Điện cánh buồm: Dự án STEM về “gió điện từ” trong chất lỏng dẫn điện

Từ một thí nghiệm lạ đến bài học về lực Ampère, mômen lực và bảo toàn mômen động lượng.

Câu hỏi mở đầu

Có thể làm cho một vật chuyển động bằng cách “thổi” vào chính cánh buồm gắn trên nó không? Trong đời sống thường ngày, câu trả lời gần như là không. Nhưng trong một thí nghiệm vật lí thú vị, một nam châm gắn cánh buồm có thể quay cùng chiều với chất lỏng dẫn điện mà chính từ trường của nam châm góp phần làm quay.

Mục lục

• 1. Hiện tượng trung tâm của dự án
• 2. Vì sao đây là một dự án STEM rất hay?
• 3. Cơ sở vật lí của hiện tượng
• 4. Nghịch lí biểu kiến: vì sao nam châm không quay?
• 5. Cánh buồm làm thay đổi điều gì?
• 6. Toàn hệ và bảo toàn mômen động lượng
• 7. Thiết kế dự án STEM
• 8. Vật liệu và dụng cụ gợi ý
• 9. Các phiên bản triển khai
• 10. Gợi ý tiến trình dạy học
• 11. Câu hỏi thảo luận chuyên sâu
• 12. Năng lượng đến từ đâu?
• 13. Khó khăn thực nghiệm và cách xử lí
• 14. Sản phẩm học sinh có thể nộp
• 15. Rubric đánh giá gợi ý
• 16. Ý nghĩa giáo dục của dự án
• 17. Kết luận

1. Hiện tượng trung tâm của dự án

Ta xét một cuvet hình trụ chứa chất lỏng dẫn điện, chẳng hạn dung dịch đồng sunfat \(CuSO_4\). Thành trong của cuvet là điện cực ngoài, còn ở tâm cuvet có một thanh kim loại đóng vai trò điện cực trong. Khi nối hai điện cực với nguồn điện một chiều, dòng điện chạy trong chất lỏng theo phương gần như bán kính, từ ngoài vào trong hoặc từ trong ra ngoài tùy cách mắc cực.

Phía trên bề mặt chất lỏng đặt một nam châm hình trụ. Nam châm tạo ra từ trường xuyên qua vùng chất lỏng có dòng điện. Khi đó, phần chất lỏng mang dòng điện chịu tác dụng của lực Ampère. Lực này có phương vuông góc với cả chiều dòng điện và chiều cảm ứng từ, nên có thể tạo ra chuyển động quay của chất lỏng.

Nói ngắn gọn, mật độ lực từ tác dụng lên chất lỏng mang dòng điện được mô tả bởi:

\[ \vec f = \vec j \times \vec B. \]

Trong đó \(\vec j\) là mật độ dòng điện trong chất lỏng, còn \(\vec B\) là cảm ứng từ do nam châm tạo ra. Nếu dòng điện trong chất lỏng hướng theo bán kính, còn từ trường có thành phần thẳng đứng, lực từ sẽ có phương tiếp tuyến. Phương tiếp tuyến chính là phương gây quay.

Hình 1. Nam châm phía trên chất lỏng có dòng điện.

Điều thú vị là: nếu chỉ treo nam châm phía trên chất lỏng, nam châm gần như không quay. Nhưng nếu gắn thêm các “cánh buồm” nhỏ vào nam châm, sao cho các cánh buồm tiếp xúc hoặc gần tiếp xúc với dòng chất lỏng quay, thì nam châm có thể quay cùng chiều với chất lỏng.

Hình 2. Nam châm có cánh buồm trong chất lỏng có dòng điện.

Có thể nói một cách hình tượng rằng nam châm đã tạo ra một loại “gió điện từ” trong chất lỏng, rồi chính cánh buồm gắn trên nam châm hứng lấy “gió” ấy.

2. Vì sao đây là một dự án STEM rất hay?

Dự án này hấp dẫn vì nó không chỉ là một thí nghiệm minh họa công thức. Nó buộc học sinh phải trả lời nhiều câu hỏi sâu:

1. Vì sao chất lỏng lại quay khi có dòng điện và từ trường?
2. Vì sao nam châm không có cánh buồm gần như không quay?
3. Vì sao khi gắn cánh buồm, nam châm lại quay cùng chiều với chất lỏng?
4. Có phải nam châm đang “tự thổi vào cánh buồm của mình” không?
5. Mômen quay phụ thuộc thế nào vào cường độ dòng điện?
6. Có thể đo định lượng mômen quay hay chỉ quan sát định tính?

Đây là một dự án STEM đúng nghĩa vì học sinh phải kết hợp nhiều thành tố:

Thành tố STEM	Nội dung thể hiện trong dự án
Science	Lực Ampère, từ trường, dòng điện trong chất lỏng, mômen lực, bảo toàn mômen động lượng.
Technology	Dùng nguồn điện một chiều, ampe kế, camera điện thoại, cảm biến quay nếu có.
Engineering	Thiết kế cuvet, điện cực, giá treo nam châm, cánh buồm, cơ cấu giảm ma sát.
Mathematics	Xử lí số liệu, vẽ đồ thị, kiểm tra quan hệ tuyến tính, ước lượng mômen lực.

3. Cơ sở vật lí của hiện tượng

3.1. Dòng điện trong chất lỏng dẫn điện

Trong kim loại, dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của electron tự do. Trong dung dịch điện phân như \(CuSO_4\), dòng điện do các ion dương và ion âm chuyển động dưới tác dụng của điện trường.

Khi đặt điện áp giữa điện cực ngoài và điện cực trong, điện trường trong dung dịch có phương gần theo bán kính. Vì vậy, dòng điện trong dung dịch cũng có xu hướng đi theo phương bán kính.

Nếu gọi \(I\) là cường độ dòng điện toàn phần, thì mật độ dòng điện tại một điểm phụ thuộc vào diện tích bề mặt mà dòng điện đi qua. Trong mô hình gần đúng đối xứng trụ, ở khoảng cách \(r\) tính từ tâm, dòng điện đi qua mặt trụ có diện tích:

\[ S = 2\pi r h, \]

với \(h\) là chiều cao phần dung dịch có dòng điện. Khi đó mật độ dòng điện trung bình có thể ước lượng:

\[ j(r) = \frac{I}{2\pi r h}. \]

Công thức này cho thấy mật độ dòng điện lớn hơn ở gần điện cực trung tâm, nơi \(r\) nhỏ.

3.2. Lực Ampère tác dụng lên chất lỏng

Khi một phần tử chất lỏng mang dòng điện đặt trong từ trường, nó chịu lực từ. Dạng tổng quát theo mật độ lực là:

\[ \vec f = \vec j \times \vec B. \]

Nếu \(\vec j\) hướng theo bán kính và \(\vec B\) có phương thẳng đứng, thì \(\vec f\) có phương tiếp tuyến. Phương tiếp tuyến chính là phương gây quay.

Độ lớn mật độ lực là:

\[ f = jB\sin\theta. \]

Trong trường hợp \(\vec j\) gần vuông góc với \(\vec B\), ta có:

\[ f \approx jB. \]

Như vậy, khi tăng dòng điện \(I\), mật độ dòng điện \(j\) tăng, lực từ tăng, và chất lỏng quay nhanh hơn.

Điểm mấu chốt

Dòng điện theo phương bán kính kết hợp với từ trường gần thẳng đứng sẽ tạo lực từ theo phương tiếp tuyến. Chính thành phần lực tiếp tuyến này làm chất lỏng quay.

3.3. Mômen lực làm chất lỏng quay

Một lực tiếp tuyến tác dụng tại khoảng cách \(r\) so với trục quay sẽ tạo mômen lực:

\[ dN = r\,dF. \]

Với chất lỏng, lực từ tác dụng phân bố trên toàn bộ thể tích có dòng điện. Vì vậy, mômen tổng cộng là tổng, hoặc tích phân, của các mômen vi phân:

\[ N = \int r\,dF. \]

Trong mô hình đơn giản, nếu từ trường và dòng điện không biến thiên quá phức tạp, ta có thể dự đoán mômen quay tăng gần tuyến tính theo cường độ dòng điện:

\[ N \propto I. \]

Đây là một điểm rất quan trọng cho dự án STEM: học sinh có thể kiểm chứng bằng thí nghiệm xem góc quay hoặc tốc độ quay có tỉ lệ với cường độ dòng điện hay không.

4. Nghịch lí biểu kiến: vì sao nam châm không quay?

Một câu hỏi tự nhiên là: nếu nam châm tạo ra từ trường làm chất lỏng quay, thì theo định luật III Newton và bảo toàn mômen động lượng, nam châm có phải quay ngược lại không?

Trực giác ban đầu có thể nói “có”. Nhưng thực nghiệm cho thấy nam châm không có cánh buồm gần như không quay.

Để hiểu điều này, cần phân biệt giữa:

1. lực tác dụng lên chất lỏng;
2. lực tác dụng lên nam châm;
3. mômen lực đối với trục quay.

Không phải cứ có lực là có quay. Muốn một vật quay quanh trục, lực tác dụng lên vật phải tạo ra mômen lực đối với trục đó.

Nếu lực tác dụng lên nam châm có phương đi qua trục hoặc có phân bố đối xứng sao cho tổng mômen bằng không, thì nam châm không quay.

Với một nam châm được từ hóa đều theo phương thẳng đứng, có thể hình dung các dòng điện phân tử tương đương như những dòng điện chạy quanh vành đĩa. Tác dụng từ của mạch điện ngoài và dòng điện trong chất lỏng lên các dòng điện phân tử ấy tạo lực theo phương bán kính, nên không tạo mômen quay đối với nam châm.

Hình 3. Mô hình nam châm có cánh buồm.

Nói cách khác, điều quyết định không chỉ là lực, mà là mômen của lực:

\[ \vec N = \vec r \times \vec F. \]

Nếu \(\vec F\) cùng phương với \(\vec r\), thì:

\[ \vec N = 0. \]

Đây là một điểm rất đáng khai thác trong dạy học: học sinh thường nghĩ “có lực thì có chuyển động”, nhưng trong chuyển động quay, câu hỏi đúng phải là “có mômen lực hay không?”.

5. Cánh buồm làm thay đổi điều gì?

Khi gắn các cánh buồm nhỏ vào nam châm, tình hình thay đổi.

Chất lỏng bị lực Ampère làm quay. Dòng chất lỏng quay va chạm, kéo hoặc đẩy vào các cánh buồm. Các cánh buồm nhận mômen từ chất lỏng, và vì chúng gắn với nam châm nên kéo nam châm quay theo.

Điều này có vẻ giống như nam châm “tự thổi vào cánh buồm của mình”, nhưng cần hiểu cẩn thận.

Nam châm không trực tiếp tự đẩy chính nó. Nam châm tạo từ trường; từ trường tác dụng lên dòng điện trong chất lỏng; chất lỏng quay; chất lỏng tác dụng cơ học lên cánh buồm; cánh buồm kéo nam châm quay.

Chuỗi tác dụng có thể viết như sau:

\[ \text{Nam châm} \rightarrow \text{Từ trường} \rightarrow \text{Lực Ampère lên chất lỏng} \rightarrow \text{Chất lỏng quay} \rightarrow \text{Cánh buồm nhận mômen} \rightarrow \text{Nam châm quay}. \]

Nói hình tượng, nam châm tạo ra một loại “gió điện từ” trong chất lỏng, rồi cánh buồm hứng lấy “gió” ấy.

Ẩn dụ dễ nhớ

Trong thí nghiệm này, chất lỏng dẫn điện đóng vai trò như “không khí”, lực Ampère đóng vai trò như “nguồn tạo gió”, còn các cánh buồm nhỏ biến chuyển động của chất lỏng thành chuyển động quay của nam châm.

6. Toàn hệ và bảo toàn mômen động lượng

Một điểm rất sâu của thí nghiệm là không thể chỉ xét riêng nam châm và chất lỏng. Cần xét toàn hệ gồm:

• nam châm có cánh buồm;
• chất lỏng dẫn điện;
• các điện cực;
• dây dẫn ngoài;
• nguồn điện;
• giá đỡ hoặc Trái Đất nếu hệ không hoàn toàn tự do.

Trong một hệ kín lí tưởng, tổng mômen lực ngoài bằng không thì mômen động lượng toàn hệ được bảo toàn:

\[ \frac{d\vec L}{dt} = \vec N_{\text{ngoài}}. \]

Nếu:

\[ \vec N_{\text{ngoài}} = 0, \]

thì:

\[ \vec L = \text{hằng số}. \]

Trong mô hình gồm ba phần: nam châm có cánh buồm, phần chất lỏng và dây dẫn ngoài, tổng mômen lực của hệ kín bằng không:

\[ \vec N = 0. \]

Sau khi loại bỏ các tương tác không tạo quay, còn lại hai mômen chính:

\[ \vec N_L + \vec N_C = 0. \]

Ở đây \(\vec N_L\) là mômen tác dụng lên chất lỏng, còn \(\vec N_C\) liên quan tới phần còn lại của mạch. Điểm này giúp học sinh hiểu rằng sự quay của chất lỏng không xuất hiện “miễn phí”. Luôn có phần khác của hệ nhận mômen ngược lại.

