Kho mô phỏng mở

Cầu dây gồm sợi dây đồng chất dài 100 cm, hộp điện trở R ở một khe và vật cần đo Rₓ ở khe kia. Kéo con chạy dọc dây tới khi điện kế chỉ 0: tại điểm cân bằng R/Rₓ = l/(100 − l). Đổi chỗ R và Rₓ rồi lấy trung bình để khử sai số ở hai đầu dây, tính điện trở suất của dây từ chiều dài và đường kính đo bằng panme, kiểm tra định luật ghép điện trở nối tiếp và song song. Màn hình Cầu Wheatstone cho thấy điều kiện cân bằng R₁/R₂ = R₃/R₄.

So sánh giản đồ vùng năng lượng của vật dẫn (đồng), chất bán dẫn (silic, vùng cấm 1,12 eV) và chất cách điện (kim cương, 5,5 eV), đổi nhiệt độ để thấy mật độ electron dẫn và điện dẫn suất của silic tăng rất nhanh còn của đồng giảm. Màn Pha tạp đưa phosphorus (tạp chất cho, bán dẫn loại n) hoặc boron (tạp chất nhận, bán dẫn loại p) vào mạng silic: đổi nồng độ tạp chất và nhiệt độ, đọc mật độ electron n, lỗ trống p, tích n·p = nᵢ², mức Fermi và điện dẫn suất. Màn Lớp chuyển tiếp p–n cho thấy khuếch tán tạo lớp nghèo và hàng rào thế khoảng 0,7 V; phân cực thuận làm lớp nghèo hẹp lại, phân cực ngược làm nó rộng ra, gắn với đặc tuyến vôn – ampe của điôt.

Tách chiết DNA ảo: nghiền mô dâu tây, chuối hoặc hành tây (hoặc lấy tế bào niêm mạc má), thêm chất tẩy rửa và muối, lọc, thêm protease như nước ép dứa tươi, rồi rót ethanol lạnh thành lớp trên và cuộn sợi DNA trắng ở mặt phân cách. Bỏ qua hoặc thay đổi bất kì bước nào để thấy khối lượng DNA cuộn được, hình dạng và độ tinh sạch thay đổi, kèm lời giải thích tác dụng của từng bước. Bảng kết quả và biểu đồ cột so sánh các lần làm; nhiệm vụ tự kiểm yêu cầu thu được nhiều DNA sạch, làm thí nghiệm đối chứng và nêu tác dụng của từng bước.

Trục thời gian song song của quá trình sinh tinh và sinh trứng: tinh nguyên bào, tinh bào bậc 1, tinh bào bậc 2, tinh tử và tinh trùng; noãn nguyên bào, noãn bào bậc 1 dừng ở kì đầu I từ trước khi sinh, noãn bào bậc 2 và thể cực thứ nhất khi rụng trứng, trứng và thể cực thứ hai chỉ hình thành khi tinh trùng xâm nhập, kết thúc ở hợp tử. Mỗi giai đoạn ghi số nhiễm sắc thể, bộ NST đơn bội hay lưỡng bội và hàm lượng DNA, kèm vai trò của FSH, LH và testosterone. Tiêu bản ảo lát cắt ngang ống sinh tinh và buồng trứng với các giai đoạn nang trứng cho biết mỗi tế bào nằm ở đâu trong tuyến sinh dục.

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.

Ba màn về cách tế bào nhân thực và hệ gene trở nên phức tạp. Nội cộng sinh: theo dòng thời gian, một tế bào chủ họ hàng với vi khuẩn cổ nuốt vi khuẩn α-proteobacteria hiếu khí (thành ti thể), rồi một tế bào nhân thực nuốt vi khuẩn lam (thành lục lạp); xem gene chuyển vào nhân và năm thẻ bằng chứng: màng kép, DNA vòng, ribosome 70S, phân đôi, trình tự rRNA. Họ gene: nhân đôi gene rồi để các bản sao tích luỹ đột biến, đọc ma trận tỉ lệ giống nhau, dựng cây gene họ globin hoặc tự dựng, giải họ gene bí ẩn. Chuyển gene ngang: tiếp hợp, biến nạp, tải nạp giữa các loài vi khuẩn và sự lan truyền gene kháng kháng sinh.

Phòng thí nghiệm ảo với 13 phép thử trong ống nghiệm cho các nhóm chức hữu cơ: nước bromine và thuốc thử Baeyer (KMnO₄ loãng, lạnh, môi trường kiềm) cho liên kết C=C; sodium, ceric ammonium nitrate, iron(III) chloride trung tính và K₂Cr₂O₇/H₂SO₄ cho alcohol và phenol; 2,4-DNP, thuốc thử Tollens, dung dịch Fehling và phản ứng iodoform cho aldehyde và ketone; NaHCO₃ cho carboxylic acid; phản ứng carbylamine và phản ứng tạo phẩm màu azo cho amine bậc một. Bốn ống A–D chứa bốn chất chưa biết thuộc bốn nhóm khác nhau: mỗi phép thử thêm một dòng vào bảng thí nghiệm – hiện tượng – kết luận và một ô vào lưới kết quả; học sinh xác định nhóm chức của từng ống và gọi tên chất trong ống có dấu sao.

