Mô phỏng lắp mạch điện

Đây là một bảng lắp mạch điện ảo cho cả lớp cùng xem trên máy chiếu, TV hoặc bảng tương tác. Thầy cô kéo pin, bóng đèn, điện trở, công tắc, ampe kế, vôn kế, cầu chì và đèn LED từ khay vào bảng, nối các đầu lại, và mạch chạy ngay: các chấm vàng chạy dọc dây cho thấy dòng điện, bóng đèn sáng mạnh hay yếu theo đúng công suất, ampe kế và vôn kế chỉ số thật. Nối nhầm hai cực pin bằng một sợi dây là thấy ngay đoản mạch: dây đỏ rực lên và cầu chì đứt.

Cách dùng

• Lắp mạch: kéo một linh kiện từ khay bên trái (trên điện thoại là khay ở dưới) vào bảng. Các linh kiện được nối với nhau khi hai đầu chạm cùng một chấm trên lưới. Kéo đầu dây nối tới chấm bạn muốn. Kéo đầu của linh kiện để xoay nó quanh đầu kia.
• Bật tắt: chạm vào công tắc để đóng hoặc mở mạch.
• Xem số liệu: chạm vào một linh kiện. Bảng bên phải ghi hiệu điện thế U, cường độ dòng điện I, điện trở R và công suất P của riêng linh kiện đó. Ở đây cũng chỉnh được số vôn của pin (1,5 V tới 12 V), điện trở trong của pin, giá trị điện trở, loại bóng đèn và định mức cầu chì.
• Xoá: kéo linh kiện thả về khay, hoặc bấm Xoá trong bảng số liệu. Nút thùng rác ở trên xoá cả bảng.
• Hình vẽ hoặc sơ đồ: "Hình vẽ" cho thấy linh kiện như thật. "Sơ đồ" vẽ lại đúng mạch đó bằng kí hiệu trong sách giáo khoa, trên nền giấy kẻ ô.
• Electron: bật để thấy các electron (chấm xanh) chạy ngược chiều quy ước của dòng điện.
• Mạch mẫu: sáu mạch có sẵn ở dưới cùng: một bóng đèn, hai đèn nối tiếp, hai đèn song song, nối tiếp và song song đặt cạnh nhau, cách mắc ampe kế và vôn kế, đoản mạch và cầu chì.
• Bàn phím và máy chiếu: nút toàn màn hình ở góc trên bên phải làm chữ và nút to ra. Phím N chọn linh kiện tiếp theo, mũi tên để di chuyển, R để xoay, phím cách để bật tắt công tắc, Delete để xoá.

Dòng điện, hiệu điện thế và định luật Ohm

Dòng điện là dòng các hạt mang điện chuyển động có hướng. Trong dây kim loại, đó là các electron. Người ta quy ước chiều dòng điện đi từ cực dương (+), qua mạch ngoài, tới cực âm (−) của nguồn. Electron mang điện âm nên thực ra chạy theo chiều ngược lại. Nút "Electron" cho học sinh thấy cả hai.

Ba đại lượng cần nhớ:

• Cường độ dòng điện I (ampe, A), đo bằng ampe kế mắc nối tiếp.
• Hiệu điện thế U (vôn, V), đo bằng vôn kế mắc song song với đoạn mạch cần đo.
• Điện trở R (ôm, Ω), cho biết vật dẫn cản trở dòng điện nhiều hay ít.

Định luật Ohm: cường độ dòng điện qua một dây dẫn tỉ lệ thuận với hiệu điện thế đặt vào hai đầu dây và tỉ lệ nghịch với điện trở của dây: I = U / R. Công suất điện là P = U × I. Bóng đèn càng nhận nhiều công suất thì càng sáng, và trong mô phỏng độ sáng được vẽ đúng theo công suất đó.

Mạch nối tiếp và mạch song song

Vì vậy đèn trong nhà được mắc song song: mỗi đèn nhận đủ hiệu điện thế của nguồn, và tắt một đèn không làm tắt các đèn khác.

