Thí nghiệm vật lí 12
Chọn một mô phỏng để xem hiện tượng diễn ra — kéo, thả, đổi điều kiện và quan sát kết quả thay đổi.
Cấu trúc của chất — mô hình hạt ba thể
Kéo nhiệt độ để quan sát hạt chuyển từ rắn (dao động quanh vị trí cân bằng, mạng trật tự) sang lỏng (sát nhau, trượt lên nhau) rồi khí (bay tự do): nóng chảy, sôi, bay hơi ở mặt thoáng, chuyển động Brown, lực liên kết theo khoảng cách và sơ đồ chuyển thể sáu chiều.
Nội năng — thí nghiệm nút bấc bật ra
Đun ống nghiệm đậy nút bấc trên đèn cồn cho tới khi nút bật ra: nút còn đậy thì thể tích không đổi nên A = 0, toàn bộ nhiệt lượng làm tăng động năng phân tử (thế năng nằm im) — hạt nhanh dần, va chạm vào nút dày hơn, áp suất tăng; lúc nút bật khí sinh công A < 0 và lạnh đi. Bảng dấu A / Q / ΔU cập nhật real-time; đẩy nút vào để đạt cùng ΔU bằng con đường thực hiện công.
Máy hơi nước — nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt
Sơ đồ máy hơi nước (SGK Hình 2.6b) chạy sống: nồi súp de (nguồn nóng T₁) đun nước sinh hơi, hơi giãn nở đẩy pít-tông trong xi lanh làm quay bánh đà — tác nhân sinh công A; hơi đã dùng sang bình ngưng (nguồn lạnh T₂) toả nhiệt Q₂ rồi ngưng lại. Bảng năng lượng Q₁ = A + Q₂ chạy real-time cho thấy A < Q₁ — phần lớn nhiệt bị thải ra nguồn lạnh. Kéo mức lửa để đổi tốc độ máy.
Cân bằng nhiệt — thí nghiệm sự truyền nhiệt năng
Cốc nhôm nước lạnh đặt trong bình cách nhiệt nước nóng: mũi tên dòng nhiệt chỉ đúng chiều truyền (nóng → lạnh), dày theo ΔT và biến mất khi hai nhiệt kế chỉ cùng một số — dấu hiệu của trạng thái cân bằng nhiệt. Đổi nhiệt độ và lượng nước mỗi vật để thấy nhiệt độ cân bằng là trung bình có trọng số theo khối lượng (Q_toả + Q_thu = 0). Kèm cột đôi Celsius ↔ Kelvin: một độ chia bằng nhau ở cả hai thang, 0 K là nơi động năng chuyển động nhiệt bằng 0.
Nhiệt dung riêng — thí nghiệm ảo đo c
Hai nhiệt lượng kế đun cùng một công suất: bảng số liệu tự điền mỗi 60 s, đồ thị t–τ vẽ dần, chọn hai điểm M, N để tính c rồi so với giá trị chuẩn.
Nhiệt nóng chảy riêng — đường cong nóng chảy
Thực hành đo λ trong nhiệt lượng kế: nguồn điện vẫn cấp nhiệt, oát kế vẫn chỉ 𝒫 > 0, mà nhiệt kế đứng im và đồ thị t–τ nằm ngang. Kính lúp ghép cạnh trả lời "năng lượng đi đâu": liên kết mạng tinh thể đứt dần, hạt không hề chạy nhanh hơn — thế năng tăng, động năng không đổi. Tan hết thì đồ thị mới bẻ lên; kéo điểm M về chỗ bẻ gãy để tính λ = 𝒫̄·τ_M/m và so với Bảng 5.1. Đổi chất, m, 𝒫 để thấy τ_M = λm/𝒫.
Nhiệt hoá hơi riêng — toàn cảnh & thí nghiệm ảo đo L
Đun liên tục một lần từ nước đá −20 °C tới hơi nước 120 °C: hai plateau (nóng chảy, hoá hơi) trên cùng đồ thị t–τ, tỉ lệ dài ~6,8 lần hiện ra tự nhiên. Kèm thí nghiệm ảo đo L qua khối lượng giảm dần trên cân điện tử khi chất lỏng sôi.
Mô hình động học phân tử chất khí
Buồng khí 15,6 nm chứa 100 phân tử oxygen bay hỗn loạn, va chạm đàn hồi với nhau và với thành bình. Histogram phân bố tốc độ lấy trực tiếp từ chính các phân tử đó: kéo nhiệt độ thì cả đám dịch chuyển, nhưng từng phân tử vẫn nhanh chậm khác nhau. Nút "về ĐKC" cho v̄ ≈ 400 m/s đúng con số SGK, kèm vết chuyển động Brown của hạt khói.
