Mô phỏng sự điện phân bằng kĩ thuật Particle trong thực tại ảo

LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian dài nghiên cứu, đến nay tôi đã hoàn thành luận văn thạc sỹ chuyên ngành Công nghệ phần mềm khoa Công nghệ thông tin với tên đề tài là “Mô phỏng sự điện phân

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LỜI CAM KẾT

Dưới sự giúp đỡ nhiệt tình và chỉ bảo chi tiết của giáo viên hướng dẫn thầy giáo PGS TS Đỗ Năng Toàn, tôi đã hoàn thành luận văn của mình Tôi xin cam kết luận văn này là của bản thân tôi làm và nghiên cứu, không hề trùng hay sao chép của bất kỳ ai

Tài liệu được sử dụng trong luận văn được thu thập từ các nguồn kiến thức hợp pháp, sử dụng mã nguồn mở

Tác giả

Nguyễn Thị Thuần

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian dài nghiên cứu, đến nay tôi đã hoàn thành luận văn thạc

sỹ chuyên ngành Công nghệ phần mềm khoa Công nghệ thông tin với tên đề tài là

“Mô phỏng sự điện phân bằng kĩ thuật Particles trong thực tại ảo”

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS TS Đỗ Năng Toàn là người trực tiếp giúp đỡ và chỉ bảo tận tình cho tôi Thầy tạo điều kiện cho tôi được thực hành những kiến thức lý thuyết mà mình nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành luận văn này Và tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn tới các anh chị làm việc trong phòng thực tại ảo của Viện Công nghệ thông tin đã chỉ bảo cho tôi khi tôi thực hành tại

đó

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô giáo của trường Đại học Công nghệ

đã tận tình dạy dỗ và cho chúng tôi có được những kiến thức vô cùng quý báu để chúng tôi tự tin trong hành trình của mình

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, và cơ quan tôi đang công tác những người đã luôn bên tôi, đóng góp cho tôi những ý kiến bổ ích để tôi hoàn thành tốt luận văn này

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn gồm phần mở đầu, phần kết luận và ba chương với nội dung cụ thể của từng chương như sau:

Chương 1: Khái quát về thực tại ảo và sự điện phân

Chương này, tôi xin được giới thiệu về lịch sử ra đời của thực tại ảo, các thành phần có trong hệ thống thực tại ảo và ứng dụng của thực tại ảo trong cuộc sống Bên cạnh đó tôi cũng giới thiệu thêm về sự điện phân như: khái niệm sự điện phân, các loại điện phân, ứng dụng của sự điện phân

Chương 2: Kĩ thuật mô phỏng Particles

Chương này, tôi trình bày các vấn đề cơ bản của kĩ thuật mô phỏng Particles như: khái niệm Particles, thuộc tính của Particles … và ứng dụng nó để mô phỏng

sự điện phân

Chương 3: Kĩ thuật Particles cho mô phỏng sự điện phân và chương trình thử nghiệm

Chương này, tác giả xây dựng bài toán mô phỏng rồi tiến hành nghiên cứu

về mặt lý thuyết các tính chất vật lý của các Particles điện tích trong sự điện phân dương cực tan Và cuối cùng tác giả áp dụng những lý thuyết đó để demo sự điện phân dung dịch AgNO3 với điện cực anot bằng kim loại bạc và điện cực catot bằng sắt

