Mô phỏng Trung học phổ thông

Hạt khí A va chạm với chất rắn B (dạng khối hoặc bột); chỉ va chạm đủ năng lượng hoạt hoá mới tạo sản phẩm C. Đồ thị số hạt C theo thời gian giữ lại đường của lần chạy trước để so sánh khi tăng nồng độ A, tăng nhiệt độ (Arrhenius, quy tắc van 't Hoff), thêm xúc tác hoặc nghiền nhỏ B; tốc độ trung bình và xác suất va chạm hiệu quả hiện trực tiếp.

Bình phản ứng chứa các phân tử N₂ và H₂; khi chạy, chúng va chạm và chuyển dần thành NH₃ cho tới khi đạt cân bằng. Kéo áp suất, nhiệt độ, tỉ lệ mol H₂ : N₂ và bật/tắt xúc tác sắt để thấy hiệu suất cân bằng và tốc độ đạt cân bằng thay đổi đúng theo nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier: tăng áp suất hoặc hạ nhiệt độ thì hiệu suất tăng, nhưng hạ nhiệt độ lại làm phản ứng chậm đi. Đồ thị hiệu suất theo áp suất vẽ tại nhiệt độ đang chọn.

Các phân tử monomer có liên kết đôi C=C (ethylene, propylene, vinyl chloride, tetrafluoroethylene, styrene) chuyển động tự do; khi trùng hợp, liên kết π mở ra và từng monomer nối vào đầu mạch đang lớn. Học sinh đếm số mắt xích n, thấy phương trình n CH₂=CHX → (–CH₂–CHX–)n, khối lượng phân tử polymer M = n·M(monomer) và tên polymer tương ứng; có thể chạm vào monomer để nối thủ công.

Chế độ xà phòng hoá: phân tử chất béo gồm khung glycerol và ba gốc acid béo bị ion OH⁻ cắt ở ba liên kết ester, tách thành ba phân tử muối xà phòng và một phân tử glycerol; tốc độ tăng rõ khi nâng nhiệt độ, kèm phương trình và khối lượng xà phòng thu được từ 1 mol chất béo. Chế độ giặt: giọt dầu bám trên vải, các phân tử xà phòng quay đuôi kị nước vào dầu và đầu ưa nước ra ngoài, tạo mixen rồi kéo giọt dầu rời khỏi vải.

Bảng tuần hoàn 36 nguyên tố đầu tô màu/kích thước theo bán kính nguyên tử, độ âm điện Pauling, năng lượng ion hoá thứ nhất hoặc tính kim loại – phi kim. Bấm một nguyên tố để xem số liệu thật và đồ thị biến đổi theo chu kì hoặc theo nhóm; kết luận xu hướng hiện ngay bên dưới.

Ăn một bữa và theo dõi đường huyết theo phút. Ở người bình thường, glucose từ ruột vào máu làm đường huyết tăng, tế bào beta của tuỵ tiết insulin đưa glucose vào tế bào và tích thành glycogen ở gan nên chỉ số trở về vùng an toàn 3,9 đến 6,4 mmol/L sau khoảng hai giờ; khi đói, tế bào alpha tiết glucagon phân giải glycogen để nâng đường huyết lên. Chọn trạng thái đái tháo đường type 1 hoặc type 2 để thấy đường huyết vọt lên trên 11 mmol/L và không tự hạ, rồi bấm tiêm insulin để kéo xuống. Chuyển sang thân nhiệt: kéo nhiệt độ môi trường và xem cơ thể giãn mạch, toát mồ hôi hoặc co mạch, run cơ để giữ thân nhiệt quanh 37 °C.

Thu phóng liên tục từ phân tử lên tới sinh quyển: phân tử, bào quan, tế bào, mô, cơ quan, hệ cơ quan, cơ thể, quần thể, quần xã, hệ sinh thái, sinh quyển. Mỗi cấp được vẽ lại kèm kích thước đặc trưng theo mét, ví dụ thật và đặc điểm nổi bật; bốn cấp độ tổ chức sống cơ bản (tế bào, cơ thể, quần thể, quần xã – hệ sinh thái) được đánh dấu riêng. Kéo thanh cấp hoặc bấm vào thang bên phải để nhảy tới cấp bất kì, hoặc để chế độ tự động chạy hết một vòng trong khoảng mười giây.

Quần thể bướm đậu trên thân cây: kiểu gene AA, Aa cho cánh sẫm, aa cho cánh sáng, mỗi kiểu gene có giá trị thích nghi riêng (tỉ lệ sống sót đến khi sinh sản). Mỗi thế hệ cá thể bị loại theo độ thích nghi, alen được truyền lại, đột biến A ⇄ a với tần số nhỏ; đồ thị tần số alen qua thế hệ so với đường lí thuyết Δp. Học sinh kéo các giá trị thích nghi, đổi màu vỏ cây (đảo chiều chọn lọc) và quan sát alen có lợi tăng dần.