Đoản mạch và cầu chì

Đoản mạch (ngắn mạch) xảy ra khi hai cực của nguồn được nối với nhau bằng một dây có điện trở gần bằng 0. Khi đó dòng điện chỉ còn bị cản bởi điện trở trong r rất nhỏ của nguồn, nên rất lớn: I = E / r. Dây dẫn nóng lên rất nhanh, có thể chảy vỏ cách điện và gây cháy. Cầu chì là một đoạn dây mảnh mắc nối tiếp trong mạch: khi dòng điện vượt định mức, dây chì nóng chảy và làm hở mạch. Mô phỏng cũng cho thấy một lỗi hay gặp: mắc ampe kế song song với bóng đèn hoặc thẳng vào hai cực pin cũng gây đoản mạch, vì điện trở của ampe kế gần bằng 0.

An toàn ngoài đời: không bao giờ thử đoản mạch với pin thật, ổ cắm hay ắc quy. Mô phỏng có mặt để học sinh thấy điều đó mà không ai bị bỏng.

Thử ngay với số liệu thật

1. Chọn "Một bóng đèn" (pin 6 V, đèn 6 V – 6 W, tức R = 6 Ω) rồi chạm vào bóng đèn: U = 6 V, I = 1 A, P = 6 W, đúng với I = U / R = 6 / 6.
2. Chọn "Nối tiếp và song song". Bên trái mỗi đèn chỉ được 0,5 A và 1,5 W, bằng một phần tư công suất định mức, nên sáng yếu hẳn. Bên phải mỗi đèn 1 A và mạch chính 2 A.
3. Chọn "Ampe kế và vôn kế", chạm vào pin và đặt điện trở trong r = 2 Ω. Ampe kế chỉ I = 6 / (6 + 2) = 0,75 A. Vôn kế chỉ U = 6 − 0,75 × 2 = 4,5 V: đó cũng là hiệu điện thế giữa hai cực pin, nhỏ hơn suất điện động 6 V. Đây là định luật Ohm cho toàn mạch của Vật lý 11.
4. Chọn "Đoản mạch và cầu chì", chạm pin, đặt r = 0,5 Ω, rồi đóng công tắc. Dòng điện vọt lên I = 6 / 0,5 = 12 A, gấp sáu lần định mức 2 A của cầu chì, và cầu chì đứt ngay.

Gợi ý dạy trên lớp

Mô phỏng hợp với các bài sau:

• KHTN 8: Bài 22 Mạch điện đơn giản và Bài 24 Cường độ dòng điện và hiệu điện thế (Kết nối tri thức); Bài 23 Mạch điện đơn giản và Bài 25 Cường độ dòng điện và hiệu điện thế (Chân trời sáng tạo); Bài 21 Mạch điện và Bài 23 Cường độ dòng điện và hiệu điện thế (Cánh Diều).
• KHTN 9: Bài 11 Điện trở. Định luật Ohm, Bài 12 Đoạn mạch nối tiếp, song song, Bài 13 Năng lượng của dòng điện và công suất điện (Kết nối tri thức); Bài 8 Điện trở. Định luật Ohm, Bài 9 Đoạn mạch nối tiếp, Bài 10 Đoạn mạch song song, Bài 11 Năng lượng điện. Công suất điện (Chân trời sáng tạo); Bài 7 Định luật Ohm. Điện trở, Bài 8 Đoạn mạch nối tiếp, Bài 9 Đoạn mạch song song, Bài 10 Năng lượng của dòng điện và công suất điện (Cánh Diều).
• Vật lý 11: Bài 23 Điện trở. Định luật Ôm, Bài 24 Nguồn điện, Bài 25 Năng lượng và công suất điện (Kết nối tri thức); Bài 17 Điện trở. Định luật Ohm, Bài 18 Nguồn điện, Bài 19 Năng lượng điện. Công suất điện (Chân trời sáng tạo); Chủ đề 4, Bài 2 Điện trở và Bài 3 Nguồn điện, năng lượng điện và công suất điện (Cánh Diều).