MỤC LỤC

LỜI CAM KẾT iii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT LUẬN VĂN v

NHỮNG TỪ VIẾT TẮT viii

Danh mục hình vẽ, bảng biểu ix

PHẦN MỞ ĐẦU 1

Chương 1 3

TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ SỰ ĐIỆN PHÂN 3

1 1 Khái quát về thực tại ảo 3

1 1 1 Lịch sử ra đời 3

1 1 2 Định nghĩa về thực tại ảo 3

1 1 3 Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo 5

1 1 4 Những ứng dụng của thực tại ảo 6

1 2 Sự điện phân 10

1 2 1 Sơ lược về điện tích 10

1 2 2 Sự điện phân và ứng dụng của sự điện phân 11

1 2 3 Các kĩ thuật mô phỏng sự điện phân 16

1 3 Kết luận 17

Chương 2 18

KĨ THUẬT MÔ PHỎNG PARTICLES 18

2 1 Một số khái niệm 18

2 2 Kĩ thuật mô phỏng Particles 21

2 2 1 Xây dựng các thuộc tính cho Particles 22

2 2 2 Sinh các Particles và Khởi tạo các thuộc tính cho Particles 24

2 2 3 Tính toán, cập nhật các thuộc tính cho Particles 27

2.2 4 Particles Rendering 27

2 3 Ưu nhược điểm của kĩ thuật Particles 28

2.3.1 Ưu điểm 28

2.3.2 Nhược điểm 28

2 4 Kết luận 29

Chương 3 30

KĨ THUẬT PARTICLES CHO MÔ PHỎNG SỰ ĐIỆN PHÂN VÀ CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 30

3 1 Bài toán điện phân 30

3.1.1 Bài toán 30

3.1.2 Ý tưởng cho mô phỏng 31

3 2 Xây dựng mô hình dụng cụ điện phân 32

3 3 Kĩ thuật Particles cho mô phỏng sự điện phân 34

3 3 1 Khởi tạo các thuộc tính của Particles trong sự điện phân 34

3 3 2 Chuyển động của các Particles 36

3 4 Một số kết quả thử nghiệm 37

3.5 Kết luận chương 39

KẾT LUẬN 41

Tầm quan trọng của mô phỏng sự điện phân 41

Các vấn đề đã đạt được 41

Hướng phát triển của luận văn 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

NHỮNG TỪ VIẾT TẮT

Cụm từ viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt

ACM Association for Computing

Machinery Hội máy tính Hoa Kì

3D Three Dimenssion Không gian ba chiều

HMD Head Mounted Display Mũ đội đầu hiển thị VRML Virtual Reality Modeling

Language Ngôn ngữ thực tại ảo

Danh mục hình vẽ, bảng biểu

Hình 1 1: Tương tác trong thực tại ảo 4

Hình 1 2: Data Glove 5

Hình 1 3: Hi - Fi 6

Hình 1 4: Phòng trượt tuyết ảo 7

Hình 1 5: Kính thực tế ảo cho phép giáo sư nắm bắt được suy nghĩ của sinh viên 8

Hình 1 7: Mô tả bình điện phân 12

Hình 2 1 Particles 18

Hình 2 2 Cách nhìn tổng quan về Particles Systems 19

Hình 2 3 Hình ảnh Ngọn lửa nhấn trìm một hành tinh trong phim The Wrath of Khan Star Trek 2 20

Hình 2 4 Sử dụng Particles Systems mô phỏng hiệu ứng bầy đàn trong phim Lord of the Rings: Two Towers 20

Hình 2 5 Mô phỏng hiệu ứng bụi bằng Particles Systems 21

Hình 2 6 Mô tả vùng sinh của Particles 25

Hình 2 7: Mô tả chu kỳ hoạt động của Particles 21

Hình 2 8: Bức tranh mô phỏng sự rendering Particles 27

Hình 2 9: Reeves sử dụng paritcle System để tạo ra rừng cây trong bộ phim ngắn: The Adventures of André and Wally B 29

Hình 3 1 Hình ảnh điện phân dung dịch AgNO3 30

Hình 3 2: Bình đựng dung dịch AgNO3 32

Hình 3 3: Hình ảnh các Particles điện tích 32

Hình 3 4: Hình ảnh 2 điện cực 33

Hình 3 6: Mô hình hoàn chỉnh các dụng cụ điện phân 34

Hình 3 7: Vùng sinh của Particles điện tích 35

Hình 3 8: Mô hình sự điện phân 37 Hình 3 9: Quá trình điện phân diễn ra ở catot, các ion Ag+ khi tới catot thì

nó nhận e để tạo thành nguyên tử Ag bám vào catot 38

Hình 3 10: Tại anot, các nguyên tử Ag dưới tác dụng của nguồn điện nên đã hình thành Ag+ trên bề mặt anot sau đó đi vào dung dịch Đồng thời các ion NO3- cũng di chuyển tiến về anot 38

Hình 3 11: Hình ảnh anot bị ăn mòn 39

PHẦN MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của xã hội, ngành công nghệ thông tin đã có những bước phát triển mạnh mẽ cả về phần cứng và phần mềm Những ứng dụng của nó vào cuộc sống ngày càng phong phú và đa dạng Từ y tế, học đường, giao thông … lĩnh vực nào cũng đã và đang ứng dụng thành tựu của công nghệ thông tin Các sản phẩm của công nghệ thông tin đã trở thành trợ thủ đắc lực cho con người trong công việc, đem lại hiệu quả và đưa con người đến với tầm cao của tri thức, khám phá và lí giải rất nhiều bí ẩn tiềm tàng trong cuộc sống Một trong những lĩnh vực nghiên cứu của công nghệ thông tin giúp con người làm được những điều đó mà ta phải kể đến đó là thực tại ảo – Virual Reality (VR)

Thực tại ảo là một lĩnh vực không còn mới mẻ và nó được nghiên cứu trong tất cả các lĩnh vực của đời sống Nó là một môi trường 3 chiều được phát sinh, tổng hợp và điều khiển thông qua máy tính nhằm mục đích mô phỏng lại thế giới thực hoặc một thế giới theo tưởng tưởng của con người Nó cho phép người dùng thông qua các thiết bị ngoại vi tương tác với các sự vật, hiện tượng của thế giới ảo giống như tương tác với các sự vật và hiện tượng của thế giới thực

