 1950 đến 2100 khi có Nghị định thư và các bản sửa đổi, chỉ có Nghị định thư 1987, hoặc không có Nghị định thư.

Bài thực hành ảo với mười mẫu khoáng vật chưa biết tên. Vạch mẫu bằng móng tay, đồng xu đồng, tấm kính và giũa thép để xếp mẫu trên thang Mohs, cọ lên tấm sứ để xem vết vạch, quan sát ánh, đập búa để thấy cát khai hay vết vỡ, cân khối lượng và đo thể tích bằng nước dâng để tính khối lượng riêng, nhỏ axit HCl loãng và đưa nam châm lại gần. Mỗi kết quả điền vào bảng quan sát và tô sáng khoá phân loại để gọi tên thạch anh, fenspat, mica, canxit, thạch cao, halit, galen, pirit, magnetit và hematit. Màn Đá xếp mười bốn loại đá vào nhóm magma, trầm tích hay biến chất theo cấu tạo dưới kính lúp; màn thứ ba cho thấy bảy hệ tinh thể bằng mô hình xoay được.

Thả bóng thám không hoặc phóng tên lửa thám không lên xuyên qua tầng đối lưu, tầng bình lưu, tầng giữa và tầng nhiệt: máy đo ghi nhiệt độ, khí áp và lượng ozone ở từng độ cao vào bảng, đồ thị cho thấy nhiệt độ giảm, tăng rồi lại giảm và tăng theo độ cao, còn khí áp giảm khoảng một nửa sau mỗi 5,5 km. Cột khí quyển đánh dấu nơi có mây và thời tiết, máy bay, tầng ozone, sao băng, cực quang; thanh dưới cùng cho biết thành phần không khí ở độ cao đang xét. Đổi vĩ độ (nhiệt đới, ôn đới, cực) để thấy đỉnh tầng đối lưu cao thấp khác nhau, giảm lượng ozone để thấy vì sao tầng bình lưu nóng lên và tia UV xuống mặt đất tăng ra sao.

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.

Chia một công việc thành nhiều tác vụ với phần song song p, rồi chạy tuần tự trên một nhân, song song trên n nhân hoặc phân tán qua nhiều máy tính nối mạng có thời gian truyền dữ liệu. Biểu đồ Gantt cho thấy từng nhân làm gì, đồ thị tăng tốc theo n bám định luật Amdahl S = 1/((1 − p) + p/n) và giới hạn 1/(1 − p); bảng ghi lại các lần chạy. Thẻ GPU cho bộ lọc ảnh chạy trên vài nhân CPU nhanh và nhiều nhân GPU đơn giản; thẻ Đường ống lệnh cho các giai đoạn nạp – giải mã – thực hiện chồng lên nhau và bị dừng một nhịp vì xung đột dữ liệu.

Sáu loài sống chung một vùng chịu khí hậu nóng lên, mất môi trường sống hoặc một thảm hoạ đột ngột. Chỉnh tốc độ biến đổi, thời gian thế hệ và mức biến dị di truyền của từng loài để xem loài nào thích nghi kịp, loài nào phải dời vùng phân bố và loài nào bị tuyệt chủng. Màn Thời gian địa chất cho thấy tuyệt chủng nền so với tuyệt chủng hàng loạt, số loài mất đi và loài mới qua hàng chục triệu năm, và bức xạ thích nghi của các dòng sống sót.

Thí nghiệm ảo: đốt sodium, magnesium, aluminium, silicon, phosphorus và sulfur trong oxygen, cho từng oxide vào nước có chất chỉ thị vạn năng rồi thử với dung dịch HCl và NaOH. Bảng kết quả, phương trình hoá học và biểu đồ xu hướng cho thấy Na₂O, MgO là oxide base, Al₂O₃ (và ZnO để so sánh) là oxide lưỡng tính, SiO₂, P₂O₅, SO₂ là oxide acid, gắn với sự chuyển từ mạng tinh thể ion sang mạng tinh thể nguyên tử rồi phân tử.