Trong thí nghiệm thực tế, một phần mômen có thể truyền cho điện cực, dây dẫn, giá đỡ, mặt bàn và cuối cùng là Trái Đất.

7. Thiết kế dự án STEM

7.1. Mục tiêu của dự án

Sau khi hoàn thành dự án, học sinh có thể:

1. giải thích được lực Ampère tác dụng lên chất lỏng dẫn điện;
2. mô tả được vì sao chất lỏng quay trong từ trường;
3. phân biệt lực và mômen lực trong chuyển động quay;
4. giải thích vai trò của cánh buồm gắn trên nam châm;
5. thiết kế được mô hình thí nghiệm kiểm chứng hiện tượng;
6. thu thập số liệu và vẽ đồ thị liên hệ giữa dòng điện và góc quay hoặc tốc độ quay;
7. thảo luận được bảo toàn mômen động lượng trong một hệ điện từ – cơ học.

7.2. Câu hỏi định hướng

Có thể đặt vấn đề cho học sinh bằng một câu hỏi gây tò mò:

Câu hỏi dự án

Một nam châm có thể làm chất lỏng quay. Vậy có thể dùng chính dòng chất lỏng ấy để làm nam châm quay lại hay không?

Hoặc có thể đặt theo cách gần gũi hơn:

Câu hỏi dự án

Có thể tạo ra một chiếc thuyền buồm chạy bằng “gió điện từ” không?

Các câu hỏi phụ:

• Nếu đảo chiều dòng điện thì chiều quay có đổi không?
• Nếu lật cực nam châm thì chiều quay có đổi không?
• Nếu tăng dòng điện thì tốc độ quay thay đổi thế nào?
• Nếu đưa nam châm ra xa mặt chất lỏng thì hiện tượng yếu đi hay mạnh lên?
• Nếu bỏ cánh buồm thì nam châm còn quay không?
• Nếu thay đổi số cánh buồm thì tốc độ quay thay đổi thế nào?
• Nếu thay đổi diện tích cánh buồm thì mômen quay thay đổi thế nào?

8. Vật liệu và dụng cụ gợi ý

Một mô hình STEM có thể dùng các vật liệu sau:

• nam châm tròn hoặc nam châm hình trụ;
• cốc hoặc hộp nhựa tròn làm cuvet;
• lá đồng hoặc dây đồng làm điện cực ngoài;
• thanh đồng hoặc đinh đồng làm điện cực trung tâm;
• dung dịch \(CuSO_4\) loãng hoặc dung dịch điện phân phù hợp;
• nguồn điện một chiều hạ áp;
• ampe kế hoặc đồng hồ đo điện đa năng;
• dây nối điện;
• công tắc;
• chỉ mảnh hoặc dây treo mảnh;
• nhựa mỏng để làm cánh buồm;
• keo dán;
• giá đỡ;
• thước đo góc;
• điện thoại quay video để đo tốc độ góc.

An toàn thí nghiệm

Nên dùng nguồn điện một chiều thấp áp, có giới hạn dòng điện. Không chạm tay vào hai điện cực khi mạch đang hoạt động. Nếu dùng dung dịch \(CuSO_4\), cần tránh tiếp xúc trực tiếp với da, không nếm, không ngửi gần và xử lí hóa chất thải đúng quy định.

9. Các phiên bản triển khai

9.1. Phiên bản 1: Quan sát định tính

Ở mức đơn giản nhất, học sinh chỉ cần quan sát:

• khi chưa có dòng điện, chất lỏng đứng yên;
• khi bật dòng điện, chất lỏng bắt đầu quay;
• khi tăng dòng điện, chất lỏng quay nhanh hơn;
• khi có cánh buồm, nam châm quay theo;
• khi bỏ cánh buồm, nam châm không quay rõ rệt.

Phiên bản này phù hợp để trình diễn trên lớp hoặc dùng làm hoạt động mở đầu cho bài học về lực từ.

9.2. Phiên bản 2: Khảo sát chiều quay

Học sinh thay đổi chiều dòng điện và chiều cực từ của nam châm. Từ quy tắc bàn tay trái hoặc tích có hướng:

\[ \vec f = \vec j \times \vec B, \]

học sinh dự đoán chiều quay của chất lỏng, sau đó kiểm tra bằng thực nghiệm.

Trường hợp	Chiều dòng điện	Cực nam châm hướng xuống	Dự đoán chiều quay	Quan sát
1	Từ ngoài vào tâm	N	...	...
2	Từ tâm ra ngoài	N	...	...
3	Từ ngoài vào tâm	S	...	...
4	Từ tâm ra ngoài	S	...	...

9.3. Phiên bản 3: Khảo sát định lượng

Ở mức nâng cao, học sinh đo góc quay \(\varphi\) của nam châm treo bằng dây mảnh. Nếu dây treo có độ cứng xoắn \(k\), mômen quay liên hệ với góc quay bởi:

\[ N = k\varphi. \]

Hệ số \(k\) có thể xác định thông qua chu kì dao động xoắn:

\[ T = 2\pi\sqrt{\frac{J}{k}}, \]

trong đó \(J\) là mômen quán tính của nam châm. Suy ra:

\[ k = \frac{4\pi^2J}{T^2}. \]

Sau khi biết \(k\), đo \(\varphi\) ở các giá trị dòng điện khác nhau, học sinh tính được:

\[ N = k\varphi. \]

Nếu mômen quay tỉ lệ với dòng điện, đồ thị \(N\) theo \(I\) gần là một đường thẳng:

\[ N \propto I. \]

Hình 4. Mômen quay, góc quay của nam châm và cường độ dòng điện.

9.4. Phiên bản 4: Thiết kế tối ưu cánh buồm

Học sinh có thể thay đổi:

• số cánh buồm;
• chiều cao cánh buồm;
• chiều rộng cánh buồm;
• góc nghiêng cánh buồm;
• khoảng cách giữa nam châm và mặt chất lỏng;
• loại chất lỏng điện phân;
• nồng độ dung dịch.

Sau đó tìm cấu hình làm nam châm quay nhanh nhất hoặc tạo mômen lớn nhất. Đây là phần rất “STEM”, vì học sinh phải thiết kế, thử nghiệm, thất bại, điều chỉnh và tối ưu hóa.

10. Gợi ý tiến trình dạy học

10.1. Giai đoạn 1: Khơi gợi vấn đề

Giáo viên đặt câu hỏi:

Câu hỏi khởi động

Một chiếc thuyền có thể chạy nếu ta ngồi trên thuyền và thổi vào cánh buồm của chính nó không?

Học sinh thảo luận. Phần lớn sẽ trả lời không. Sau đó giáo viên giới thiệu biến thể:

Biến thể vật lí

Nếu thay không khí bằng chất lỏng dẫn điện, thay gió thường bằng lực điện từ, và thay thuyền bằng nam châm có cánh buồm thì sao?

10.2. Giai đoạn 2: Dự đoán

Học sinh dự đoán hiện tượng:

1. Chất lỏng có quay không?
2. Nam châm không cánh buồm có quay không?
3. Nam châm có cánh buồm quay cùng chiều hay ngược chiều chất lỏng?

Nên yêu cầu học sinh viết lí do, không chỉ chọn đáp án.

10.3. Giai đoạn 3: Thí nghiệm

Giáo viên hoặc nhóm học sinh lắp mô hình, bật dòng điện và quan sát. Có thể dùng mạt nhỏ, hạt nhẹ, bột mịn hoặc phẩm màu để thấy chuyển động của chất lỏng.

10.4. Giai đoạn 4: Giải thích

Học sinh dùng quy tắc bàn tay trái hoặc tích có hướng để giải thích lực từ:

\[ \vec f = \vec j \times \vec B. \]

Sau đó giải thích vì sao lực tiếp tuyến làm chất lỏng quay, còn cánh buồm nhận mômen từ dòng chất lỏng quay.

10.5. Giai đoạn 5: Mở rộng định lượng

Học sinh đo \(I\), \(\varphi\), hoặc tốc độ quay \(\omega\), rồi lập bảng, vẽ đồ thị và rút ra kết luận.

Lần đo	\(I\) (A)	\(\varphi\) (rad)	\(N = k\varphi\) (N.m)	\(\omega\) (rad/s)	Nhận xét
1	...	...	...	...	...
2	...	...	...	...	...
3	...	...	...	...	...

11. Câu hỏi thảo luận chuyên sâu

Câu hỏi 1. Nếu đảo chiều dòng điện nhưng giữ nguyên cực nam châm, chiều quay thay đổi thế nào?

Vì:

\[ \vec f = \vec j \times \vec B, \]

nên khi \(\vec j\) đổi chiều, \(\vec f\) đổi chiều. Do đó chiều quay của chất lỏng cũng đổi chiều.

Câu hỏi 2. Nếu đảo cực nam châm nhưng giữ nguyên chiều dòng điện, chiều quay thay đổi thế nào?

Khi đảo cực nam châm, chiều của \(\vec B\) đổi. Vì \(\vec f = \vec j \times \vec B\), nên lực từ đổi chiều và chiều quay cũng đổi.

Câu hỏi 3. Nếu đồng thời đảo chiều dòng điện và đảo cực nam châm, chiều quay có đổi không?

Khi cả \(\vec j\) và \(\vec B\) cùng đổi chiều, tích có hướng \(\vec j \times \vec B\) không đổi chiều. Vì vậy chiều quay không đổi.

Câu hỏi 4. Vì sao nam châm không cánh buồm không quay rõ, mặc dù nó tạo từ trường làm chất lỏng quay?

Vì lực tác dụng lên các dòng điện phân tử tương đương trong nam châm có phân bố sao cho không tạo ra mômen quay tổng cộng. Nói ngắn gọn, có lực nhưng không có mômen lực đối với trục quay.

Câu hỏi 5. Cánh buồm có cần dẫn điện không?

Không. Trong thí nghiệm này, cánh buồm đóng vai trò cơ học: nhận lực kéo từ chất lỏng quay. Chúng không cần dẫn điện. Thậm chí có thể làm cánh buồm bằng nhựa mỏng.

Câu hỏi 6. Dòng chất lỏng quay có phải là “gió” không?

Theo nghĩa thông thường, không. Nhưng về mặt cơ học, dòng chất lỏng chuyển động tương đối so với cánh buồm có thể tác dụng lực lên cánh buồm, giống như gió tác dụng lên buồm. Vì vậy có thể gọi hình tượng là “gió điện từ”.

12. Năng lượng đến từ đâu?

Một hiểu lầm dễ xuất hiện là: nam châm có vẻ như tự làm mình quay, vậy có phải ta đã tạo ra chuyển động mà không cần năng lượng?

Không. Năng lượng đến từ nguồn điện.

Nguồn điện duy trì dòng điện trong chất lỏng. Dòng điện trong từ trường chịu lực Ampère, làm chất lỏng chuyển động. Một phần năng lượng điện chuyển thành cơ năng quay của chất lỏng và nam châm có cánh buồm; phần còn lại biến thành nhiệt do điện trở của dung dịch và dây dẫn.

Sơ đồ chuyển hóa năng lượng là:

\[ \text{Điện năng} \rightarrow \text{Cơ năng quay} + \text{Nhiệt năng}. \]

Công suất điện cung cấp cho mạch là:

\[ P = UI. \]

Trong đó một phần có thể chuyển thành công suất cơ học:

\[ P_{\text{cơ}} = N\omega, \]

với \(N\) là mômen quay và \(\omega\) là tốc độ góc.

Hiệu suất của mô hình chắc chắn không cao, nhưng mục tiêu của dự án không phải là tạo động cơ hiệu suất lớn. Mục tiêu là hiểu được sự liên hệ giữa điện, từ và chuyển động cơ học.

13. Khó khăn thực nghiệm và cách xử lí

13.1. Chất lỏng quay yếu

Nguyên nhân có thể là:

• dòng điện quá nhỏ;
• nam châm quá xa mặt chất lỏng;
• từ trường yếu;
• dung dịch dẫn điện kém;
• ma sát lớn;
• cánh buồm quá nhỏ.

Cách xử lí:

• giảm khoảng cách giữa nam châm và mặt chất lỏng;
• tăng diện tích cánh buồm;
• dùng nam châm mạnh hơn;
• kiểm tra lại tiếp xúc điện;
• tăng nhẹ nồng độ dung dịch điện phân trong giới hạn an toàn;
• giảm ma sát ở hệ treo.

13.2. Có bọt khí ở điện cực

Khi điện phân xảy ra, có thể xuất hiện bọt khí ở điện cực. Bọt khí làm dòng điện không ổn định và gây nhiễu chuyển động chất lỏng.