Đồng hồ chu kì 28 ngày chạy hết trong khoảng mười giây: bốn đường FSH, LH, estrogen và progesterone thay đổi theo ngày, buồng trứng vẽ nang trứng lớn dần rồi rụng trứng đúng lúc LH đạt đỉnh ở ngày 14, sau đó thể vàng hình thành và niêm mạc tử cung dày lên. Bật trường hợp có thụ tinh để thấy progesterone tiếp tục cao, niêm mạc được giữ lại và không có kinh nguyệt. Chuyển sang thực vật để xem hạt phấn nảy ống phấn xuống túi phôi và quá trình thụ tinh kép: một tinh tử kết hợp với trứng tạo hợp tử 2n, tinh tử còn lại kết hợp với nhân lưỡng bội tạo nội nhũ 3n.

Phage bám lên vi khuẩn, bơm DNA vào, tế bào chủ tổng hợp DNA và protein vỏ, lắp ráp thành hàng chục virus mới rồi phá vỡ tế bào phóng thích (chu trình sinh tan). Ở chu trình tiềm tan, DNA virus gắn vào nhiễm sắc thể vi khuẩn thành prophage, nhân lên cùng tế bào chủ qua các lần phân chia cho tới khi bị cảm ứng (tia UV) chuyển sang sinh tan. Học sinh bấm từng giai đoạn, đổi tốc độ và số virus phóng thích.

Ba chuyên đề học tập của Sinh học 11 trong một mẫu, chọn bằng tham số chuyên đề. Dinh dưỡng khoáng: chọn nguyên tố bị thiếu và mức cung cấp khoáng để thấy triệu chứng trên lá, chiều cao cây và năng suất thay đổi. Một số bệnh dịch ở người: mô hình SIR với hệ số lây R₀ và tỉ lệ tiêm chủng, xem số người mắc theo ngày và ngưỡng miễn dịch cộng đồng. Vệ sinh an toàn thực phẩm: vi khuẩn trong thực phẩm nhân đôi theo nhiệt độ bảo quản, tính thời gian để đạt ngưỡng gây bệnh 10⁶ CFU/g.

Ba chuyên đề học tập của Sinh học 12 trong một mẫu, chọn bằng tham số chuyên đề. Sinh học phân tử: chạy phản ứng PCR theo chu kì biến tính 95 °C – bắt cặp 55 °C – kéo dài 72 °C, số bản sao DNA tăng theo 2ⁿ và hiện lên bản điện di. Kiểm soát sinh học: thả thiên địch vào ruộng để khống chế sâu hại, so sánh với cách phun thuốc trừ sâu khi sâu kháng thuốc. Sinh thái nhân văn: chọn lối sống về ăn uống, đi lại và dùng điện để tính dấu chân sinh thái theo hecta toàn cầu và số Trái Đất cần có.

Mặt cắt màng neuron với ion Na⁺, K⁺ hai bên, kênh Na⁺, kênh K⁺ và bơm Na⁺/K⁺; bấm Kích thích (hoặc chạm vào sợi trục) để khử cực màng. Kích thích dưới ngưỡng chỉ gây thay đổi nhỏ rồi tắt; đạt ngưỡng −55 mV kênh Na⁺ mở ồ ạt, điện thế vọt lên +30 mV, rồi kênh K⁺ mở tái phân cực và quá phân cực về −70 mV. Đồ thị điện thế màng theo thời gian (ms) cuộn liên tục, giai đoạn trơ được đánh dấu.

Chỉnh sửa một nucleotide trên mạch gốc: thay thế, thêm hoặc mất. Mô phỏng phiên mã – dịch mã lại rồi so chuỗi amino acid mới với chuỗi gốc, phân loại đột biến thành đồng nghĩa, sai nghĩa, vô nghĩa hay dịch khung và giải thích vì sao thêm/mất một nucleotide lại nguy hiểm hơn thay thế.

Enzyme (có trung tâm hoạt động) và cơ chất chuyển động, va chạm; khi cơ chất khớp trung tâm hoạt động thì bị biến đổi thành sản phẩm. Học sinh kéo nhiệt độ, pH, nồng độ cơ chất, thêm chất ức chế cạnh tranh hoặc không cạnh tranh và quan sát tốc độ tạo sản phẩm; đồ thị hoạt tính theo nhiệt độ và pH có điểm đang làm việc, enzyme biến tính khi quá nóng.