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.

Thí nghiệm ảo với đèn, giá đặt mẫu và máy đo ánh sáng (lux kế). Màn Vật liệu: chiếu chùm sáng vào kính trong, kính mờ, giấy can, bìa trắng, bìa đen, giấy bóng, gương và kính lọc màu, xoay máy đo quanh mẫu để đo ánh sáng truyền qua và phản xạ, phân biệt phản xạ gương với phản xạ khuếch tán. Màn Khoảng cách: dịch máy đo xa dần một bóng đèn nhỏ để kiểm tra độ rọi tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách, có trừ phông nền, bảng số đo và đồ thị tuyến tính hoá.

Chọn hàm số f rồi xem bảng giá trị và dấu của f trên một khoảng, phóng to dần để khoanh nghiệm, kèm các trường hợp phương pháp đổi dấu sai (tiệm cận đứng, nghiệm kép, hai nghiệm trong một bước). Chạy từng bước phương pháp chia đôi, phương pháp lặp xₙ₊₁ = g(xₙ) với hình bậc thang hoặc mạng nhện và điều kiện |g′(α)| < 1, và phương pháp Newton – Raphson với các tiếp tuyến, phương pháp Heron tính √a cùng các trường hợp thất bại; bảng lặp cho thấy tốc độ hội tụ.

Phương vị ba chữ số đo từ hướng bắc theo chiều kim đồng hồ và phương vị ngược (±180°). Màn Hành trình vẽ theo tỉ lệ một đường đi gồm 1–3 chặng (phương vị và quãng đường), tính quãng đường và phương vị quay về điểm xuất phát bằng định lí côsin, định lí sin hoặc thành phần đông – bắc; kéo trên bản đồ để đo. Có thử thách lái tàu tới đảo và màn góc nâng, góc hạ với ngọn hải đăng và thuyền.

Chọn hàm số (sin x, cos x, eˣ, ln(1 + x), 1/(1 − x), arctan x), tâm khai triển a và bậc n để xem đa thức Taylor bám dần vào đồ thị. Đồ thị sai số theo thang logarit có cận Lagrange, dải sai số ±ε và khoảng hội tụ được tô màu; bảng liệt kê đạo hàm f⁽ᵏ⁾(a) và từng số hạng. Màn Góc nhỏ so sánh sin θ ≈ θ, cos θ ≈ 1 − θ²/2 và tan θ ≈ θ cùng sai số tương đối theo θ tính bằng radian.

Viết quy tắc cho tường lửa lọc gói tin (cho phép hoặc chặn theo hướng, giao thức, địa chỉ IP nguồn và cổng đích; quy tắc đầu tiên khớp sẽ quyết định; mặc định chặn) rồi xem lưu lượng web, thư điện tử, SSH, trò chơi và lưu lượng lạ được cho qua hay bị chặn, đối chiếu với 7 mục tiêu bảo mật. Sau đó cấp quyền đọc, ghi, chạy cho từng nhóm người dùng trên tệp và thư mục theo nguyên tắc đặc quyền tối thiểu, thử xem ai làm được gì và đọc nhật kí truy cập.

Theo dõi dữ liệu của một ứng dụng (HTTP, HTTPS, SMTP, POP3, IMAP, FTP, DNS hay cuộc gọi video) được đóng gói qua từng tầng – dữ liệu, đoạn TCP hoặc gói UDP có số cổng, gói tin IP có địa chỉ IP, khung Wi-Fi hoặc Ethernet có địa chỉ MAC – đi qua các bộ định tuyến và bộ chuyển mạch rồi được mở gói ở máy nhận. So sánh mô hình 4 tầng TCP/IP với mô hình 7 tầng OSI, quan sát địa chỉ MAC đổi ở mỗi chặng còn địa chỉ IP giữ nguyên, và tăng tỉ lệ mất gói để thấy TCP gửi lại đoạn bị mất còn UDP thì không.