Cách xử lí:

• dùng điện áp thấp;
• không chạy thí nghiệm quá lâu;
• làm sạch điện cực;
• ghi nhận hiện tượng bọt khí như một yếu tố sai số.

13.3. Nam châm bị hút lệch hoặc chạm chất lỏng

Nam châm cần được treo cân bằng, không chạm thành cuvet và không chạm điện cực. Nếu chạm, ma sát sẽ làm sai kết quả.

13.4. Dây treo xoắn không đều

Nếu dùng dây treo để đo mômen quay, cần kiểm tra dây có tính đàn hồi xoắn tương đối ổn định. Nên đo nhiều lần chu kì dao động xoắn để giảm sai số.

14. Sản phẩm học sinh có thể nộp

Một dự án STEM không nên chỉ dừng ở việc “làm cho quay”. Có thể yêu cầu học sinh nộp các sản phẩm sau:

1. mô hình thí nghiệm hoạt động được;
2. bản vẽ thiết kế cuvet, điện cực, cánh buồm;
3. video ghi lại quá trình hoạt động;
4. bảng số liệu \(I\), \(\varphi\), \(\omega\) hoặc thời gian quay;
5. đồ thị biểu diễn quan hệ giữa đại lượng đầu vào và đầu ra;
6. phần giải thích vật lí bằng công thức;
7. phân tích sai số và đề xuất cải tiến;
8. báo cáo cuối cùng hoặc poster khoa học.

15. Rubric đánh giá gợi ý

Tiêu chí	Mức đạt yêu cầu	Mức khá	Mức tốt
Thiết kế mô hình	Lắp được mô hình cơ bản.	Mô hình hoạt động ổn định.	Mô hình đẹp, chắc chắn, dễ đo.
Hiểu hiện tượng	Nêu được chất lỏng quay do lực từ.	Giải thích đúng chiều lực.	Phân tích được mômen lực và vai trò cánh buồm.
Đo đạc	Có số liệu đơn giản.	Có bảng và đồ thị.	Có xử lí sai số, lặp phép đo.
Công thức vật lí	Dùng được \(\vec f = \vec j \times \vec B\).	Liên hệ được \(N = k\varphi\).	Phân tích được bảo toàn mômen động lượng.
Sáng tạo	Làm theo mẫu.	Có cải tiến nhỏ.	Có phương án tối ưu hóa rõ ràng.
Trình bày	Báo cáo đủ ý.	Báo cáo rõ ràng.	Báo cáo thuyết phục, có hình ảnh, video, đồ thị.

16. Ý nghĩa giáo dục của dự án

Điểm đáng quý của dự án này là nó làm cho học sinh thấy vật lí không chỉ là công thức có sẵn. Cùng một công thức:

\[ \vec f = \vec j \times \vec B, \]

nếu đặt trong một bối cảnh khéo léo, có thể dẫn tới một hiện tượng vừa lạ, vừa sâu, vừa gợi tranh luận.

Học sinh có thể bắt đầu bằng một câu hỏi tưởng như vui:

Câu hỏi gợi tò mò

Có thể tự thổi vào buồm của mình để chuyển động không?

Nhưng sau đó các em phải đi qua nhiều tầng vật lí:

• dòng điện trong môi trường điện phân;
• từ trường của nam châm;
• lực Ampère;
• mômen lực;
• chuyển động quay;
• bảo toàn mômen động lượng;
• chuyển hóa năng lượng;
• sai số thực nghiệm.

Đó chính là tinh thần của giáo dục STEM: từ một hiện tượng cụ thể, học sinh học cách đặt câu hỏi, thiết kế mô hình, kiểm chứng giả thuyết, đo đạc, xử lí dữ liệu và xây dựng lời giải thích khoa học.

17. Kết luận

Kết luận

“Điện cánh buồm” là một dự án STEM rất đáng triển khai trong dạy học điện từ học. Nó đủ đơn giản để học sinh phổ thông có thể tiếp cận, nhưng cũng đủ sâu để mở ra nhiều thảo luận nghiêm túc về lực từ, mômen lực và bảo toàn mômen động lượng.

Trong mô hình này, nam châm không đơn giản là một vật bị động tạo ra từ trường. Nó tham gia vào một chuỗi tương tác thú vị: tạo từ trường, làm chất lỏng dẫn điện quay, rồi nhờ cánh buồm mà nhận lại chuyển động từ chính dòng chất lỏng ấy.

Nói hình tượng, nam châm đã tạo ra một thứ “gió điện từ” trong chất lỏng — và cánh buồm của nó hứng lấy cơn gió ấy.

Vì vậy, nếu cần một dự án STEM vừa đẹp mắt, vừa giàu chất vật lí, vừa có khả năng kích thích tư duy phản biện, thì Điện cánh buồm là một lựa chọn rất hấp dẫn.

Read More

Không còn cái thời quay cóp nữa rồi, đã có phần mềm tạo đề thi thông minh Random Quiz

Random Quiz – Phần mềm tạo đề thi thông minh, chống quay cóp và chống lộ đề hiệu quả

Trong các bài kiểm tra hiện nay, đặc biệt là kiểm tra trắc nghiệm, một trong những vấn đề khiến giáo viên đau đầu nhất chính là tình trạng học sinh trao đổi bài, quay cóp và gian lận trong quá trình làm bài.

Thực tế cho thấy, dù giáo viên coi kiểm tra rất nghiêm túc, việc kiểm soát hoàn toàn vẫn không hề dễ dàng. Lớp học ở Việt Nam thường khá đông, khoảng cách giữa học sinh không phải lúc nào cũng đủ rộng. Chỉ cần một ký hiệu nhỏ, một ánh mắt, một câu trao đổi rất nhanh, học sinh đã có thể chia sẻ đáp án cho nhau.

Khe hở lớn nhất nằm ở chính cấu trúc của nhiều đề kiểm tra trắc nghiệm hiện nay: các mã đề tuy có xáo trộn thứ tự câu hỏi hoặc đảo thứ tự đáp án, nhưng nội dung câu hỏi và số liệu bài toán vẫn giống nhau. Khi đó, việc trao đổi bài vẫn rất dễ xảy ra. Học sinh không nhất thiết phải đọc nguyên câu hỏi; đôi khi chỉ cần nhận ra bài toán quen thuộc, số liệu quen thuộc hoặc đáp án tương ứng là đã có thể trao đổi được.

Vấn đề còn nghiêm trọng hơn với những giáo viên dạy nhiều lớp cùng khối. Một lớp kiểm tra trước, lớp sau kiểm tra sau, đề rất dễ bị lộ. Nếu các đề chỉ khác nhau ở thứ tự câu hỏi hoặc vị trí đáp án A, B, C, D, học sinh ở lớp sau vẫn có thể biết trước dạng bài, số liệu, thậm chí cả đáp án. Điều này làm giảm tính công bằng của bài kiểm tra và khiến kết quả đánh giá không còn phản ánh đúng năng lực thực chất của học sinh.

Giáo viên tất nhiên đã tìm nhiều cách để khắc phục: tạo nhiều mã đề, trộn câu hỏi, đảo đáp án, thay đổi số liệu trong các bài toán. Nhưng trên thực tế, phần lớn công cụ tạo đề hiện nay vẫn chủ yếu dừng lại ở việc xáo trộn câu hỏi và phương án trả lời. Còn nếu muốn mỗi đề có số liệu khác nhau, giáo viên thường phải tự sửa thủ công từng câu, tự tính lại đáp án, tự kiểm tra đơn vị, tự làm tròn kết quả và tự rà soát từng mã đề. Công việc này vừa mất rất nhiều thời gian, vừa dễ nhầm lẫn, vừa khó duy trì nếu phải kiểm tra nhiều lớp.

Điểm mấu chốt

Muốn hạn chế quay cóp thật sự, đề kiểm tra không chỉ cần khác mã đề, khác thứ tự câu hỏi hay khác vị trí đáp án. Điều quan trọng hơn là các bài toán trong từng đề phải có số liệu khác nhau, đáp án khác nhau, nhưng vẫn đảm bảo cùng dạng bài, cùng chuẩn kiến thức và cùng mức độ khó.

Đừng vội nghe giới thiệu về Random Quiz, hãy xem trước sản phẩm

Trước khi nói Random Quiz làm được gì, thầy cô hãy xem ngay một sản phẩm thực tế: bộ 35 đề kiểm tra Vật lí được tạo tự động từ cùng một bộ câu hỏi gốc.

Khi mở bộ đề này, thầy cô sẽ thấy điểm khác biệt rất rõ: các đề không chỉ được đổi mã, không chỉ đảo thứ tự câu hỏi, cũng không chỉ đảo đáp án A, B, C, D. Ở nhiều bài toán, số liệu đã được thay đổi; đáp án vì thế cũng thay đổi theo. Tuy nhiên, dạng bài, yêu cầu kiến thức và mức độ khó giữa các đề vẫn được giữ tương đương.

Đây chính là điều giáo viên cần nhất khi muốn hạn chế quay cóp, trao đổi bài và lộ đề giữa các lớp: đề phải khác nhau thật sự, nhưng vẫn công bằng.

Xem trực tiếp bộ 35 đề Vật lí

Thầy cô có thể đọc trực tiếp bộ đề ngay trong bài viết hoặc tải về để xem kỹ từng mã đề.

Đây là 35 đề do Random Quiz tạo

Đây là đáp án Random Quiz tạo để có thể chấm bằng điện thoại

Tải bộ 35 đề Vật lí tại đây

Tải Đáp án có thể dùng để chấm bài bằng điện thoại

Nếu thầy cô đang xem trên điện thoại và khung PDF hiển thị chưa thuận tiện, hãy bấm vào link tải ở trên để mở file trong tab mới hoặc tải về thiết bị.

Random Quiz hoạt động trực tiếp trong Google Sheets, thông qua menu Extensions.

Random Quiz xuất hiện để giải quyết đúng điểm nghẽn đó

Đó là lý do Random Quiz trở thành một giải pháp gần như trọn vẹn cho vấn nạn quay cóp, trao đổi bài và lộ đề trong kiểm tra hiện nay.

Random Quiz không chỉ trộn câu hỏi, không chỉ đảo đáp án, cũng không chỉ tạo ra những mã đề khác nhau về hình thức. Điểm vượt trội của Random Quiz là khả năng thay đổi số liệu của các bài toán một cách thông minh, tự động và có kiểm soát.

Giáo viên chỉ cần soạn một lần bộ câu hỏi gốc. Với các bài toán có số liệu, giáo viên đặt biến cho các đại lượng, nhập công thức tính đáp án, thiết lập đơn vị, quy định cách làm tròn và giới hạn khoảng giá trị phù hợp với thực tế. Sau đó, Random Quiz sẽ tự động tạo ra hàng chục, hàng trăm, thậm chí nhiều hơn nữa các đề kiểm tra khác nhau trong thời gian rất ngắn.

Điều quan trọng là các đề do Random Quiz tạo ra khác nhau thật sự. Không phải chỉ khác thứ tự câu hỏi. Không phải chỉ khác vị trí đáp án A, B, C, D. Mà từng bài toán có thể có số liệu khác nhau, đáp án khác nhau, trong khi vẫn giữ nguyên dạng bài, chuẩn kiến thức, mức độ tư duy và độ khó tương đương.

Đây chính là điều mà các cách trộn đề thông thường rất khó làm được.

Nếu làm thủ công, giáo viên phải tự thay từng con số, tự tính lại đáp án, tự kiểm tra đơn vị, tự làm tròn kết quả, tự rà từng mã đề để tránh sai sót. Công việc đó vừa mất thời gian, vừa mệt mỏi, lại rất dễ nhầm. Với Random Quiz, toàn bộ phần việc lặp lại, nặng nhọc và dễ sai ấy được tự động hóa gần như hoàn toàn.

Nói ngắn gọn

Giáo viên tập trung vào chuyên môn và ý tưởng câu hỏi; Random Quiz lo phần còn lại: thay số liệu, tạo đề, tính đáp án, xử lý đơn vị, làm tròn và xuất đề theo đúng yêu cầu.

Nhờ cơ chế thay đổi số liệu thông minh, tạo đề tự động cực nhanh, số lượng đề linh hoạt, đáp án được tính theo công thức, đơn vị và kết quả được tinh chỉnh theo yêu cầu, Random Quiz giúp giáo viên tạo ra những bài kiểm tra công bằng hơn, khó quay cóp hơn và đáng tin cậy hơn.

Với các lớp học đông, với những giáo viên dạy nhiều lớp cùng khối, với các bài kiểm tra dễ bị lộ đề nếu dùng lại nội dung giống nhau, Random Quiz không chỉ là một công cụ hỗ trợ soạn đề. Đây có thể xem là một giải pháp thực sự hiệu quả để khắc phục tận gốc điểm yếu lớn nhất của kiểm tra trắc nghiệm hiện nay: đề khác mã nhưng nội dung vẫn giống nhau.