Phòng thí nghiệm ảo cho phép thử nung chảy với sodium (phép thử Lassaigne). Nung chảy hợp chất hữu cơ với sodium trong ống nghiệm nhỏ chịu nhiệt, nhúng ống còn nóng đỏ vào nước, đun sôi và lọc lấy dịch lọc rồi thử từng phần: iron(II) sulfate và iron(III) chloride cho màu xanh Prussian với nitrogen; sodium nitroprusside (màu tím) và lead(II) acetate (PbS đen) cho biết có sulfur; riêng iron(III) chloride cho Fe(SCN)²⁺ đỏ máu khi có cả nitrogen và sulfur; sau khi đun với nitric acid, silver nitrate cho AgCl trắng, AgBr vàng nhạt hoặc AgI vàng, phân biệt bằng ammonia. Học sinh xác định nguyên tố trong bốn chất chưa biết từ bảng quan sát.

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.

Vì sao acid này mạnh hơn acid kia? Đổi độ phân cực và độ bền liên kết (hydride chu kì 2, hydrogen halide), độ âm điện và số nguyên tử O (HOX, oxoacid của chlorine), nhóm thế hút hay đẩy electron và khoảng cách của chúng (acid chloroacetic, butanoic, benzoic thế), sự giải toả điện tích trong phenoxide; xem base liên hợp và đọc pKa trên thang. Màn Amine so sánh tính base của NH₃, amine béo và aniline trong nước và pha khí; màn Nucleophile cho chạy phản ứng NH₃ với bromoethane tạo hỗn hợp amine bậc 1–4; màn Phản ứng có Kolbe, Reimer–Tiemann, Hell–Volhard–Zelinsky và khử carboxyl.

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.

Sơ đồ có chú thích của cơ quan sinh dục nữ và nam kèm câu đố gọi tên, trục thời gian từ thụ tinh ở ống dẫn trứng qua phân cắt, phôi nang, làm tổ, hình thành phôi vị, tạo cơ quan tới khi sinh với kích thước thai và hormone thai kì, màn nhau thai cho đặt hút thuốc, rượu, nhiễm bệnh rồi đọc ảnh hưởng tới thai, và so sánh phôi cá, ếch, gà, người.

So sánh tảo, rêu, dương xỉ, hạt trần và hạt kín (mạch dẫn, rễ, hạt, hoa và quả) trên hình vẽ có chú thích, rồi theo dõi vòng đời từng nhóm trên một bánh xe chuyển động: giai đoạn đơn bội (n) và lưỡng bội (2n), chỗ giảm phân và thụ tinh, thể giao tử hay thể bào tử chiếm ưu thế. Tảo xoắn (chu trình đơn bội) và người (chu trình lưỡng bội) giúp so sánh.

Bốn màn hình về nguồn gốc sự sống. Tự sinh: làm lại thí nghiệm của Redi với các lọ thịt, của Needham và Spallanzani với nước thịt đun sôi, và bình cổ cong của Pasteur để thấy sinh vật chỉ sinh ra từ sinh vật. Miller–Urey: chọn hỗn hợp khí (CH₄, NH₃, H₂, H₂O hoặc khí quyển CO₂, N₂), năng lượng tia lửa điện và số ngày chạy, rồi đọc hiệu suất glycine, alanine và các amino acid khác trên bảng và sắc kí đồ. Giả thuyết: Trái Đất sơ khai ở bốn thời điểm với giả thuyết súp nguyên thuỷ Oparin–Haldane, miệng phun thuỷ nhiệt, ao nước ấm và vật chất từ vũ trụ. Tế bào nguyên thuỷ: acid béo tự tạo túi màng, ribozyme sao chép RNA và các đặc điểm chung của LUCA.

Màn hình So sánh: chiếu laser (hiệu ứng Tyndall), lọc qua giấy lọc, để yên và quan sát bằng kính siêu hiển vi sáu hỗn hợp – muối, đường, tinh bột, sữa, bột phấn, cát mịn trong nước – rồi phân loại thành dung dịch, dung dịch keo hay huyền phù theo kích thước hạt. Màn hình Sol: điều chế sol Fe(OH)₃ bằng cách thuỷ phân FeCl₃ trong nước sôi, sol As₂S₃, nước đục và sol tinh bột; thẩm tách, điện di và keo tụ bằng chất điện li theo quy tắc Hardy – Schulze. Màn hình Hấp phụ: đường đẳng nhiệt Freundlich x/m = k·p^(1/n) ở nhiều nhiệt độ. Màn hình Nhũ tương: lắc dầu với nước, có và không có chất nhũ hoá, đo thời gian tách lớp.

Gửi một dạng sóng hoặc một tin nhắn ngắn qua kênh truyền có nhiễu và nhiều trạm lặp. Bản tương tự bị khuếch đại cả nhiễu nên kém dần sau mỗi chặng, còn bộ tái tạo khôi phục chính xác các bit số cho tới khi nhiễu vượt ngưỡng. Thẻ lấy mẫu cho chỉnh tần số lấy mẫu và độ sâu bit để thấy sai số lượng tử và dung lượng tệp; thẻ xung mã hoá chữ thành xung ánh sáng trong sợi quang hoặc xung âm trong không khí.