Hiện nay chúng ta đã thấy ở Việt Nam nhu cầu sử dụng các phần mềm ứng dụng trong quản lý, hay các website quảng bá rất phát triển Nhưng với những ngành công nghiệp sản xuất cần phát triển theo chiều sâu như: tự động hóa và điều khiển, khai thác, thăm dò … chưa được đầu tư đúng đắn Đặc biệt, trong lĩnh vực giáo dục nhà nước ta đang chủ chương đổi mới phương pháp dạy học, tích cực sử dụng các phương pháp dạy học trực quan nhưng chưa hề có các dụng cụ trực quan cung cấp cho người dạy Vậy nên chúng ta mới chỉ chú trọng vào phát triển tư duy thuần túy, nhồi nhét kiến thức lý thuyết mà còn hạn chế tiết học thực hành, sử dụng dụng cụ trực quan Cũng bởi lí do đó mà trí tưởng tượng của các em còn bị giới hạn, sức sáng tạo cũng bị hạn chế

Là một giáo viên trung học phổ thông, tôi luôn mong muốn truyền đạt kiến thức bài học tới các em, muốn giúp các em tiếp cận khoa học công nghệ để bản thân các em không bỡ ngỡ với những thành tựu công nghệ thông tin Mặt khác với tinh thần trách nhiệm của một giáo viên có kiến thức về công nghệ thông tin, tôi luôn cùng đồng nghiệp thiết kế các bài giảng điện tử mà trong đó có ứng dụng công nghệ thông tin trong bài Qua đó tôi mới nhận ra được rằng đối với môn Hóa học và Vật lý phổ thông, các em gặp khó khăn khi tìm hiểu về sự điện phân, bởi hầu hết các trường đều không thực hiện thí nghiệm ở phòng thí nghiệm Nếu có thì

các điện tích di chuyển trong sự điện phân chỉ là các hạt nước li ti bám vào bề mặt điện cực khiến các em khó quan sát được

Với những lí do đó tôi quyết định tìm hiểu một công nghệ mô phỏng để có thể giúp các em tháo gỡ khó khăn khi tìm hiểu về lĩnh vực này Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia hà nội, dưới sự tân tình của giáo viên hướng dẫn tôi đã nghiên cứu kĩ thuật mô phỏng Particles trong thực tại ảo và đã xây dựng được demo chương trình mà có thể ứng dụng được trong dạy học Luận văn có tên là “Mô phỏng sự điện phân bằng kĩ thuật Particles trong thực tại ảo” Và trong demo này tôi cũng minh họa hiện tượng dương cực tan – một trong các hiện tượng phổ biến xảy ra khi điện phân dung dịch chất điện li mà anot được làm bằng chính kim loại của muối có trong dung dịch

Vì thời gian có hạn và kiến thức nghiên cứu được có hạn nên còn rất nhiều khía cạnh của vấn đề đang hứa hẹn tôi ở phía trước Tôi hi vọng có thể tiếp tục nghiên cứu và phát triển tiếp đề tài của mình ở một dịp gần nhất Tôi rất mong nhận được những lời đóng góp, sự giúp đỡ của quý thầy cô và các bạn

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ SỰ ĐIỆN PHÂN

1 1 Khái quát về thực tại ảo

1 1 1 Lịch sử ra đời

Khái niệm thực tại ảo đã có trong nhiều thập niên nhưng nó chỉ thực sự được nhận thức vào khoảng những năm 90 của thế kỷ XX Vào 1962, Morton Heiling (Mỹ) đã phát minh ra thiết bị mô phỏng Sensorama Đó là thiết bị điều khiển một người sử dụng gồm có: một màn hình thực thể kính, quạt, máy tạo mùi, loa, âm thanh và một chiếc ghế có thể di chuyển được Vài năm sau đó, những kĩ

sư của công ty Phileo đã phát triển HMD gọi là Headsingt Cái mũ sắt này gồm một màn ảnh và hệ thống theo dõi video Họ dự định sử dụng HMD trong các tình huống nguy hiểm hay trong môi trường quan sát từ xa, điều khiển góc quay camera bằng cách quay đầu

Bell Laboratories đã sử dụng HMD cho những phi công lái máy bay trực thăng Họ liên kết HMD với những camera hồng ngoại gắn bên ngoài máy bay giúp phi công có thể nhìn rõ ngay cả khi môi trường thiếu ánh sáng

Vào khoảng năm 1965, nhà khoa học máy tính có tên là Ivan Sutherland hình dung ra điều mà ông gọi là “Ultimate Display”, sử dụng hiển thị này một người có thể nhìn thấy thế giới vật lý thật Điều này đã định hướng cho cách nhìn

về thực tại ảo Khái niệm của Suntherland bao gồm:

1 Một thế giới ảo mà ta có thể quan sát qua HMD

2 Một máy tính để duy trì các mô hình trong thời gian thực

1 1 2 Định nghĩa về thực tại ảo

Thuật ngữ “virual reality” – thực tại ảo được đưa ra bởi Jaron Lanier (người

sáng lập công ty VPL Research tại California một trong những công ty đầu tiên cung cấp các sản phẩm cho môi trường ảo) Hiện nay, có rất nhiều định nghĩa về thực tại ảo, tuy nhiên định nghĩa được chấp nhận và nhân rộng nhiều nhất là của C Burdea và P Coiffet

Thực tế ảo là một hệ thống giao diện cấp cao giữa người sử dụng với máy tính Hệ thống này mô phỏng các sự vật và hiện tượng theo thời gian thực và tương tác với người sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác Đó là ngũ giác gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, vị giác và khứu giác

Hình 1 1: Tương tác trong thực tại ảo

Trong thực tại ảo sử dụng mô phỏng trong đồ họa máy tính để tạo ra một thế giới như thật Thế giới nhân tạo này không tĩnh tại mà luôn phản ứng và thay đổi theo ý muốn của người sử dụng thông qua những tín hiệu đầu vào Điều đó nói lên một đặc tính quan trọng của VR đó là khả năng tương tác thời gian thực

Thời gian thực ở đây có nghĩa là máy tính có khả năng nhận biết được tín hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức thế giới ảo Người dùng hoàn toàn nhìn thấy sự thay đổi đó trên màn hình theo ý muốn của họ và họ bị thu hút bởi sự mô phỏng này Tính tương thích và khả năng thu hút của VR đã tạo ra cảm giác đắm chìm, cảm giác trở thành một phần của hành động trên màn hình mà người sử dụng đang trải nghiệm Tuy nhiên các ứng dụng của VR phụ thuộc rất nhiều vào trí tưởng tượng của con người Do vậy, có thể coi mỗi hệ thống VR là sự tổng hợp của ba yếu tố: tương tác, đắm chìm, tưởng tượng

Người ta có thể phân hệ thống VR ra làm nhiều loại khác nhau tùy thuộc vào mức độ phức tạp hoặc phương thức hoạt động của hệ thống Ở đây tác giả phân hệ thống VR làm 3 loại chính: Hệ thống VR không nhập vai, hệ thống VR bán nhập vai và hệ thống VR nhập vai

1 Hệ thống VR không nhập vai: được xây dựng cho máy tính để bàn Môi trường ảo được quan sát thông qua màn hình có độ phân giải cao Việc tương tác được thực hiện thông qua các phương tiện như: bàn phím, chuột hoặc joystick

2 Hệ thống VR bán nhập vai: Gồm máy tính hỗ trợ đồ họa mạnh đi kèm với một hoặc nhiều màn hình hoặc hệ thống máy chiếu để tạo ra màn hình lớn

Hệ thống này đặt xung quan người dùng để tạo cảm giác hòa mình vào môi

trường 3D ảo

3 Hệ thống VR nhập vai: Hệ thống này tạo cho người dùng có cảm giác thực

tế nhất Người dùng sẽ đeo HMD hoặc sử dụng thiết bị BOOM để nhìn vào môi trường ảo

1 1 3 Các thành phần của một hệ thống thực tại ảo

ưu để xử lý và hiển thị nhiều dữ liệu phức tạp như hình ảnh 3D, hoạt hình mô phỏng thực tế, rendering hình ảnh …

 Các thiết bị đầu vào là các thiết bị mà có khả năng kích thích các giác quan để tạo nên cảm giác hiện hữu trong thế giới ảo Gồm có: bộ dò

vị trí để xác định vị trí quan sát, bộ giao diện định vị để di chuyển vị trí người sử dụng, bộ giao diện cử chỉ như Data Glove

Hình 1 2: Data Glove

 Các thiết bị đầu ra: gồm các thiết bị hiển thị đồ họa (màn hình, mũ đội đầu có màn hiển thị để nhìn được đối tượng 3D); các thiết bị âm thanh

(loa nghe âm thanh vòm) bộ phản hồi cảm giác để tạo xúc giác khi sờ, nắm đối tượng, bộ phản hồi xung lực để tạo tác động như khi cưỡi ngựa, khi lái xe …

Hình 1 3: Hi - Fi

2 Phần mềm

Phần mềm luôn được coi là linh hồn của VR, người ta có thể sử dụng các ngôn ngữ lập trình như: OpenGL, C++, Java, VRML, … hay phần mềm đồ họa như: 3DSmax, 3Dstadio, AutoCAD, … để mô phỏng và mô hình hóa các đối tượng Mỗi phần mềm của VR phải đảm bảo 2 chức năng chính là tạo hình và mô phỏng Các đối tượng trong VR được mô hình hóa chính là nhờ phần mềm này hoặc chuyển sang từ mô hình 3D Sau đó, VR phải có khả năng mô phỏng động học, động lực học và mô phỏng ứng xử của đối tượng