Nội dung bài viết

• Random Quiz khác gì so với cách trộn đề thông thường?
• Những tính năng nổi bật của Random Quiz
• Lợi ích thực tế đối với giáo viên
• Random Quiz phù hợp với ai?
• Các từ khóa giáo viên thường tìm kiếm
• Link cài đặt Random Quiz

Random Quiz khác gì so với cách trộn đề thông thường?

Cách trộn đề quen thuộc hiện nay thường chỉ xáo trộn thứ tự câu hỏi hoặc đảo thứ tự các phương án trả lời. Cách làm này tạo ra nhiều mã đề, nhưng chưa tạo ra sự khác biệt thực chất giữa các đề.

Giao diện nhập câu hỏi, nơi giáo viên có thể soạn nội dung, đặt biến số và nhập công thức tính đáp án.

Random Quiz đi xa hơn. Công cụ này cho phép giáo viên tạo đề từ một bộ câu hỏi gốc, trong đó các đại lượng có thể được đặt dưới dạng biến. Khi tạo đề, phần mềm sẽ tự động sinh số liệu khác nhau cho từng biến và tính đáp án tương ứng theo công thức đã được giáo viên khai báo.

Random Quiz hỗ trợ tạo bản in đề thi, xuất file đề và đáp án để giáo viên sử dụng trực tiếp.

Ví dụ đơn giản

Thay vì viết cố định: “Một vật có khối lượng 2 kg chuyển động với vận tốc 36 km/h. Tính động năng của vật”, giáo viên có thể viết theo dạng có biến: “Một vật khối lượng $m$ kg chuyển động với vận tốc $v$ km/h. Tính động năng của vật”.

Từ một câu hỏi như vậy, Random Quiz có thể tạo ra nhiều phiên bản khác nhau. Học sinh này có thể nhận bài toán với khối lượng và vận tốc này; học sinh khác có thể nhận bài toán với khối lượng và vận tốc khác. Đề khác nhau thật sự, nhưng bản chất kiến thức được kiểm tra vẫn giống nhau.

Những tính năng nổi bật của Random Quiz

1. Tạo nhiều đề khác nhau từ một bộ câu hỏi gốc

Giáo viên không cần soạn hàng chục bộ đề riêng biệt. Chỉ cần đầu tư vào bộ câu hỏi gốc, Random Quiz có thể tự động tạo ra nhiều đề kiểm tra khác nhau, phù hợp cho kiểm tra trên lớp, kiểm tra nhiều ca, nhiều lớp hoặc luyện tập định kỳ.

2. Thay đổi số liệu bài toán một cách thông minh

Đây là tính năng cốt lõi làm nên sự khác biệt của Random Quiz. Giáo viên có thể đặt biến, giới hạn khoảng giá trị của biến, nhập công thức tính đáp án và để phần mềm tự động xử lý phần còn lại.

3. Đề khác nhau nhưng vẫn công bằng

Các đề được tạo ra có số liệu khác nhau, đáp án khác nhau, nhưng vẫn dựa trên cùng cấu trúc câu hỏi. Nhờ đó, các mã đề giữ được sự tương đồng về chuẩn kiến thức, kỹ năng và mức độ khó.

4. Hạn chế quay cóp và giảm nguy cơ lộ đề

Khi mỗi học sinh nhận một đề có số liệu riêng, việc trao đổi đáp án trở nên khó hơn rất nhiều. Ngay cả khi học sinh biết dạng bài, các em vẫn phải tự làm với số liệu cụ thể trong đề của mình.

5. Hỗ trợ nhiều dạng câu hỏi

Random Quiz hỗ trợ các dạng câu hỏi phổ biến như trắc nghiệm nhiều lựa chọn, đúng - sai, trả lời ngắn hoặc tự luận. Điều này giúp giáo viên linh hoạt thiết kế đề theo yêu cầu kiểm tra đánh giá hiện nay.

6. Tạo đề thi để in và tổ chức thi online

Giáo viên có thể dùng Random Quiz để tạo đề in ra giấy hoặc tạo bài thi online. Công cụ cũng hỗ trợ gửi bài cho học sinh qua email và cập nhật kết quả sau khi học sinh hoàn thành bài thi.

Giao diện tạo bài thi online, giúp giáo viên tổ chức kiểm tra trực tuyến nhanh chóng.

Giao diện tạo bài thi online, giúp giáo viên tổ chức kiểm tra trực tuyến nhanh chóng.

Random Quiz hỗ trợ xem và tổng hợp kết quả bài thi online của học sinh.

Lợi ích thực tế đối với giáo viên

Tiết kiệm thời gian soạn đề

Thay vì phải soạn nhiều đề riêng biệt, giáo viên chỉ cần thiết kế một bộ câu hỏi gốc đủ tốt. Random Quiz sẽ giúp tạo ra nhiều phiên bản đề khác nhau trong thời gian ngắn.

Giảm sai sót khi thay số và tính đáp án

Khi làm thủ công, việc thay số liệu và tính lại đáp án cho từng mã đề rất dễ nhầm lẫn. Random Quiz giúp tự động hóa quá trình đó bằng công thức, giúp giảm đáng kể sai sót trong quá trình tạo đề.

Tăng tính công bằng trong kiểm tra

Các đề khác nhau về số liệu nhưng tương đương về cấu trúc và độ khó. Điều này giúp kết quả kiểm tra phản ánh tốt hơn năng lực thật của học sinh, thay vì bị ảnh hưởng bởi việc trao đổi bài hoặc lộ đề.

Phù hợp với thực tế lớp học đông

Trong những lớp học đông, giáo viên rất khó kiểm soát hoàn toàn việc học sinh trao đổi bài. Khi đề của mỗi học sinh có sự khác biệt thực chất, áp lực coi thi sẽ giảm đi đáng kể.

Dễ tiếp cận vì chạy trên Google Sheets

Random Quiz hoạt động trong môi trường Google Sheets, phù hợp với giáo viên đã quen sử dụng Google Drive, Google Sheets và Google Forms. Giáo viên không cần cài đặt phần mềm phức tạp trên máy tính.

Random Quiz phù hợp với ai?

• Giáo viên THCS, THPT muốn tạo nhiều mã đề kiểm tra nhanh và công bằng.
• Giáo viên các môn có bài tập tính toán như Vật lí, Toán, Hóa học, Sinh học, Tin học, Công nghệ.
• Giáo viên dạy nhiều lớp cùng khối, cần hạn chế tình trạng lớp sau biết trước đề của lớp trước.
• Giáo viên cần tổ chức kiểm tra trực tuyến qua Google Forms.
• Tổ chuyên môn muốn chuẩn hóa quy trình tạo đề, in đề và quản lý đáp án.
• Trung tâm giáo dục, lớp học thêm, nhóm ôn thi cần tạo đề luyện tập thường xuyên.

Các từ khóa giáo viên thường tìm kiếm

Nếu thầy cô đang tìm một công cụ hỗ trợ kiểm tra đánh giá, Random Quiz rất phù hợp với các nhu cầu sau:

• phần mềm tạo đề thi
• phần mềm trộn đề thi trắc nghiệm
• tạo đề thi trắc nghiệm online
• tạo nhiều mã đề tự động
• tạo đề thi Google Forms
• tạo đề thi trên Google Sheets
• tạo đề kiểm tra có số liệu ngẫu nhiên
• tạo đề Vật lí có số liệu ngẫu nhiên
• tạo đề Toán có đáp án tự động
• phần mềm chống quay cóp trong kiểm tra
• cách hạn chế học sinh trao đổi bài trắc nghiệm
• tạo đề kiểm tra công bằng giữa các mã đề
• tạo đề thi online cho giáo viên

Vì sao giáo viên nên thử Random Quiz?

Random Quiz không đơn thuần là một tiện ích trộn đề. Điểm đáng giá của công cụ này nằm ở cách nó giúp giáo viên thay đổi tư duy tạo đề: từ việc tạo thật nhiều câu hỏi riêng lẻ sang việc thiết kế một bộ câu hỏi gốc có khả năng sinh ra nhiều phiên bản tương đương.

Điều này đặc biệt hữu ích trong bối cảnh giáo viên cần tăng cường kiểm tra đánh giá thường xuyên, tổ chức kiểm tra linh hoạt, đồng thời vẫn đảm bảo công bằng và giảm tải công việc hành chính.

Kết luận

Với khả năng thay đổi số liệu bài toán thông minh, tạo đề tự động cực nhanh, tạo số lượng đề linh hoạt, tính đáp án theo công thức và hỗ trợ cả đề in lẫn đề online, Random Quiz là một công cụ rất đáng để giáo viên trải nghiệm. Đặc biệt, với những môn học có nhiều bài tập tính toán, Random Quiz có thể giúp giải quyết tận gốc vấn đề: đề khác mã nhưng nội dung vẫn giống nhau.

Cài đặt Random Quiz

Thầy cô có thể cài đặt Random Quiz trực tiếp từ Google Workspace Marketplace và sử dụng trong Google Sheets.

Cài đặt Random Quiz tại đây

Tài liệu hướng dẫn Random Quiz

Tài liệu hướng dẫn cài đặt Random Quiz

Tài liệu hướng dẫn sử dụng Random Quiz

Tải tài liệu hướng dẫn cài đặt Random Quiz

Tài liệu hướng dẫn cài đặt

Tải tài liệu hướng dẫn sử dụng Random Quiz

Video giới thiệu và hướng dẫn sử dụng Random Quiz

Random Quiz thông minh như thế nào?

Trong video dưới đây, các bạn có thể nhìn nhận về phần mềm Random Quiz bằng cách đơn giản hơn.

For international teachers

This article is written in Vietnamese, but you can use your browser’s translation feature to read it in English or other languages. Random Quiz is a Google Sheets add-on that helps teachers generate many fair test versions from one original question set by automatically changing numerical data and calculating corresponding answers.

Read More

Vì sao thường xuyên hít thở sâu thì cơ thể sẽ khỏe mạnh?

Vì sao hít thở sâu giúp cơ thể khỏe mạnh hơn trong môi trường hiện nay? Giữa nhịp sống đô thị, phòng máy lạnh kín cửa, khói bụi và thói quen ngồi nhiều, điều làm chúng ta “mệt mỏi âm thầm” không chỉ là thiếu vận động — mà còn là chất lượng không khí và cách chúng ta thở mỗi ngày. Bài viết này giải thích một cách dễ hiểu nhưng có cơ sở khoa học: vì sao cơ thể cần cả O₂ lẫn CO₂, vì sao cảm giác “ngột ngạt” trong phòng kín thường đến từ CO₂ tích tụ chứ không phải thiếu oxy, và vì sao thở sâu – thở đúng có thể giúp bạn tỉnh táo hơn, ngủ tốt hơn và cải thiện sức bền. Đồng thời, bạn sẽ có những gợi ý thực tế để cải tạo bầu không khí sống: cách thông gió hiệu quả, hiểu về ngưỡng CO₂ trong không gian kín, và những thói quen nhỏ giúp “làm mới” môi trường của bạn mỗi ngày.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ nói về tác động của oxy và khí cacbonic \(\big(\mathrm{CO_2}\big)\) lên con người — xét riêng rẽ và xét cùng nhau.

Một góc nhìn đang thu hút sự quan tâm hiện nay là xem vấn đề như một “cái nhìn kép”: vừa từ phía không khí được hít vào, vừa từ phía bên trong — tức là trong chính cơ thể. Nói theo cách khoa học hơn: vừa từ phía hô hấp ngoài (trao đổi giữa khí quyển và các tế bào trong phổi), vừa từ phía hô hấp trong (các quá trình trong tế bào và mô của cơ thể).

Giá trị trung bình của áp suất khí quyển ở mực nước biển xấp xỉ \(p_{\text{atm}} = 760\,\text{mmHg}\). Áp suất riêng phần của oxy vào khoảng \(160\,\text{mmHg}\), tương ứng gần \(21\%\). Oxy được cơ thể hấp thụ một phần, còn \(\mathrm{CO_2}\) được tạo ra như sản phẩm của các phản ứng oxy hóa.

Thành phần của không khí hít vào và thở ra được nêu trong bảng dưới đây.

	\(\mathrm{O_2}\)	\(\mathrm{CO_2}\)	\(\mathrm{Ar}\)	\(\mathrm{N_2}\)
Không khí hít vào	21%	0,04%	0,9%	78%
Không khí thở ra	16%	4%	0,9%	78%

Bảng 1. Thành phần không khí hít vào và thở ra

Những con số này nói lên điều gì? Nitơ và argon hầu như không được cơ thể con người sử dụng (chúng là các khí trơ). Mức độ “hấp thụ” oxy không lớn — khoảng \(0{,}25\). Sau khi hít vào, cơ thể lại thở ra phần lớn lượng oxy. \(\mathrm{CO_2}\) gần như không có trong không khí hít vào nhưng lại được tạo ra tích cực trong các phản ứng oxy hóa của cơ thể.