Một tiết học mẫu:

1. Khởi động (3 phút): mở "Một bóng đèn", mở công tắc. Hỏi: "Vì sao đèn tắt? Dòng điện dừng ở đâu?"
2. Đo (7 phút): chọn "Ampe kế và vôn kế". Hỏi: "Ampe kế mắc thế nào, vôn kế mắc thế nào?" Cho học sinh lên bảng tăng số vôn của pin từ 1,5 V tới 9 V và ghi lại U và I. Tỉ số U / I luôn bằng 6 Ω. Lên 10,5 V thì đèn cháy, vì đã vượt xa hiệu điện thế định mức 6 V.
3. Dự đoán (7 phút): trước khi chọn "Nối tiếp và song song", hỏi: "Hai đèn mắc kiểu nào sẽ sáng hơn?" Cho cả lớp giơ tay rồi mới bấm. Chạm từng đèn để đọc U, I, P.
4. Lỗi nguy hiểm (5 phút): chọn "Đoản mạch và cầu chì", hỏi: "Đóng công tắc thì chuyện gì xảy ra?" Sau đó bấm "Thay mới" ở cầu chì và thử mắc ampe kế song song với đèn.
5. Ôn tập (10 phút): bấm "Tạo game ôn tập" để có ngay một trò chơi cả lớp chơi trên cùng màn hình, chia đội, điện thoại của bạn làm điều khiển.

Câu hỏi thường gặp

Số liệu trong mô phỏng có đúng không?

Đúng theo các công thức trong sách. Mỗi khi mạch thay đổi, mô phỏng giải lại toàn bộ mạch bằng phương pháp phân tích nút, nên số liệu đúng cả với mạch phức tạp như cầu điện trở. Dây nối, công tắc và ampe kế được coi là lý tưởng, vôn kế có điện trở vô cùng lớn, và điện trở của bóng đèn không đổi như sách giáo khoa giả thiết. Ngoài đời, dây tóc nóng lên thì điện trở tăng nên số đo thật lệch đi một chút.

Vì sao hai bóng đèn mắc nối tiếp lại sáng yếu hơn?

Khi mắc nối tiếp, hai đèn chia nhau hiệu điện thế của nguồn: mỗi đèn 6 Ω chỉ còn 3 V, dòng điện còn 0,5 A, nên công suất mỗi đèn là 3 × 0,5 = 1,5 W, bằng một phần tư công suất định mức 6 W. Khi mắc song song, mỗi đèn nhận đủ 6 V nên sáng bình thường.

Đoản mạch là gì và vì sao nguy hiểm?

Đoản mạch là khi hai cực nguồn được nối với nhau qua một đường gần như không có điện trở. Dòng điện khi đó rất lớn, làm dây nóng lên, có thể gây cháy. Vì vậy mạch điện trong nhà luôn có cầu chì hoặc aptomat để tự ngắt khi dòng điện quá lớn.

Chiều dòng điện và chiều chuyển động của electron khác nhau thế nào?

Chiều dòng điện được quy ước từ cực + qua mạch ngoài về cực −. Electron mang điện âm nên chuyển động theo chiều ngược lại, từ cực − sang cực +. Bật nút "Electron" để thấy các chấm xanh chạy ngược với các chấm vàng.

Có cần cài đặt không, dùng trên bảng tương tác được không?

Không cần cài đặt hay đăng ký, mô phỏng chạy ngay trên trình duyệt và miễn phí. Trên bảng tương tác cảm ứng, mỗi ngón tay kéo được một linh kiện riêng, nên hai học sinh có thể cùng lắp mạch một lúc. Trên điện thoại, khay linh kiện nằm ở dưới và vuốt ngang để xem hết.