Định luật Boyle — quá trình đẳng nhiệt
Xi lanh chia độ cm³ nối với áp kế mặt số, ở 273 K: kéo pit-tông đổi thể tích rồi giữ yên cho kim ổn định. Áp suất không lấy từ công thức — nó được cộng từ xung lượng va chạm trong ô mô hình phóng to bên cạnh, một ô khí ở đúng mật độ trong xi lanh. Mỗi lần đo xong tự ghi một dòng (V, p, pV) vào bảng và một điểm lên đồ thị p–V: các điểm dựng thành nhánh hyperbol, cột pV đứng yên quanh 4060 mJ (nRT, lệch ~1%), và nút đổi trục sang p–1/V duỗi hyperbol thành đường thẳng qua gốc.
Định luật Charles — quá trình đẳng áp
Xi lanh chia độ với pít-tông tự do ngâm trong bể điều nhiệt: kéo nhiệt độ thì pít-tông trượt, V đọc thẳng trên vạch chia còn V/T đứng yên. Bật ngoại suy để đường đẳng áp cắt trục đúng tại −273 °C với V = 0, rồi trượt gốc toạ độ sang đó — vẫn đúng đường ấy, giờ đi qua gốc trên trục Kelvin. Kèm thí nghiệm ảo ba cốc nước đá/ấm/nóng và cảnh báo vùng định luật chỉ còn gần đúng.
Phương trình trạng thái của khí lí tưởng — pV/T = nR
Buồng khí đầy đủ: chọn khoá T, V hay p rồi kéo đại lượng còn lại, còn áp suất luôn được đo bằng cách đếm va chạm trong ô mô hình phóng to. Ghi vài trạng thái vào bảng (V, T, p) thì cột p·V/T đứng yên quanh 13,3 mJ/K — đúng bằng n·R. Bật phương trình pV = nRT để hiện n, R = 8,31 và bơm thêm khí (tăng n làm hằng số tăng theo). Ghim hai trạng thái (1), (2) rồi so sánh: hai lộ trình khác nhau trên đồ thị p–V nhưng gặp nhau ở cùng một điểm — trạng thái cuối không phụ thuộc cách chuyển.
Áp suất khí sinh ra từ va chạm phân tử
Một ô khí phóng to: các phân tử bay hỗn loạn, va chạm đàn hồi với thành bình. Áp suất không lấy từ công thức — nó được cộng từ xung lượng của từng va chạm chia cho diện tích và thời gian, hội tụ về đúng áp suất vĩ mô p = (2/3)·μ·Ē_đ mà Bài 9/10/11 dùng. Kéo nhiệt độ thấy phân tử va nhiều hơn và mạnh hơn (hai thừa số của áp suất hiện riêng), kéo mật độ thấy áp suất đổi mà động năng giữ nguyên. Mặc định đặt hai khí (O₂ và H₂) cùng nhiệt độ cạnh nhau nhưng ẩn tên: động năng trung bình bằng nhau, tốc độ lại khác hẳn ~4 lần → đố học sinh khí nào nhẹ hơn, bấm "Hiện tên khí" để kiểm tra — điều SGK hỏi thẳng mà sách giấy không cho thấy được.
Từ phổ và đường sức từ
Sáu cấu hình: nam châm thẳng, hai nam châm khác tên/cùng tên, nam châm chữ U, dòng điện thẳng, ống dây. Rắc mạt sắt lên xem từng hạt tự xoay theo phương B tại chỗ nó đứng, hoặc chuyển sang đường sức sạch có mũi tên chiều — mật độ đường tự tính từ độ lớn từ trường, không vẽ tay. Thả kim nam châm thử ở bất kỳ đâu để nó tự xoay về đúng phương. Giữa hai cực chữ U, đường sức song song đều — chuẩn bị cho từ trường đều của Bài 15.
Lực từ F = BIL·sinα
Một đoạn dây mang dòng điện đặt giữa hai cực nam châm chữ U (từ trường đều nối tiếp Bài 14). Kéo góc α giữa dây và đường sức: về 0° lực biến mất hoàn toàn (dây song song đường sức), về 90° lực đạt cực đại, hiện ra dưới dạng kí hiệu vào/ra trang giấy vì F luôn vuông góc với cả dây lẫn từ trường. Đảo chiều dòng điện để thấy lực đảo chiều. Bật chế độ thí nghiệm ảo để tăng I từng nấc 0,1 A, tự động ghi bảng số liệu, vẽ đồ thị F–I và tính ra cảm ứng từ B trung bình cùng sai số so với giá trị chuẩn của bộ thí nghiệm.
Từ thông và định luật Lenz
Ba cách làm từ thông Φ = BS·cosα biến thiên, tách riêng từng slider: đổi B, đổi S, đổi góc α — mỗi lần kéo, kim điện kế lệch trong chốc lát rồi về 0 ngay khi Φ ổn định trở lại, đúng ý "cảm ứng chỉ tồn tại trong khoảng thời gian Φ biến thiên". Chuyển sang chế độ thả nam châm rơi qua ống dây để thấy đồ thị e(t) hai bướu trái dấu và mũi tên lực đẩy/hút — định luật Lenz nhìn thấy được, không chỉ đọc trong câu chữ.