Tỉ lệ oxy bị cơ thể “lấy đi” (21% → 16% tức giảm 5%) khá gần với tỉ lệ \(\mathrm{CO_2}\) được tạo ra (4%).

Tính trơ của nitơ và argon trong các quá trình trao đổi chất đã từng dẫn tới ý tưởng “loại bỏ” chúng khi phải sống lâu trong không gian kín. Theo hướng đó, các phi hành gia Mỹ trong những chuyến bay vũ trụ đầu tiên đã chuyển sang thở oxy tinh khiết. Khi chỉ dùng \(\mathrm{O_2}\), áp suất làm việc thấp hơn áp suất khí quyển và vào khoảng \(260\text{–}280\,\text{mmHg}\).

Tuy nhiên, khi thời gian bay tăng lên, trong môi trường oxy tinh khiết, các phi hành gia bắt đầu gặp vấn đề với đường hô hấp. Hơn nữa, khí quyển oxy tinh khiết cũng nguy hiểm hơn. Các nhà du hành vũ trụ Liên Xô/Nga ngay từ đầu đã sử dụng hỗn hợp không khí gần giống trên Trái Đất, dù điều đó đòi hỏi hệ thống tái sinh không khí phức tạp hơn. Ngày nay, trong các chuyến bay vũ trụ và trong tàu ngầm, người ta dùng thành phần khí quyển kiểu Trái Đất.

Góc nhìn từ bên ngoài

Khoảng nồng độ oxy trong không khí phù hợp cho sự sống

Khoảng giá trị của áp suất riêng phần oxy \(p_{\mathrm{O_2}}\) trong không khí, trong đó con người có thể duy trì hoạt động sống trong thời gian dài, bị giới hạn bởi:

$$90\text{–}100\,\text{mmHg} < p_{\mathrm{O_2}} < 400\text{–}450\,\text{mmHg}.$$

Giới hạn dưới tương ứng với sự khởi phát của thiếu oxy, còn giới hạn trên là sự khởi phát của ngộ độc oxy. Theo tỉ lệ phần trăm, thiếu oxy ở người khỏe mạnh có thể xuất hiện khi hàm lượng \(\mathrm{O_2}\) trong không khí (xấp xỉ theo tỉ số \(\,p_{\mathrm{O_2}}/p_{\text{atm}}\,\)) nhỏ hơn \(14\%\) (với \(p_{\text{atm}} = 760\,\text{mmHg}\)).

Các số liệu này tương ứng với khả năng sinh tồn ở mực nước biển. Khi lên cao, áp suất giảm, điều này được thể hiện rõ qua các đường cong của áp suất khí quyển và áp suất riêng phần oxy (xem Hình 1).

Có thể thấy rằng начиная từ độ cao khoảng \(4{,}5\text{–}5\,\text{km}\), áp suất oxy trở nên thấp hơn giới hạn dưới cho phép là \(90\,\text{mmHg}\). Khi đó, áp suất không khí trong các phế nang vào khoảng \(105\text{–}110\,\text{mmHg}\), cũng khá gần giới hạn dưới. (Phần tiếp theo ở trang sau…)

Hình 1. Sự phụ thuộc của áp suất khí quyển và áp suất riêng phần của oxy (mmHg) theo độ cao so với mực nước biển (m). Trên hình có đánh dấu độ cao của các trại leo núi, dãy Kavkaz, Elbrus và Everest.

Khi áp suất riêng phần oxy giảm xuống mức khoảng \(100\,\text{mmHg}\), các quá trình trao đổi trong cơ thể chậm lại; nhịp thở và nhịp tim tăng; thị lực và hoạt động của não suy giảm… Vì vậy ở độ cao lớn, con người không thể sống thường xuyên, lâu dài. Ngược lại, gần giới hạn trên của áp suất oxy, \(\mathrm{O_2}\) bắt đầu gây kích ứng đường hô hấp trên: xuất hiện khô rát cổ họng, ho…

Ước tính thời gian phát triển thiếu oxy khi ở trong không gian kín

Để minh họa, ta xét một vài tình huống có người ở trong không gian kín: một người bị kẹt trong thang máy có thể tích \(V=2\,\text{m}^3\); hai người trong phòng có \(V=30\,\text{m}^3\); một trăm người bị kẹt trong toa metro đã dừng, với \(V=250\,\text{m}^3\).

Trong mỗi trường hợp, ta ước tính thời gian \(\Delta t\) để nồng độ \(\mathrm{O_2}\) trong thể tích kín \(V\) (khi mọi người thở yên tĩnh) giảm từ mức ban đầu \(21\%\) xuống ngưỡng bắt đầu thiếu oxy, tức \(14\%\). Nhấn mạnh: là thở yên tĩnh, vì khi hoảng loạn thời gian này sẽ giảm mạnh.

Với thở yên tĩnh, mức tiêu thụ oxy xấp xỉ \(0{,}25\,\text{L/min}\). Vì \(1\) lít \(\mathrm{O_2}\) tương ứng khoảng \(5\,\text{kcal}\) năng lượng, nên \(0{,}25\,\text{L/min}\) tương đương:

$$0{,}25\times 5\times 60\times 24 \approx 1800\,\text{kcal/day}.$$

Do mật độ cơ thể người khoảng \(\rho \approx 1000\,\text{kg/m}^3\), một người \(70\,\text{kg}\) chiếm thể tích khoảng \(V_{\text{cơ thể}} \approx 0{,}07\,\text{m}^3\) (tức \(70\) lít). Tính thêm quần áo, ta lấy ước lượng thể tích “chiếm chỗ” của một người là khoảng \(0{,}1\,\text{m}^3\) (100 lít).

Thang máy

Thể tích “không khí hữu dụng” (không bị cơ thể chiếm chỗ) khoảng \(1{,}9\,\text{m}^3\). Lượng oxy ban đầu trong đó là:

$$1{,}9\times 0{,}21 = 0{,}4\,\text{m}^3 \approx 400\,\text{L}\;\mathrm{O_2}.$$

Thiếu oxy bắt đầu khi lượng oxy “hữu dụng” giảm còn:

$$1{,}9\times 0{,}14 = 0{,}27\,\text{m}^3 \approx 270\,\text{L}.$$

Như vậy lượng oxy giảm từ \(400\) xuống \(270\) lít, tức giảm \(130\) lít. Với mức tiêu thụ \(0{,}25\,\text{L/min}\), thời gian là:

$$\Delta t_{\mathrm{O_2}}=\frac{130}{0{,}25}\,\text{min}\approx 520\,\text{min}\;(\text{hơn }8\text{ giờ}).$$

Phòng

Thể tích không khí hữu dụng khoảng \(30\,\text{m}^3\). Lượng oxy ban đầu \(6{,}3\,\text{m}^3\), mức tối thiểu cho phép \(4{,}2\,\text{m}^3\). Tiêu thụ oxy \(0{,}5\,\text{L/min}\). Khi đó:

$$\Delta t_{\mathrm{O_2}}=\frac{2100}{0{,}5}\,\text{min}=4200\,\text{min}\approx 3\text{ ngày (!)}.$$

Toa tàu metro

Thể tích không khí hữu dụng khoảng \(240\,\text{m}^3\). Lượng oxy ban đầu \(50\,\text{m}^3\), mức tối thiểu cho phép \(34\,\text{m}^3\). Tiêu thụ oxy khoảng \(25\,\text{L/min}\). Khi đó:

$$\Delta t_{\mathrm{O_2}}=\frac{16000}{25}\,\text{min}\approx 640\,\text{min}\approx 10\text{ giờ}.$$

Nhận xét

Trong các trường hợp trên (nếu không hoảng loạn), thời gian để thiếu oxy xuất hiện là khá dài. Nhưng trải nghiệm đời thường lại cho thấy ở metro hoặc thang máy bị kẹt thường “ngột ngạt”; thậm chí ngủ trong phòng đóng kín cửa sổ, sáng dậy cũng có cảm giác khó thở. Nhiều khả năng còn có cơ chế mạnh hơn gây khó chịu khi ở không gian kín — không phải do thiếu \(\mathrm{O_2}\), mà do sự tích tụ \(\mathrm{CO_2}\).

Nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) trong không khí phù hợp cho sự sống

Khoảng nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) cho phép trong không khí được viết dưới dạng:

$$0 < C_{\mathrm{CO_2}}=\frac{p_{\mathrm{CO_2}}}{p_{\text{atm}}} < 0{,}1\%.$$

Lưu ý rằng hàm lượng \(\mathrm{CO_2}\) bình thường trong không khí là \(C_{\mathrm{CO_2}}=0{,}04\%\). Giới hạn trên chấp nhận được thường lấy \(C_{\mathrm{CO_2,\max}}=0{,}1\%\). Ta sẽ bàn kỹ hơn về giới hạn này ở phần sau; trước mắt, hãy dùng nó để đánh giá cho các không gian kín như thang máy, phòng, toa metro và cả lớp học.

Bây giờ ta áp dụng cách tính tương tự cho thời gian tích tụ nồng độ khí cacbonic đến ngưỡng trên. Giả sử một người trưởng thành trung bình thải \(\mathrm{CO_2}\) ra môi trường với lưu lượng \(q_{\mathrm{CO_2}} = 0{,}25\,\text{L/min}\).

Thang máy

Thể tích không khí hữu dụng (phần không khí tự do) trong thang máy là khoảng \(1{,}9\,\text{m}^3\). Thời gian để nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) trong không khí tăng từ \(0{,}04\%\) lên \(0{,}1\%\) là:

$$\Delta t_{\mathrm{CO_2}} = \frac{\big(C_{\mathrm{CO_2,max}}-C_{\mathrm{CO_2}}\big)\,V}{q_{\mathrm{CO_2}}}$$

$$= \frac{(1\cdot10^{-3}-4\cdot10^{-4})\cdot 1{,}9\cdot10^{3}}{0{,}25}\,\text{min} \approx 5\,\text{min}.$$

Phòng

Thể tích không khí hữu dụng khoảng \(30\,\text{m}^3\). Thời gian để nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) tăng từ \(0{,}04\%\) lên \(0{,}1\%\):

$$\Delta t_{\mathrm{CO_2}} = \frac{6\cdot10^{-4}\cdot 30\cdot10^{3}}{2\cdot 0{,}25}\,\text{min} = 36\,\text{min}.$$

Toa tàu metro

Thể tích không khí hữu dụng khoảng \(240\,\text{m}^3\). Thời gian để nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) tăng từ \(0{,}04\%\) lên \(0{,}1\%\):

$$\Delta t_{\mathrm{CO_2}} = \frac{6\cdot10^{-4}\cdot 240\cdot10^{3}}{100\cdot 0{,}3}\,\text{min} \approx 6\,\text{min}.$$

Lớp học

Xét thêm trường hợp lớp học có thể tích khoảng \(200\,\text{m}^3\) với \(25\) học sinh. Nếu một học sinh thải \(\mathrm{CO_2}\) với lưu lượng \(0{,}12\,\text{L/min}\) (xấp xỉ một nửa so với người lớn), ta có:

$$\Delta t_{\mathrm{CO_2}} = \frac{6\cdot10^{-4}\cdot 200\cdot10^{3}}{25\cdot 0{,}12}\,\text{min} \approx 40\,\text{min}.$$

Các con số này đã gần với cảm nhận thực tế hơn, và giải thích vì sao cần thông gió: lỗ/ô thông gió ở trần thang máy, nhu cầu mở cửa sổ phòng định kỳ, đặc biệt là trong lớp học sau mỗi tiết, cũng như sự cần thiết của hệ thống thông gió trong метро.

Như vậy, chính sự tích tụ \(\mathrm{CO_2}\) trong không gian kín mới là yếu tố tác động mạnh, gây cảm giác khó chịu trước tiên. Vậy nó biểu hiện như thế nào?

Tài liệu cho thấy có hai dạng tác động: ngắn hạn (vài giờ) và dài hạn (lặp lại thường xuyên, tổng cộng nhiều giờ mỗi ngày). Với tác động ngắn hạn khi nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) trong không khí thở vào vượt \(0{,}1\%\), có thể xuất hiện: mệt mỏi, đau đầu, giảm khả năng tập trung, ngủ kém…

Với tác động dài hạn khi mức \(\mathrm{CO_2}\) cao hơn \(0{,}1\%\), có thể xuất hiện vấn đề với hệ hô hấp (ho khan, viêm mũi…), suy giảm miễn dịch, và ухуд đi hoạt động của hệ tim mạch… Khi mức trên \(0{,}2\%\), khả năng tập trung giảm mạnh hơn, số lỗi tăng lên, v.v. theo xu hướng tăng dần.

Ghi chú

Có thể cần một giới hạn nghiêm ngặt hơn cho mức \(\mathrm{CO_2}\) cho phép trong không khí thở vào, cỡ \(0{,}06\%\text{–}0{,}08\%\). Điều này càng thu hẹp thời gian có thể ở trong phòng không thông gió.