3 Bộ giả lập

Bao gồm hệ thống máy tính, phần cứng, thiết bị ngoại vi, thiết bị đồ họa và thiết bị đa phương tiện cung cấp cho bộ tác động những thông tin giác quan cần thiết được xem là trái tim của hệ thống thực tại ảo

1 1 4 Những ứng dụng của thực tại ảo

Tại các nước phát triển như Mỹ và châu Âu, VR đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực Ở nước

ta VR cũng đang được quan tâm và đầu tư nghiên cứu xây dựng các phần mềm

đáp ứng nhu cầu của con người

Thiết kế : Với một máy tính cài phần mềm xem thực tại ảo, các kiến trúc sư

có thể giúp khách hàng của mình nhìn ngắm bên ngoài, xem xét bên trong ngôi nhà mà họ sắp xây Khách hàng có thể tải thử các loại đồ nội thất ảo từ một nhà cung cấp về bố trí trong nhà xem có ưng ý hay không

Giải trí :tại Nhật Bản, người ta xây dựng những phòng trượt tuyết ảo

Người chơi thỏa sức chọn lựa những bãi biển đẹp với các độ sâu khác nhau để khám phá sự thú vị của môn thể thao này Hoặc bạn muốn tham gia vào một trò chơi nào đó có tính mạo hiểm mà trong hiện thực không dám thực hiện như: nhảy

dù, leo núi Công nghệ thực tại ảo sẽ giúp bạn thực hiện điều đó dễ dàng

Hình 1 4: Phòng trượt tuyết ảo

Trong y học: người ta sử dụng công nghệ thực tại ảo để tạo môi trường cho

việc nghiên cứu của các chuyên gia, việc thực hành của các sinh viên Các bác sĩ

có thể tiến hành phẫu thuật thử nghiệm trên những bệnh nhân mô phỏng để vừa nâng cao tay nghề, vừa giảm nguy hiểm cho người bệnh Hoặc các mô phỏng nội soi của VR giúp cho các sinh viên có thêm kinh nghiệm thực tế

Trong giáo dục: các nhà nghiên cứu Tây Ban Nha vừa giới thiệu một hệ

thống sử dụng kính thông minh cho phép giáo sư nhận các phản hồi từ sinh viên về nội dung bài giảng trên lớp Hệ thống thực tại ảo với màn hình gắn trước mắt cho phép một giảng viên thấy những ký hiệu lơ lửng trên mỗi sinh viên, biểu thị mức

độ hiểu và tiếp thu bài vở của họ

Hình 1 5: Kính thực tế ảo cho phép giáo sư nắm bắt được suy nghĩ của sinh viên

Những biểu tượng trên do chính các sinh viên kích hoạt qua điện thoại di động và được sử dụng để báo cho giáo sư biết rằng họ hiểu hay không hiểu bài giảng vừa rồi, hoặc cần giảng chậm hơn một chút …

Chỉ bằng cách nhìn vào biểu tượng hiển thị trên đầu mỗi sinh viên, giáo sư đứng lớp có thể nắm được tình hình tổng quan và hiểu được thông điệp của từng người Hệ thống cũng cung cấp cho sinh viên một phương thức giao tiếp mới, cho phép họ giữ liên lạc với giáo sư ngay tức thời và hết sức riêng tư mà không phải làm gián đoạn cả lớp học

Về bảo tồn di sản văn hóa: người ta muốn đến thăm thành Thăng Long vào

một chiều mùa thu năm 1506? Thật đơn giản bạn chỉ việc đội một chiếc mũ chuyên dụng của VR, đeo một đôi găng tay cũng của VR rồi lựa chọn các thông số phù hợp trên thiết bị và bấm nút đồng ý Ngay lập tức trước mắt bạn đã là một Thăng Long cổ xưa với 3 lớp thành, lần lượt từ ngoài vào trong là Kim Thành, Hoàng Thành, Từ Cấm Thành Sau đó bạn có thể đi khắp thành và ngắm ngía, sờ vào các viên gạch cũ kĩ, ngắm nhìn kiến trúc cổ xưa hiện ra trước mắt như trong thế giới thực

Dự án này được thực hiện bởi nhóm chuyên gia công nghệ thông tin thuộc trung tâm công nghệ mô phỏng của Học viện kĩ thuật quân sự thực hiện