Máy phát điện xoay chiều
Khung dây quay đều với tốc độ góc ω trong từ trường đều, sinh ra e(t) = E0cos(ωt+φ0). Đồ thị Φ(t) và e(t) vẽ chồng lên nhau, có chấm chỉ đúng pha hiện tại: khi mặt khung song song với B (Φ = 0) thì e đạt cực đại — điều học sinh hay đoán ngược lại. Kéo ω để thấy chu kì co giãn và biên độ E0 = NBSω đổi theo cùng lúc. Bật chế độ ba pha để xem 3 cuộn lệch nhau 2π/3 cho ra ba đường sin lệch pha, tổng tức thời luôn triệt tiêu.
Máy biến áp và dòng điện Foucault
Hai chế độ. Máy biến áp: kéo số vòng thứ cấp N2, xem U2 = U1·(N2/N1) đổi theo, nhãn tăng áp/hạ áp tự cập nhật. Dòng điện Foucault: thả cùng lúc một tấm kim loại liền khối và một tấm xẻ rãnh qua cùng một khe nam châm — tấm liền khối khựng lại gần như tức thì vì dòng xoáy lớn không bị cắt, tấm xẻ rãnh đu lâu hơn hẳn vì dòng xoáy bị chia nhỏ. Cùng một cơ chế vật lí, một bên là hao phí cần giảm (lõi biến áp phải ghép lá), một bên là ứng dụng có ích (phanh điện từ, bếp từ).
Sóng điện từ lan truyền
Mô hình 3D xoay được: E (mặt phẳng đứng) và B (mặt phẳng ngang) luôn cùng pha, cùng vuông góc phương truyền — kéo để xoay camera và tự xác nhận đây là sóng ngang. Đổi tần số → bước sóng co giãn theo, nhãn thang sóng điện từ (radio → vi ba → hồng ngoại → ánh sáng nhìn thấy → tử ngoại → tia X → tia gamma) cập nhật theo. Kèm chế độ bước-từng-nhịp minh hoạ cơ chế E biến thiên sinh vòng B, vòng B biến thiên sinh vòng E kế tiếp, đẩy sóng đi ngay cả trong chân không.
Tán xạ Rutherford và cấu trúc hạt nhân
Hai phần. Tán xạ: bắn chùm hạt α vào lá vàng, đếm sống số hạt bật ngược — tỉ lệ ~1/10⁴ hiện ra từ thống kê, không phải một con số cho sẵn; toggle "nếu nguyên tử là bánh mận" (Thomson) để xem thí nghiệm bác bỏ mô hình cũ ngay trước mắt (không bao giờ có cú bật ngược). Dựng hạt nhân: kéo Z và N, hạt nhân tự dựng, kí hiệu và bán kính R = 1,2×10⁻¹⁵·A^(1/3) cập nhật theo; chế độ đồng vị đánh dấu bền/phóng xạ; thang kích thước từ tinh thể đến proton để cảm nhận hạt nhân nhỏ hơn nguyên tử cỡ 10 000 lần.
Năng lượng liên kết riêng
Đồ thị E_lkr theo số khối A với các hạt nhân thật (²H, ⁴He, ¹²C, ⁵⁶Fe, ²³⁸U…), đỉnh tại ⁵⁶Fe (~8,79 MeV/nucleon). Chạm một hạt nhân để xem độ hụt khối Δm, E_lk = Δm·c², E_lkr — đổi đơn vị amu ↔ MeV/c². Chọn phản ứng phân hạch (²³⁸U) hoặc nhiệt hạch (²H): cả hai mũi tên đều leo lên phía đỉnh Fe, cho thấy vì sao hai quá trình ngược hướng nhau lại cùng toả năng lượng.
Phân rã ngẫu nhiên và chu kì bán rã
Chọn đồng vị (T từ 4,0 s của ²¹⁹Rn đến 7,0×10⁸ năm của ²³⁵U — thang thời gian tự co giãn), kéo N0 từ 20 đến 20 000: mỗi hạt nhân phân rã hoàn toàn ngẫu nhiên, độc lập, nhưng cả tập hợp cho đường cong N(t) mượt dần thành hàm mũ khi N0 lớn — ngẫu nhiên vi mô, quy luật vĩ mô. Kèm đếm kiểu Geiger nhảy thất thường, và ¹⁴C định niên đại tính tuổi từ tỉ lệ còn lại. Chế độ thứ hai: bắn α/β⁻/β⁺/γ vào giấy → nhôm → chì xem tia nào bị chặn ở đâu, bật điện trường xem chiều lệch suy ra dấu điện tích.
Lò phản ứng — điều khiển phản ứng dây chuyền
Kéo độ cắm thanh điều khiển (Bo/Cd): rút ra → k > 1, công suất bùng theo cấp số nhân; cắm sâu → k < 1, tắt dần; giữ đúng điểm cân bằng → k = 1, công suất ổn định — tự tay giữ được trong 30 giây mới thấm, không chỉ đọc chữ. Kèm sơ đồ hai chu trình của nhà máy điện hạt nhân (lò → sinh hơi → tua bin → máy phát; ngưng tụ → tháp làm mát), bấm chạy để xem dòng chất tải nhiệt.