Một vấn đề khác của phòng không thông gió là khả năng không khí bị phân tầng. Vì \(\mathrm{CO_2}\) nặng hơn không khí khoảng 1,5 lần, nó có thể “tụ” gần sàn và làm nồng độ там tăng. Tuy nhiên, quá trình này chậm, và chỉ cần có chuyển động không khí nhẹ cũng có thể trộn các lớp khí.

Cuối cùng, nhiều người nghĩ rằng trồng cây sẽ giúp vì cây nhả \(\mathrm{O_2}\) và hấp thụ \(\mathrm{CO_2}\). Nhưng điều này chủ yếu xảy ra ban ngày; вечером và ban đêm (khi không khí tươi đặc biệt cần), thực vật lại thải \(\mathrm{CO_2}\), làm vấn đề tích tụ càng nặng hơn.

Sự tích tụ khí CO trong phòng kín

Thoạt nhìn, khó hiểu vì sao khí cacbon monoxit \(\big(\mathrm{CO}\big)\) có thể xuất hiện trong phòng kín, nếu không có bếp củi hay lò sưởi thông gió kém ở gần. Tuy nhiên, tài liệu ghi nhận rằng bên cạnh \(\mathrm{CO_2}\), con người cũng thải ra một lượng nhỏ \(\mathrm{CO}\) — cỡ \(1{,}6\,\text{mL/h}\) (trong điều kiện bình thường). Nồng độ \(\mathrm{CO}\) tối đa cho phép đối với con người vào khoảng \(1\,\text{mg/m}^3\).

Các số liệu này đủ để tiếp tục ước tính thời gian tích tụ đến ngưỡng опасной концентрации của \(\mathrm{CO}\) trong thang máy, phòng, toa metro và lớp học. Để làm điều đó, ta chuyển từ thể tích sang khối lượng khí \(\mathrm{CO}\) tạo thành, dùng quan hệ quen thuộc: một mol khí ở điều kiện chuẩn chiếm thể tích \(22{,}4\,\text{L}\).

Với \(\mathrm{CO}\), khối lượng mol là \(28\,\text{g/mol}\), do đó \(1\,\text{mL}\,\mathrm{CO}\) có khối lượng khoảng \(1{,}25\,\text{mg}\). Vì vậy, mức \(1{,}6\,\text{mL/h}\) \(\mathrm{CO}\) thở ra bởi một người tương ứng khoảng \(2\,\text{mg/h}\) \(\mathrm{CO}\) đi vào không khí.

Trong Bảng 2 (ở phần tiếp theo) sẽ đưa các giá trị thời gian tích tụ của \(\mathrm{CO_2}\) và \(\mathrm{CO}\) tới các nồng độ nguy hiểm.

Bảng 2. So sánh thời gian suy giảm \(\mathrm{O_2}\) và tích tụ \(\mathrm{CO}\), \(\mathrm{CO_2}\)

Tình huống	Số người	Thể tích, \(\text{m}^3\)	Thời gian \(\downarrow\,\mathrm{O_2}\)	Thời gian \(\uparrow\,\mathrm{CO}\)	Thời gian \(\uparrow\,\mathrm{CO_2}\)
Thang máy	1	1,9	8 giờ	1 giờ	5 phút
Phòng	2	30	3 ngày	13 giờ	36 phút
Toa metro	100	240	10 giờ	\(\approx 1\) giờ	6 phút
Lớp học	25	200	—	8 giờ	40 phút

Kết luận từ Bảng 2

Có thể thấy, sự tích tụ \(\mathrm{CO_2}\) trong không gian kín nguy hiểm hơn rõ rệt so với tích tụ \(\mathrm{CO}\), và còn “nguy hiểm hơn một bậc” so với việc nồng độ \(\mathrm{O_2}\) giảm xuống ngưỡng gây thiếu oxy.

Công suất hệ thống thông gió

Làm thế nào ước tính lưu lượng thông gió \(q_{\text{vent}}\) cần thiết để duy trì thành phần không khí bình thường? Nếu bỏ qua các quá trình quá độ và giả thiết không khí được trộn đều, kết quả cuối cùng khá đơn giản:

$$q_{\text{vent}}=\frac{q_{\mathrm{CO_2}}}{\big(C_{\mathrm{CO_2,max}}-C_{\mathrm{CO_2}}\big)}.$$

Ví dụ, nếu \(q_{\mathrm{CO_2}}=0{,}25\,\text{L/min}\) (tức một người thải khoảng \(15\,\text{L}\,\mathrm{CO_2}\) mỗi giờ), với \(C_{\mathrm{CO_2,max}}=1\cdot 10^{-3}\) và \(C_{\mathrm{CO_2}}=4\cdot 10^{-4}\), ta được lưu lượng thông gió cần thiết khoảng \(420\,\text{L/min}\), tức khoảng \(25\,\text{m}^3/\text{h}\).

Nếu một người thải \(20\,\text{L}\,\mathrm{CO_2}\) mỗi giờ, lưu lượng thông gió cần tăng lên khoảng \(33\,\text{m}^3/\text{h}\). Và nếu lấy ngưỡng cho phép tối đa “chặt” hơn một chút, chẳng hạn \(C_{\mathrm{CO_2,max}}=0{,}8\cdot10^{-3}\), thì lưu lượng sẽ tăng lên khoảng \(38\,\text{m}^3/\text{h}\) (khi thải \(15\,\text{L}\,\mathrm{CO_2}/\text{h}\)) và khoảng \(50\,\text{m}^3/\text{h}\) (khi thải \(20\,\text{L}\,\mathrm{CO_2}/\text{h}\)).

Nhiều hay ít? Thông gió tự nhiên có thể “mạnh” đến mức nào?

Làm sao để đảm bảo lượng không khí tươi như vậy? Chẳng hạn, nếu mở cửa, thì chỉ cần một khe hở nhỏ ở cửa cũng tạo ra trao đổi khí. Giả sử chênh lệch áp suất hai bên cửa là \(\Delta p = 10\,\text{Pa}\). Khi đó, qua mỗi \(\text{cm}^2\) khe hở có thể đi qua khoảng \(1\,\text{m}^3\) không khí mỗi giờ. Điều này có nghĩa là với \(\Delta p\) như vậy, chỉ cần một khe hở cao khoảng 2 m và rộng 1 cm đã có thể cho lưu lượng cỡ \(200\,\text{m}^3/\text{h}\).

Mẹo thực tế

Mức chênh áp \(10\,\text{Pa}\) là khá nhỏ (cỡ \(10^{-4}\) áp suất khí quyển) và hoàn toàn có thể xảy ra. Hiệu quả thông gió còn mạnh hơn nếu mở cửa và cửa sổ trong vài phút để “xả” nhanh không khí tù.

Ví dụ thực tế: giải cứu trong hang (Thái Lan)

Để minh họa, hãy xét tình huống liên quan đến oxy và \(\mathrm{CO_2}\) trong vụ giải cứu trẻ em mắc kẹt trong hang ở Thái Lan. Năm 2018, cả thế giới theo dõi chiến dịch cứu hộ đội bóng gồm 12 thiếu niên và huấn luyện viên, bị kẹt trong hang Tham Luang suốt 18 ngày (từ 23/6 đến 10/7) do mưa lớn làm ngập lối vào. Họ trú ẩn trong một “túi khí” nằm hoàn toàn bị nước chặn phía trước và cách xa cửa hang khoảng 5 km. Việc giải cứu càng khó khăn do có một đoạn hẹp nguy hiểm trên đường thoát ra (trong hình dưới được đánh dấu là “điểm nguy hiểm”).

Hình 2. Sơ đồ hang Tham Luang: bên trái là nhóm học sinh và huấn luyện viên trong khoang khí; bên phải là lực lượng cứu hộ. Đoạn hẹp nguy hiểm được đánh dấu là “điểm nguy hiểm”.

Hình 3. Khe hẹp (“điểm nguy hiểm”). Để chui qua khe cần tháo bình khí; vì vậy mỗi em nhỏ được hai thợ lặn cứu hộ kèm. (Trong hình minh họa: khe rộng khoảng 40 cm; thợ lặn tháo bình và kéo em nhỏ qua khe.)

Đặc điểm của đoạn khe hẹp trên đường bơi qua được minh họa ở Hình 3. Lực lượng cứu hộ phải liên tục bơm hút nước khỏi hang. Vì vậy, trong hang có mặt rất nhiều người: người hút nước, người chuẩn bị cho trẻ em ra ngoài, bác sĩ và những người phối hợp tổ chức chiến dịch.

Trong tình huống này, tất cả những điều đã bàn về hành vi của \(\mathrm{O_2}\) và \(\mathrm{CO_2}\) trong không gian kín đều trở nên đặc biệt quan trọng. Để chống lại sự giảm dần lượng oxy trong hang, người ta tổ chức cấp oxy bằng đường ống. Đồng thời, người ta nhận ra rằng sự tích tụ \(\mathrm{CO_2}\) trong hang nguy hiểm hơn đáng kể so với việc thiếu \(\mathrm{O_2}\). Khi bơm \(\mathrm{O_2}\) vào phần trên của hang, dòng khí này đồng thời đẩy \(\mathrm{CO_2}\) ra ngoài. Cũng tính đến khả năng không khí bị phân tầng: phần \(\mathrm{CO_2}\) có xu hướng dồn xuống thấp. Đây là một trong các lý do khiến trẻ em và huấn luyện viên trú ở khu vực cao hơn trong hang.

Việc tìm kiếm và chuẩn bị cứu hộ kéo dài gần hai tuần. Trong thời gian đó, một kỹ sư/nhà sáng chế nổi tiếng là Elon Musk đã kịp chế tạo (từ các bộ phận liên quan đến tên lửa) một tàu ngầm mini cho một người và đưa tới Thái Lan. Tuy nhiên, do khe quá hẹp, phương án này không được sử dụng.

Tình hình mỗi ngày càng phức tạp. Cần sự hiện diện liên tục của những người hút nước (nếu không, hang có thể bị ngập hoàn toàn), và cần lắp đặt hệ thống ống để cấp oxy. Hơn chục thợ lặn bình khí đã vận chuyển nước, thực phẩm và các bình oxy vào sâu trong hang.

Có lúc, do \(\mathrm{CO_2}\) tích tụ, không thể chờ thêm: dọc tuyến đường từ trong hang ra cửa hang, người ta đặt nhiều bình oxy (mỗi bình tính cho khoảng một giờ sử dụng). Hàng nghìn người tham gia cứu hộ, trong đó có khoảng một trăm thợ lặn, đã bắt đầu chiến dịch. Ngày đầu, 13 thợ lặn cứu được 4 thiếu niên. Ngày thứ hai, 18 thợ lặn (cùng khoảng 70 người hộ tống) cứu thêm 4 em. Cuối cùng, ngày thứ ba, cứu nốt 4 em còn lại và huấn luyện viên, cùng 4 người vẫn ở lại trong hang. Thật đáng khâm phục!

Góc nhìn từ bên trong

Ở mức tế bào, “môi trường không khí” trong cơ thể hoàn toàn khác. Hàm lượng oxy trong tế bào thường chỉ khoảng \(1\text{–}2\%\) (ngoại lệ là hồng cầu, nơi có thể chứa tới \(96\text{–}98\%\) oxy), còn \(\mathrm{CO_2}\) trong tế bào khoảng \(6\%\). Nếu nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) trong tế bào giảm, các vấn đề về hô hấp có xu hướng tăng lên.

Ở Hình 4 trình bày sự phụ thuộc của thời gian đặc trưng mà một người bình thường (không phải vận động viên kỷ lục) có thể nín thở, nhịp tim và mức suy giảm cấp máu… theo nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) trong máu.

Hình 4. Mối liên hệ đặc trưng giữa thời gian nín thở (giây), nhịp tim (nhịp/phút) và mức suy giảm cấp máu (phần trăm) với nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) trong máu.

Từ các đường cong ở Hình 4 có thể rút ra kết luận chung: khi nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) giảm, thời gian nín thở giảm; khi tiến gần mức khoảng \(3\%\), tế bào có thể bị tổn hại nghiêm trọng; nhịp tim tăng nhanh; mức tưới máu các cơ quan suy giảm. Vì vậy, nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) “mong muốn” trong tế bào nên vào khoảng \(6\%\) hoặc thậm chí hơi cao hơn.

Bảng 3 dưới đây (trình bày hàm lượng oxy và \(\mathrm{CO_2}\) ở các “khoang” khác nhau trong cơ thể) cũng xác nhận các con số vừa nêu.