Trong ngành hàng không

Thời gian, nguồn đầu tư là vấn đề sống còn của tất cả các công ty tham gia hoạt động sản xuất kinh doanh Đặc biệt là những ngành đòi hỏi phải có nguồn vốn

lớn mà thời gian thu hồi vốn lâu và sức cạnh tranh cao như ngành hàng không vũ trụ Chúng ta không thể đầu tư một chiếc tàu vũ trụ để phóng thử nghiệm vào không gian Chúng ta cũng không thể giao một chiếc máy bay cho một phi công lần đầu tiên bước lên máy bay mà chưa qua huấn luyện

Trên thực tế, người ta làm thế nào để giải quyết được vấn đó? Khi chưa có ứng dụng Công nghệ thông tin thì người ta buộc tất cả những học viên phải trau rồi

lý thuyết thật nhuần nhuyễn trước khi lên máy bay nhằm giảm thiểu những thiệt hại hay nguy hiểm Tuy nhiên cách này có nhược điểm đó là đòi hỏi nhiều thời gian đào tạo và kinh phí đào tạo Quan trọng hơn là trải nghiệm thực tế không cao nên tiềm ẩn nhiều rủi ro nguy hiểm Và khi Công nghệ thông tin phát triển, các ứng dụng của nó ngày càng rộng khắp thì người ta đã xây dựng rất nhiều chương trình mô phỏng cho phi công tập luyện, kết hợp với các thiết bị phần cứng để tạo

ra môi trường làm việc trực quan cho con người Những phi công đang tưởng tượng một đường bay thực sự và đang lái chiếc máy bay đó trên không trung Việc tạo ra các chướng ngại vật trên đường bay sẽ làm cho các phi công có thêm kinh nghiệm xử lý tình huống, nâng cao kĩ năng nghề nghiệp, đem lại chất lượng đào tạo và an toàn cho hành khách

Hình 1.6: Phòng thực tại ảo đào tạo phi công lái máy bay

Còn rất nhiều ứng dụng quan trọng nữa của VR trong đời sống hằng ngày của chúng ta như: xây dựng, du lịch, thương mại, sản xuất … Điều đó một lần nữa khẳng định tầm quan trọng trong việc nghiên cứu công nghệ thực tại ảo để có thể ứng dụng nó vào các lĩnh vực trong đời sống thực tiễn của con người

1 2 Sự điện phân

1 2 1 Sơ lược về điện tích

Điện tích là một tính chất cơ bản và không đổi của một số hạt nguyên tử, đặc trưng cho tương tác điện từ giữa chúng Điện tích tạo ra trường điện từ và cũng như chịu sự ảnh hưởng của trường điện từ Sự tương tác giữa một điện tích với trường điện từ khi nó chuyển động hoặc đứng yên so với trường điện từ này là nguyên nhân gây ra lực điện từ, một trong những lực cơ bản của tự nhiên

Điện tích còn được hiểu là “hạt mang điện” Khi hạt mang điện này được coi là rất nhỏ như một chất điểm thì điện tích được gọi là điện tích điểm Nếu điện tích điểm được sử dụng trong một thí nghiệm, có thể là thí nghiệm tưởng tượng trên lý thuyết thì nó được gọi là điện tích thử

Theo quy ước, có hai loại điện tích: điện tích âm và điện tích dương Điện tích của electron là âm, ký hiệu là –e còn điện tích của proton là dương, ký hiệu là +e với e là giá trị của một điện tích nguyên tố Các hạt mang điện cùng dấu (cùng dấu dương hoặc cùng dấu âm) sẽ đẩy nhau Ngược lại, các hạt mang điện khác dấu

sẽ hút nhau Tương tác giữa các hạt mang điện nằm ở khoảng cách rất lớn so với kích thước của chúng tuân theo định luật Coulomb (Cu - lông) Định luật Coulomb được đặt theo tên nhà vật lý Pháp Charles De Coulomb Định luật Cu – lông phát biểu như sau:

Độ lớn tương tác giữa hai điện tích điểm tỷ lệ thuận với tích độ lớn của các điện tích và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng

Điện tích của một vật vĩ mô là tổng đại số của tất cả các điện tích tương ứng của các hạt phần tử cấu thành nên vật đó Thông thường, các vật quanh ta đều trung hòa về điện, đó là do mỗi nguyên tử ở trạng thái tự nhiên đều có tổng số proton bằng tổng số electron, nên các điện tích của chúng bù trừ lẫn nhau Tuy nhiên, ngay cả khi điện tích tổng cộng của một vật bằng không, vật ấy vẫn có thể tham gia tương tác điện từ, đó là nhờ hiện tượng phân cực điện Các điện tích chịu

sự ảnh hưởng của hiện tượng phân cực gọi là điện tích liên kết, các điện tích có thể

di chuyển linh động trong vật dẫn dưới tác dụng của từ trường ngoài gọi là điện tích tự do