Nhập các tiến trình với thời điểm đến, thời gian xử lí và độ ưu tiên, chọn FCFS, SJF, SRTF, xoay vòng (đặt lượng tử thời gian) hoặc lập lịch ưu tiên rồi xem biểu đồ Gantt chạy từng đơn vị thời gian cùng hàng đợi sẵn sàng và sơ đồ trạng thái tiến trình. Bảng kết quả tính thời gian chờ, thời gian lưu lại hệ thống, thời gian đáp ứng và số lần chuyển ngữ cảnh; bảng so sánh đặt sáu thuật toán cạnh nhau. Thẻ Bế tắc cho hai hoặc ba tiến trình tranh tài nguyên, vẽ đồ thị cấp phát tài nguyên và cho thấy xin tài nguyên theo cùng một thứ tự ngăn được vòng chờ.

Chạy từng bước một hàm đệ quy (giai thừa, Fibonacci, tổng danh sách, tìm kiếm nhị phân, bài toán tháp chuyển đĩa, sắp xếp trộn): ngăn xếp lời gọi lớn dần rồi rút lại, cây lời gọi ghi lại mọi lời gọi, trường hợp cơ sở và giá trị trả về. So sánh Fibonacci đệ quy thường với ghi nhớ (memoisation) và với vòng lặp, bỏ trường hợp cơ sở để thấy tràn ngăn xếp, xem mã Python hoặc mã giả.

Bắt đầu từ một bảng phẳng chứa dữ liệu lặp lại, thử các dị thường khi cập nhật, chèn và xoá, rồi đi từng bước qua 1NF, 2NF và 3NF: bảng tách ra, khoá chính và khoá ngoài hiện rõ, các phụ thuộc bộ phận và bắc cầu được loại bỏ. Sơ đồ thực thể – liên kết (ER) kí hiệu chân quạ đổi theo từng bước, biểu đồ đếm số giá trị lưu và số bản sao lặp, câu lệnh SQL có JOIN ghép các bảng lại và chứng tỏ không mất thông tin.

Theo dõi xung thần kinh qua xináp hoá học: điện thế hoạt động tới chuỳ xináp, kênh Ca²⁺ mở, túi xináp giải phóng acetylcholine (hoặc dopamine) ra khe xináp, chất trung gian gắn thụ thể làm Na⁺ đi vào và gây điện thế sau xináp, rồi acetylcholinesterase phân giải hoặc chất vận chuyển thu hồi nó. Thêm nicotine, neonicotinoid, curare, thuốc trừ sâu lân hữu cơ, độc tố botulinum hay cocaine để thấy mỗi chất tác động vào bước nào; xem dùng thuốc lặp lại làm giảm số thụ thể, gây nhờn thuốc và lệ thuộc. Màn hình cộng gộp cho bấm các xináp kích thích và ức chế để đạt ngưỡng ở gò sợi trục; màn hình cung phản xạ tính thời gian phản xạ.

Chạm vào hình não vẽ giản lược, nhìn từ bên hoặc cắt dọc giữa, để tìm các vùng vỏ não (vận động, cảm giác thân thể, thị giác, thính giác, vùng Broca, vùng Wernicke, vỏ não trước trán), tiểu não, hành não, vùng dưới đồi, hồi hải mã và các cấu trúc khác. Tìm hiểu nghiên cứu tổn thương, kích thích điện, điện não đồ (EEG), chụp cộng hưởng từ chức năng (fMRI) và chụp PET cho biết chức năng từng vùng ra sao, và mỗi phương pháp có hạn chế gì. Màn vỏ não vận động cho thấy bản đồ cơ thể (người tí hon) thay đổi khi luyện tập và hồi phục sau đột quỵ; màn xináp cho thấy tăng cường dài hạn (LTP), sự củng cố xináp khi học tập.