Bảng 3. Hàm lượng \(\mathrm{O_2}\) và \(\mathrm{CO_2}\)

Môi trường	\(\mathrm{O_2}\)	\(\mathrm{CO_2}\)
Không khí hít vào, \(\%\)	21	0,04
Không khí thở ra, \(\%\)	16	4
Không khí phế nang, \(\text{mmHg}\)	\(105\text{–}110\) \(\,(14\%)\)	\(40\) \(\,(5\%)\)
Máu động mạch, \(\text{mmHg}\)	\(100\)	\(40\)
Máu tĩnh mạch, \(\text{mmHg}\)	\(40\)	\(46\)
Tế bào, \(\text{mmHg}\)	\(\sim 10\)	\(60\text{–}70\)

Trong phổi diễn ra sự trao đổi \(\mathrm{O_2}\) và \(\mathrm{CO_2}\) giữa phế nang và máu. Phế nang là các cấu trúc tận cùng của phổi, giống như những “bọt khí” nhỏ, được bao quanh bởi mạng mao mạch (xem Hình 5). Qua thành phế nang (đường kính khoảng \(0{,}3\,\text{mm}\)), với số lượng phế nang trong phổi người cỡ một tỉ, và tổng diện tích bề mặt xấp xỉ \(100\,\text{m}^2\), quá trình trao đổi khí diễn ra rất mạnh: oxy đi vào máu, và gần như một lượng tương ứng \(\mathrm{CO_2}\) từ máu khuếch tán vào phổi.

Nói cụ thể hơn: trung bình trong một ngày, từ không khí phế nang vào máu đi vào khoảng \(500\,\text{L}\) oxy, đồng thời khoảng \(430\,\text{L}\) \(\mathrm{CO_2}\) từ máu đi vào không khí phế nang.

Gợi ý đọc thêm

Phần mô tả chi tiết hơn về phế nang có thể xem trong sách của K. Yu. Bogdanov: “Vật lý trong vai trò nhà sinh học” (tủ sách “Kvant”, số 49, trang 133).

Điều gì “khởi động” cơ thể: \(\mathrm{O_2}\) hay \(\mathrm{CO_2}\)?

Hãy nhớ nghịch lý quen thuộc: “cái gì có trước — con gà hay quả trứng?” Nếu không xét đến tiến hóa, câu hỏi khó có lời giải. Nhưng khi xét đến tiến hóa, “quả trứng” có vẻ “có trước” vì nó cổ xưa hơn: trứng đã xuất hiện từ thời khủng long, còn chim chỉ là một nhánh phát triển sau đó. Theo nghĩa này, “trứng” có thể xem là “nguyên thủy” hơn chim.

Tương tự, ở đây câu hỏi là: cái gì “có trước”, hay nói cách khác, cái gì kích hoạt chuỗi quá trình trong cơ thể người: \(\mathrm{O_2}\) hay \(\mathrm{CO_2}\)? Trước kia người ta thường xem \(\mathrm{O_2}\) là первичным vì nó là nguồn năng lượng chủ yếu, thúc đẩy các quá trình sinh học. Nhưng hiện nay “con lắc” quan điểm đang nghiêng về phía \(\mathrm{CO_2}\). Người ta dần đi đến kết luận rằng chính sự tích tụ \(\mathrm{CO_2}\) trong cơ thể mới là cơ chế “khởi động” ban đầu.

Khi \(\mathrm{CO_2}\) tích tụ trong cơ thể (do chuyển hóa chất béo và protein trong tế bào), nó tạo tín hiệu cho não rằng cần phải đưa \(\mathrm{CO_2}\) ra khỏi tế bào. \(\mathrm{CO_2}\) “bám” vào hồng cầu và được vận chuyển đến phế nang của phổi. Trên những “chỗ trống” vừa giải phóng trong “chuyến tàu” hồng cầu, \(\mathrm{O_2}\) sẽ “lên chỗ” và được mang đi khắp cơ thể.

Cách nhìn hiện đại về hô hấp

Trình tự đúng hơn là: trước hết thở ra \(\mathrm{CO_2}\), sau đó mới hít vào \(\mathrm{O_2}\). Đồng thời, cùng với \(\mathrm{CO_2}\) ta cũng thở ra một phần oxy dư thừa.

Hình 5. Phế nang được bao quanh bởi mao mạch. Minh họa đường đi: \(\mathrm{O_2}\) đi vào hồng cầu, còn \(\mathrm{CO_2}\) đi ra khỏi hồng cầu vào không khí phế nang.

Để hô hấp, cơ thể cần cả hai khí, được hồng cầu “chở” luân phiên. Máu tĩnh mạch có màu đỏ sẫm chủ yếu do \(\mathrm{CO_2}\), còn máu động mạch có màu đỏ tươi do \(\mathrm{O_2}\).

Tỉ lệ trung bình giữa lượng \(\mathrm{CO_2}\) và \(\mathrm{O_2}\) trong cơ thể người khỏe mạnh xấp xỉ \(3{:}1\) (khoảng \(6\%\ \mathrm{CO_2}\) và \(2\%\ \mathrm{O_2}\)).

Tương tác “bên ngoài” và “bên trong”

Như vậy, \(\mathrm{CO_2}\) là khí cần thiết cho sự sống và việc duy trì một mức \(\mathrm{CO_2}\) nhất định trong cơ thể là quan trọng. Thiếu \(\mathrm{CO_2}\) hay thừa \(\mathrm{CO_2}\) đều có hại.

Tích tụ \(\mathrm{CO_2}\) quá cao thường xảy ra trong phòng kém thông gió: khi \(\mathrm{CO_2}\) trong không khí thở vào lớn (trên khoảng \(0{,}08\%\text{–}0{,}1\%\)) thì mức \(\mathrm{CO_2}\) trong cơ thể cũng tăng (hậu quả đã thảo luận ở các phần trước). Nhưng thiếu \(\mathrm{CO_2}\) trong máu (dưới khoảng \(4\%\)) cũng nguy hiểm (xem Hình 4).

Khi nào có thể bị thiếu \(\mathrm{CO_2}\)?

Trường hợp điển hình là thở quá nhanh: ta thở ra quá nhiều \(\mathrm{CO_2}\) nên trong cơ thể còn lại quá ít. Khi thiếu \(\mathrm{CO_2}\), oxy bị “giữ chặt” vào hemoglobin trong hồng cầu. Ngay cả khi trong máu có nhiều \(\mathrm{O_2}\), nó vẫn ở dạng liên kết và khó đi vào mô. Nếu trong tình trạng đó lại cố thở nhanh hơn nữa thì chỉ làm vấn đề nặng thêm.

Vậy nên làm gì?

Vận động, tập гимнастика, chơi thể thao ngoài trời hoặc trong phòng thông thoáng — tất cả đều có xu hướng giúp tăng mức \(\mathrm{CO_2}\) phù hợp. Mao mạch giãn ra, thậm chí hình thành thêm mạng mao mạch mới; lưu lượng máu tăng; oxy tách khỏi hemoglobin tốt hơn và đi vào tế bào hiệu quả hơn.

Có một ví dụ khác cho thấy lợi ích của nhịp thở chậm hơn: trong chạy bộ, vận động viên đôi khi được khuyên (khi đã mệt) hãy cố nín thở lâu hơn một chút để “mở” trạng thái gọi là “hơi thở thứ hai”, nhờ đó có thể tiếp tục chạy.

Sơ cứu: hô hấp nhân tạo “miệng kề miệng”

Trong sơ cứu khi nạn nhân ngừng thở, một phương pháp hiệu quả là hô hấp nhân tạo “miệng kề miệng” (kết hợp với ép tim ngoài lồng ngực). Người cứu (thổi) thường được hướng dẫn thổi vào nạn nhân với tần số khoảng \(12\text{–}15\) lần mỗi phút.

Nghe có vẻ vô lý, vì ở đầu bài ta đã nhấn mạnh thành phần không khí hít vào là khoảng \(21\%\ \mathrm{O_2}\) và \(0{,}04\%\ \mathrm{CO_2}\). Nhưng khi thổi “không khí thở ra”, ta đang đưa vào hỗn hợp khoảng \(16\%\ \mathrm{O_2}\) và \(4\%\ \mathrm{CO_2}\). Dù vậy, trong không khí thở ra vẫn còn oxy với nồng độ cao hơn mức tối thiểu cho phép \((16\% > 13\text{–}14\%)\). Đồng thời, nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) cao hơn lại có ích vì nó kích thích trung khu hô hấp của não, giúp khởi phát phản xạ thở và góp phần làm “mở” phế nang.

So sánh dễ hiểu

Tình huống này có chút tương tự sơ cứu khi tim ngừng đập: người cứu cần làm rung/chấn động lồng ngực (ví dụ đánh/đập đúng kỹ thuật) để “kích hoạt” lại hoạt động tim. Với hô hấp, vai trò của \(\mathrm{CO_2}\) trong cấp cứu vì vậy cũng khác so với trong nhịp thở спокойный thường ngày.

Cách tăng nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) trong không khí thở ra

Trong cuộc sống hằng ngày, con người ở “chế độ tự động” thường thực hiện khoảng \(15\) chu kỳ hít–thở mỗi phút (mỗi chu kỳ kéo dài xấp xỉ \(4\) giây). Tỉ lệ thời gian hít vào và thở ra thường vào khoảng \(1:1{,}3\).

Ý nghĩa của nhiều bài tập thở là tăng hàm lượng \(\mathrm{CO_2}\) trong máu bằng cách: nín thở, thả lỏng, làm chậm nhịp thở hoặc tạo “cản” nhẹ khi thở. Khi nồng độ \(\mathrm{CO_2}\) tăng (tới một mức phù hợp, khoảng \(8\%\) theo bài viết), khả năng cơ thể sử dụng \(\mathrm{O_2}\) được cải thiện. Các метод khác nhau đạt điều này bằng: nín thở sau khi hít vào hoặc sau khi thở ra, kéo dài thì thở ra, kéo dài thì hít vào, hoặc kết hợp. Nói cách khác, mục tiêu là làm cho pha thở ra dài hơn đáng kể so với pha hít vào.

Một trong các phương pháp nổi tiếng được nhắc đến là hệ thống Buteyko: thở nông kèm nhịp nín thở. Mục tiêu là giảm “lãng phí” oxy và làm cơ thể “giàu” \(\mathrm{CO_2}\) hơn. (Phần tiếp theo ở trang sau…)

Ví dụ, có kiểu nhịp thở gồm: hít vào \(2\) giây, thở ra \(4\) giây, sau đó là nín thở \(4\) giây. Như vậy, một chu kỳ kéo dài \(10\) giây, tương ứng khoảng \(6\) chu kỳ mỗi phút.

Trong thực hành yoga, người ta thường xem thở ra dài là đúng: tỉ lệ thời gian hít vào và thở ra có thể vào khoảng \(1:5\). Thậm chí có ý kiến cho rằng trong trạng thái thiền sâu, một yogi có thể “đủ dùng” chỉ với khoảng \(2\) chu kỳ hít–thở mỗi phút! Phản ứng đầu tiên thường là: điều đó không thể. Nhưng rồi xuất hiện một gợi ý bất ngờ: nhịp thở cực chậm ở các yogi có thể liên quan đến vai trò lớn hơn của hô hấp qua da.

Hô hấp qua da có “đáng kể” không?

Quả thật, điều này không hẳn là vô lý. Diện tích da người (phủ khoảng 5 triệu sợi lông) vào khoảng \(1{,}5\text{–}2\,\text{m}^2\). Trong khi đó, tổng diện tích bề mặt của khoảng 600 triệu phế nang trong phổi vào khoảng \(100\,\text{m}^2\).

Ước lượng nhanh

Nếu so sánh thô, thì ở mức khoảng \(1\%\text{–}2\%\), da có thể “đóng góp” một phần chức năng hô hấp.

Các phép đo cho thấy: qua da, cơ thể thải ra khoảng \(2\%\) lượng \(\mathrm{CO_2}\) và hấp thụ xấp xỉ \(1\%\) lượng \(\mathrm{O_2}\). Hơn nữa, qua da cơ thể còn thải ra khoảng \(800\,\text{g}\) hơi nước mỗi ngày — thậm chí còn nhiều hơn lượng hơi nước thải qua phổi!

Lời kết

Hít thở sâu không phải “mẹo thần kỳ”, nhưng là một thói quen nhỏ có thể tạo khác biệt lớn — nhất là khi chúng ta sống trong không gian kín, ít thông gió và dễ tích tụ \(\mathrm{CO_2}\). Chỉ cần bạn hiểu cơ thể cần gì và chủ động cải thiện bầu không khí xung quanh, sức khỏe sẽ thay đổi theo hướng tích cực hơn mỗi ngày.

Bạn thường làm gì để không gian sống “dễ thở” hơn: mở cửa sổ theo khung giờ, dùng quạt thông gió, đặt cây xanh, hay có mẹo nào khác? Hãy để lại bình luận để mọi người cùng học hỏi nhé.