Chuyển động của các hạt mang điện theo một hướng xác định sẽ tạo thành dòng điện Đơn vị của điện tích trong hệ SI là Coulomb (viết tắt là C), 1C xấp xỉ bằng 6, 24*1018e Kí hiệu Q được dùng để diễn tả độ lớn một lượng điện tích xác định gọi là điện lượng

Phần lớn điện lượng trong tự nhiên là bội số nguyên của điện tích nguyên tố

Các hạt quark có điện tích phân số so với e Phản hạt của một hạt cơ bản sẽ có điện tích bằng về độ lớn nhưng trái dấu so với điện tích của hạt cơ bản Có thể đo điện tích bằng một dụng cụ gọi là tĩnh điện kế

Điện tích là một đại lượng bất biến tương đối tĩnh, điều đó có nghĩa là vật (hoặc hạt) mang điện tích q khi đứng yên thì vẫn sẽ mang điện tích q như vậy khi chuyển động Điều này đã được kiểm chứng trong một thực nghiệm, ở đó điện tích của một hạt nhân heli (gồm 2 proton và 2 notron, hạt nhân này di chuyển rất nhanh) được quan sát là gấp đôi điện tích của một hạt nhân deuteri (gồm 1 proton

và một notron, được xem là chuyển động rất chậm so với hạt nhân heli)

Định luật bảo toàn điện tích phát biểu như sau: tổng điện tích của một hệ kín

là không thay đổi theo thời gian, không phụ thuộc vào các biến đổi trong hệ

1 2 2 Sự điện phân và ứng dụng của sự điện phân

1 2 2 1 Thuyết điện li

Cho nước tinh khiết (nước cất hai lần) vào một cốc có hai điện cực bằng kim loại rồi nối với một bộ pin, ta thấy dòng diện chạy qua rất nhỏ Điều đó chứng tỏ trong nước tinh khiết có rất ít hạt tải điện Cho thêm vào trong nước một lượng nhỏ axit, bazo hoặc muối thì có dòng điện tăng mạnh, chứng tỏ mật độ hạt tải điện trong đó tăng lên Sự tăng số hạt tải diện trong các dung dịch như thế có thể giải thích dựa trên một lí thuyết gọi là thuyết điện li

Định nghĩa thuyết điện li : trong dung dịch, các hợp chất hóa học như axit, bazo và muối bị phân li (một phần hoặc toàn bộ) thành các nguyên tử (hoặc nhóm nguyên tử) tích điện gọi là ion có thể chuyển động tự do trong dung dịch và trở thành hạt tải điện

 Axit phân li thành ion âm (gốc axit)- và ion dương H+

 Bazo phân li thành ion âm (OH)- và ion dương (kim loại)+

 Muối phân li thành ion âm (gốc axit)- và ion dương (kim loại)+

 Một số bazo như nước amoniac (NH4)OH hoặc muối như phân đạm amoni clorua (NH4)Cl không chứa ion kim loại Trong dung dịch, chúng cũng bị phân li thành các ion (OH)-, Cl- và (NH4)+

Mỗi ion mang một số nguyên điện tích nguyên tố Khi ion là một nguyên tử tích điện, số điệnt tích nguyên tố của ion là hóa trị của nguyên tố ấy

Các ion dương và âm vốn đã tồn tại sẵn trong các phân tử axit, bazo và muối Chúng liên kết với nhau rất chặt chẽ bằng lực hút Cu-lông Khi tan vào

trong nước hoặc một dung môi khác, lực hút Cu-lông yếu đi, liên kế trở nên lỏng lẻo Một số phân tử bị chuyển động nhiệt tách thành các ion tự do

Chuyển động nhiệt mạnh trong các muối hoặc bazo nóng chảy cũng làm các phân tử chất này phân li thành các ion tự do như các dung dịch Ta gọi những dung dịch và chất nóng chảy như trên là chất điện phân

1 2 2 2 Khái niệm điện phân

“Sự điện phân là quá trình oxi hóa khử xảy ra trên bề mặt các điện cực khi

có dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li”

Hình 1 7: Mô tả bình điện phân

Trong quá trình điện phân phải sử dụng điện năng để tạo ra sự biến đổi về hóa học Dưới tác dụng của lực điện trường các cation chạy về cực âm (catot) còn các anion chạy về cực dương (anot) Tại đó xảy ra các phản ứng trên các điện cực (sự phóng điện)

Tại catot xảy ra quá trình khử cation

Mn+ + ne → M Tại anot xảy ra quá trình oxi hóa anion

Xn- → X + ne

Ví dụ: Điện phân nóng chảy NaCl có thể biểu diễn bằng sơ đồ sau:

Catot (-) ← NaCl → Anot (+)