Chạy từng kì của giảm phân I và II trên tế bào có n cặp nhiễm sắc thể tương đồng. Bật/tắt trao đổi chéo và xem số loại giao tử thay đổi: chỉ riêng phân li độc lập đã cho 2ⁿ loại, thêm trao đổi chéo thì số tổ hợp tăng vọt — đây chính là lí do con cái khác bố mẹ.

Quần thể ngẫu phối với hai alen A, a: tần số kiểu gene p², 2pq, q² được tính và vẽ mỗi thế hệ cùng đám cá thể minh hoạ. Khi không có chọn lọc và quần thể lớn, tần số alen không đổi qua các thế hệ (cân bằng Hardy–Weinberg); bật chọn lọc chống kiểu hình lặn hoặc giảm kích thước quần thể để thấy tần số alen thay đổi có hướng hoặc dao động ngẫu nhiên và có thể mất hẳn một alen.

Hai gene trên cùng một nhiễm sắc thể: kéo khoảng cách giữa chúng để đổi tần số hoán vị, xem tỉ lệ bốn loại giao tử (hai giao tử liên kết chiếm ưu thế, hai giao tử hoán vị luôn bằng nhau và chiếm f/2 mỗi loại). Từ tỉ lệ giao tử đọc ngược ra khoảng cách theo centiMorgan.

Ở chế độ thực vật, cây được xử lí hormone với nồng độ kéo được: auxin ở nồng độ thấp kích thích thân dài ra nhưng nồng độ cao lại ức chế, còn rễ chỉ chịu được nồng độ rất thấp; gibberellin làm lóng vươn dài biến cây lùn thành cây cao; cytokinin thúc chồi bên phát triển. Bật chiếu sáng một bên để thấy auxin dồn về phía tối làm thân cong về phía sáng. Đường cong liều lượng – đáp ứng hiện điểm nồng độ đang chọn cho thân và cho rễ. Ở chế độ côn trùng, hoạt hình vòng biến thái hoàn toàn của bướm cùng đồ thị nồng độ ecdysone và juvenile hormone quyết định lột xác hay hoá nhộng.

Bên trái: các phân tử nhỏ khuếch tán qua lỗ màng từ nơi nồng độ cao sang nơi nồng độ thấp cho tới khi cân bằng, có đếm số hạt mỗi bên. Bên phải: tế bào hồng cầu hoặc tế bào thực vật đặt trong dung dịch ưu trương, đẳng trương hay nhược trương — nước thẩm thấu vào/ra làm tế bào co, trương, vỡ hay co nguyên sinh; đồ thị thể tích theo thời gian.

Bảng Punnett hai cặp gene với giao tử và tần số của từng bố mẹ, ô tô màu theo kiểu hình, tỉ lệ kiểu gene – kiểu hình tính tự động (9:3:3:1 khi phân li độc lập). Chuyển sang liên kết gene với tần số hoán vị f: giao tử liên kết (1−f)/2, giao tử hoán vị f/2, tỉ lệ đời con thay đổi theo f và kiểu dị hợp đều/chéo. Học sinh đổi kiểu gene bố mẹ, kéo f, lai ngẫu nhiên 100 cá thể để so sánh thực nghiệm với lí thuyết.

Ủ một mẻ nguyên liệu với vi sinh vật: chọn chủng, nhiệt độ, lượng đường và có hay không oxygen. Mô phỏng theo dõi số tế bào, lượng đường còn lại, sản phẩm tạo thành và pH — cho thấy vì sao muối dưa cần yếm khí, vì sao men rượu ngừng hoạt động khi nồng độ ethanol lên cao.

Chế độ nước vẽ các phân tử H₂O phân cực với đầu oxygen tích điện âm và hai đầu hydrogen tích điện dương; các liên kết hydrogen hiện thành nét đứt và số liên kết trung bình mỗi phân tử được đếm liên tục. Hạ nhiệt độ xuống dưới 0 °C thì mạng tinh thể nước đá hình thành với khoảng cách xa hơn nên nước đá nhẹ hơn nước lỏng; nâng lên 100 °C thì liên kết hydrogen đứt hết và nước bay hơi. Thả muối ăn hoặc đường vào thì phân tử nước bao quanh làm chúng tan, thả dầu thì không tan. Chế độ đại phân tử cho xem đơn phân của carbohydrate, lipid, protein và nucleic acid nối thành mạch.

Lắp RNA polymerase, ribosome và các yếu tố điều hoà lên đoạn DNA để tạo mRNA rồi tổng hợp protein. Học sinh chỉnh mức biểu hiện của từng gene và xem tế bào tạo ra bao nhiêu protein tương ứng. Mô phỏng của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, giấy phép CC BY 4.0 (https://phet.colorado.edu); cần mạng để tải.