Read More

Đề thi học sinh giỏi Vật lý 12 chương trình mới ứng dụng thực tế - Có lời giải chi tiết

Đề thi HSG Vật lý 12 chương trình mới ứng dụng thực tế – Có lời giải chi tiết là tài liệu ôn luyện dành cho các bạn đang hướng tới kỳ thi học sinh giỏi Vật lý 12 theo định hướng CTPT 2018. Đề được xây dựng bám sát cấu trúc mới, tăng cường các câu hỏi vận dụng thực tiễn giúp học sinh rèn tư duy phân tích hiện tượng và giải quyết vấn đề. Mỗi bài đều có lời giải chi tiết, trình bày rõ ràng theo từng bước để bạn tự học hiệu quả và dễ đối chiếu. Tài liệu phù hợp cho ôn tập HSG cấp trường, cấp tỉnh hoặc luyện đề chọn đội tuyển trong năm học 2025–2026. Hy vọng bộ đề này sẽ giúp bạn củng cố kiến thức trọng tâm, nâng cao kỹ năng làm bài và tự tin đạt kết quả cao trong các kỳ thi sắp tới.

Xem thêm đề tương tự:

• Đề thi HSG Vật lý 12 cấp tỉnh 2024–2025 (Có đáp án)
• Đề chọn đội tuyển HSG Vật lý 12 2025–2026 (Lời giải chi tiết)
• Tuyển tập đề HSG Vật lý 12 CT mới theo chuyên đề

I. Đề thi học sinh giỏi Vật lý 12 chương trình mới ứng dụng thực tế - Có lời giải chi tiết

Câu 1. Vận dụng Chuyển động ném vào thực tế Bắn tên gây mê - Đề thi HSG vật lý 12 chương trình mới ứng dụng thực tế

Một kiểm lâm muốn bắn một mũi tên gây mê vào một con khỉ đang treo mình trên cành cây. Kiểm lâm nhắm thẳng vào con khỉ. Cùng lúc kiểm lâm bắn mũi tên, con khỉ buông cành cây và rơi khỏi cây với vận tốc ban đầu bằng không, hy vọng tránh được mũi tên.

Hình 1. Đề thi HSG Vật lý 12 chương trình mới ứng dụng thực tế - Kiểm lâm bắn mũi tên gây mê vào con khỉ.

1. Trong ví dụ ở hình, con khỉ ở khoảng cách theo phương ngang $x=20\ \text{m}$ và độ cao $h=12\ \text{m}$, và mũi tên được phóng đi với vận tốc ban đầu $v_0=40\ \mathrm{m/s}$. Khoảng cách liên quan đến vị trí của súng bắn phi tiêu. Xác định:

1. Thời gian để mũi tên bay tới cái cây nơi con khỉ đang ở (ngay phía trên con khỉ).

2. Độ cao mà mũi tên được đặt tại thời điểm đó.

3. Độ cao mà con khỉ đang ở tại thời điểm đó. Lấy $g = 9\text{,}8\ \mathrm{m/s²}$.

2. Chứng minh rằng con khỉ sẽ bị bắn trúng bất kể tốc độ ban đầu của phi tiêu, miễn là tốc độ phi tiêu đủ lớn để di chuyển theo phương ngang đến cây trước khi chạm đất.

Câu 2. Cà kheo bật nhảy - Đề thi HSG vật lý 12 chương trình mới ứng dụng thực tế

Thanh tra Gadget, một nhân vật trong loạt truyện tranh, dùng những chiếc lò xo gắn vào giày để thực hiện các cú nhảy ngoạn mục. Một số vận động viên liều lĩnh cố bắt chước điều này bằng cách sử dụng những chiếc cà kheo do ngành hàng không vũ trụ phát triển, cho phép họ nhảy cao gần $2\ \text{m}$ hoặc “chạy tăng tốc” trên $40\ \text{km/h}$ (Hình 2).

Hình 2. Đề thi HSG Vật lý 12 chương trình mới ứng dụng thực tế - Cà kheo bật nhảy.

Việc nghiên cứu chi tiết cơ học của các cú nhảy này khá phức tạp. Để đơn giản hóa, ta sẽ dùng một mô hình đơn giản gồm một khối lượng m gắn vào đầu trên của một lò xo lý tưởng, có chiều dài tự nhiên $L_0$ và hằng số đàn hồi $k$. Nếu thả hệ rơi xuống bắt đầu từ độ cao ban đầu $y_0$ (Hình 3), nó sẽ rơi thẳng đứng, chạm đất và bật lên lại. Trong quá trình đi xuống, khối $m$ lần lượt đi qua ba vị trí đặc biệt:

• Đầu dưới của lò xo chạm đất (Hình 4).

• Khối đi qua độ cao $y_\text{eq}$ tại đó tổng lực tác dụng lên nó bằng không (Hình 5). Đây sẽ là độ cao cân bằng của khối nếu hệ được đặt nhẹ nhàng lên mặt đất.

• Khối dừng lại tức thời tại độ cao nhỏ nhất $y_\text{min}$, trước khi bắt đầu đi lên (Hình 6).

Hình 3. Đề thi HSG Vật lý 12 chương trình mới ứng dụng thực tế - Hệ rơi xuống bắt đầu từ độ cao ban đầu.

Hình 4. Đề thi HSG Vật lý 12 chương trình mới ứng dụng thực tế - Đầu dưới của lò xo chạm đất.

Hình 5. Đề thi HSG Vật lý 12 chương trình mới ứng dụng thực tế - Hệ rơi xuống bắt đầu từ độ cao ban đầu.

Hình 6. Đề thi HSG Vật lý 12 chương trình mới ứng dụng thực tế - Khối dừng lại tức thời tại độ cao nhỏ nhất.

Giả sử đã biết $L_0$, $y_\text{ini}$, $y_\text{min}$ và gia tốc trọng trường $g$. Hãy trả lời các câu hỏi sau, biểu diễn kết quả theo các dữ kiện đã cho:

1. Xác định tỉ số $\dfrac{k}{m}$ giữa độ cứng của lò xo và khối lượng của khối.

2. Xác định độ cao của vị trí cân bằng $y_\text{eq}$.

3. Mô tả gia tốc của $m$ trong các khoảng sau:

1. Từ $y=y_\text{ini}$ đến $y=L_0$.

2. Từ $y=L_0$ đến $y=y_\text{min}$.

4. Trong lúc rơi, gia tốc của khối đạt cực đại tại độ cao $y_1$ nào? Giá trị đó là bao nhiêu, $a_\text{max}$?

Cho hai câu tiếp theo, dùng dữ liệu số:
$L_0=80\ \text{cm}$, $y_\text{ini} =2\text{,}0\ \text{m}$, $y_\text{min}=20\ \text{cm}$, $g=9\text{,}8\ \mathrm{m/s^2}$.

5. Tính các giá trị $\dfrac{k}{m}$, $y_\text{eq}$ và $a_\text{max}$.

6. Vẽ đồ thị biểu diễn $\dfrac{a}{g}$ theo $y$, trong khoảng $y_\text{min}≤y≤y_\text{ini}$.

Câu 3. Chu trình nhiệt - Đề thi HSG vật lý 12 chương trình mới ứng dụng thực tế

Một khí đơn nguyên tử lý tưởng chuyển từ trạng thái 1, tại đó nhiệt độ là $T_1=300\ \text{K}$, sang trạng thái 2 có nhiệt độ $T_2$ bằng một quá trình trong đó áp suất khí tăng tỉ lệ thuận với thể tích (Hình 7). Trong quá trình này, áp suất khí tăng $k = 2$ lần. Quá trình 2-3 là đẳng nhiệt, trong quá trình 3-4, áp suất tỉ lệ thuận với thể tích, quá trình 4-1 là đẳng nhiệt. Thể tích ở trạng thái 2 và 4 là như nhau.

Hình 7. Đề thi HSG Vật lý 12 chương trình mới ứng dụng thực tế - Đồ thị chu trình nhiệt.

1. Xác định nhiệt độ $T_2$ trong quá trình 2-3.

2. Mối quan hệ giữa áp suất $p_1$ và $p_3$ là gì?

3. Nhiệt dung mol của khí $C$ trong quá trình 1-2 là bao nhiêu? (Có thể chứng minh rằng đối với các quá trình trong đó áp suất tỉ lệ thuận với thể tích, nhiệt dung là không đổi). Hiệu suất của quá trình tuần hoàn này là bao nhiêu?

Câu 4. Một món đồ chơi bất ngờ: máy phát Van de Graaff

Trong các phòng thí nghiệm ở các trường phổ thông, bộ thí nghiệm về tĩnh điện phổ biến nhất là bộ tích điện cho một quả cầu kim loại, thường gọi là máy phát Van de Graaff. Thiết bị này dùng cơ cấu cơ học để nạp dần điện tích Q lên quả cầu, nhờ đó tạo ra điện trường rất mạnh ở vùng không gian xung quanh, giúp quan sát rõ tác dụng của điện trường và lực điện.
Một thí nghiệm điển hình là nạp điện từ từ cho quả cầu cho đến khi xuất hiện một tia lửa điện rất ngoạn mục (Hình 8). Quả cầu tích điện gây ra điện trường xung quanh nó. Khi điện tích đủ lớn, cường độ điện trường mạnh đến mức ion hóa các phân tử không khí, tạo ra một dòng điện đột ngột kèm theo sự phát sáng nhìn thấy được do các điện tích tự do va chạm với các phân tử không khí khác. Cường độ điện trường lớn nhất mà không khí chịu được trước khi bị ion hóa, là $E_{\max}=3\cdot10^6\,\text{V/m}$.

Hình 8. Đề thi HSG Vật lý 12 chương trình mới ứng dụng thực tế - Tia lửa điện phóng ra từ quả cầu tích điện.

1. Hãy xác định điện tích cực đại $Q_{\max}$ có thể cung cấp cho một quả cầu Van de Graaff bán kính $R=10\,\text{cm}$, để không xảy ra đánh thủng điện môi của không khí xung quanh (cường độ điện trường bên ngoài quả cầu giống hệt như cường độ điện trường do một điện tích điểm đặt tại tâm quả cầu, mang cùng điện tích với quả cầu).

Một thí nghiệm khác có thể làm với Van de Graaff là đặt lên đỉnh quả cầu một cái cốc nhôm. Cốc nhôm cũng được tích điện cùng dấu với quả cầu. Người ta quan sát thấy điện trường hất cốc bay lên khỏi bề mặt quả cầu.

Hình 9. Đề thi HSG Vật lý 12 chương trình mới ứng dụng thực tế - Cốc nhôm bị quả cầu hất tung lên.

Việc nghiên cứu chính xác chuyển động của cốc nhôm này khá phức tạp. Để có thể tính gần đúng, ta đưa ra một vài giả thiết:

• Khi cốc nhôm tách khỏi quả cầu, nó mang đi một phần điện tích của hệ, nhưng máy phát gần như ngay lập tức bù lại đúng lượng điện tích đó cho quả cầu, nên điện tích của quả cầu được giữ không đổi.

• Cốc nhôm nhỏ hơn rất nhiều so với quả cầu và có thể coi như điện tích điểm.

• Điện trường của qua cầu tích điện Q luôn giống như điện trường của điện tích điểm Q đặt ở tâm của nó.

• Bỏ qua lực cản/ma sát của không khí, lấy $g=9\text{,}8\ \mathrm{m/s^2}$.

• Khi cốc nhôm bật lên, nó chuyển động theo đường thẳng đứng.

• Công của lực điện thực hiện khi điện tích điểm q di chuyển từ khoảng cách $r_1$ đến khoảng cách $r_2$ tính từ tâm quả cầu là $A=kQq\left(\dfrac{1}{r_1} -\dfrac{1}{r_2}\right)$.

Giả sử quả cầu được nạp đến điện tích $Q_0=2{,}5\ \text{μC}$, trên nó đặt một cốc nhôm duy nhất có khối lượng $m=3{,}0\ \text{g}$ và điện tích $q=7{,}5×10^{-2}\ \text{μC}$, hãy xác định:

2. Gia tốc của cốc khi bắt đầu tách khỏi bề mặt quả cầu.

3. Khoảng cách lớn nhất $r_\text{max}$ từ tâm quả cầu mà cốc nhôm đạt tới. c

4. Khoảng cách $r_{v_\text{max}}$ từ tâm quả cầu đến điểm mà tốc độ của cốc nhôm đạt cực đại.

5. Giá trị của tốc độ lớn nhất $v_\text{max}$ mà cốc nhôm đạt được.

Câu 5. Giao thoa ánh sáng - Đề thi HSG Vật lý 12 mới nhất theo hướng ứng dụng thực tế

Trong thí nghiệm Young về giao thoa ánh sáng, nguồn sáng phát ra ánh sáng đơn sắc có bước sóng $λ_1$. Trên màn quan sát, trên đoạn thẳng MN dài $20\ \text{mm}$ (MN vuông góc với hệ vân giao thoa) có $10$ vân tối, M và N là vị trí của hai vân sáng.

1. Khoảng cách từ màn quan sát đến hai khe gấp bao nhiêu lần khoảng cách giữa hai khe?

2. Thay ánh sáng trên bằng ánh sáng đơn sắc có bước sóng $λ_2=\dfrac{5λ_1}{3}$ thì tại M là vị trí của một vân sáng giao thoa, số vân sáng trên đoạn MN lúc này bằng bao nhiêu?

Read More