2Na+ + e → Na 2Cl- → Cl2 + 2e Khi có nhiều chất khử khác nhau, thường là các ion kim loại khác nhau cùng

về catot thì chất nào có tính oxi hóa mạnh nhất sẽ bị khử trước Khi hết chất oxi hóa mạnh nhất mà còn điện phân tiếp tục thì chất oxi hóa yếu hơn kế tiếp sau mới

bị khử

Ví dụ: Nếu có các ion kim loại Cu2+, Ag+, Fe2+ cùng về catot bình điện phân

Độ mạnh tính oxi hóa giảm dần như sau: Ag+> Cu2+>Fe2+ nên quá trình khử lần lượt xảy ra ở catot sẽ là:

Ag+ + e- → Ag

Cu2+ + 2e- → Cu

Fe2+ + 2e- → Fe Tương tự khi có nhiều chất khử khác nhau, thường là các anion phi kim khác nhau cùng về anot thì chất khử nào mạnh nhất sẽ bị oxi hóa trước Khi hết chất khử mạnh nhất mà còn điện phân tiếp tục thì chất khử yếu hơn kế tiếp mới bị oxi hóa

Trong dãy thế điện hóa (dãy hoạt động hóa học các kim loại), người ta sắp các kim loại (trừ H2 là phi kim) theo thứ tự từ trước ra sau có độ mạnh tính khử giảm dần

hơn so với khi ở trạng thái rắn Các ion dương (cation) mang điện tích dương nên sẽ di chuyển về cực âm (catot) Tại đây có quá trình khử xảy

ra Còn các ion âm (anion) mang điện tích âm nên sẽ di chuyển về cực dương (anot), tại đây có quá trình oxi hóa xảy ra

Ví dụ: Khi điện phân nhôm oxit (Al2O3) nóng chảyAl2O3 khi nóng chảy sẽ tạo ra Al3+ và O2-

Tại catot (-): 2Al3- + 6e- → 2Al

Tại anot (+): 3O2- - 6 → 3

2O2Như vậy khi điện phân nóng chảy nhôm oxit ta thu được kim loại nhôm ở catot và khí oxi ở anot bình điện phân

 Sự điện phân dung dịch chất điện li: Khi điện phân dung dịch chất điện li, tùy từng trường hợp dung môi nước của dung dịch có thể tham gia điện phân ở catot hay anot Nếu nước tham gia điện phân thì:

hóa, nó bị khử tạo khí hidro (H2) thoát ra đồng thời phóng thích ion OH- ra dung dịch

Ở anot: Do ở anot có quá trình oxi hóa xảy ra nên nước sẽ đóng vain trò

chất khử, nó bị oxi hóa tạo khí oxi (O2) thoát ra, đồng thời phóng thích ion H-

-2H O 2 2H + 2OH

1 2OH - 2e O + H O2 2

OH- kết hợp với ion kim loại tạo ra hidroxit kim loại tương ứng) Có thể hiểu là các kim loại từ nhôm trở về trước có tính khử mạnh, rất mạnh, nên các ion kim

loại này có tính oxi hóa rất yếu, yếu hơn H2O Do đó H2O bị khử trước ở catot Và một khi nước bị khử ở catot thì đây cũng là giai đoạn chót ở catot, vì khi hết nước thì cũng không còn dung dịch nữa, nên sự điện phân sẽ ngừng Các ion kim loại từ

Al trở về trước chỉ bị khử tạo kim loại tương ứng khi điện phân nóng chảy chất điện có chứa các ion này

-2H O + 2e2  H + 2OH2Quá trình oxi hóa ở anot phụ thuộc vào bản chất của chất làm điện cực anot

và bản chất của anion đi về phía anot Nếu anot tan (không trơ, bền) nghĩa là anot được làm bằng các kim loại thông thường như: Ag, Cu, Fe, Zn, … (trừ Pt) thì kim loại dùng làm anot bị oxi hóa (bị hòa tan) còn các anion đi về anot không bị oxi hóa Có thể hiểu một cách gần đúng là kim loại được dùng là kim loại có tính khử mạnh hơn các chất khử khác đi về anot trong dung dịch Vậy nên kim loại được dùng làm điện cực anot bị oxi hóa trước Và một khi điện cực anot bị oxi hóa thì đây cũng là giai đoạn cuối ở anot Bởi vì khi hết điện cực anot thì sẽ có sự cách điện và sự điện phân sẽ dừng

1 2 2 3 Ứng dụng hiện tượng điện phân

1 Luyện kim: Cơ sở của phương pháp này là dùng dòng điện một chiều để khử các ion kim loại Để điều chế các kim loại mạnh như Na, K, … bằng cách điện phân các hợp chất nóng chảy của chúng Và với các kim loại có tính khử trung bình và yếu thì điện phân dung dịch muối của chúng

2 Mạ điện: dùng phương pháp điện phân để phủ một lớp kim loại lên những đồ vật làm bằng kim loại khác Khi đó vật cần được mạ dung làm cực âm, kim loại dung để mạ làm cực dương, còn chất điện phân là dung dịch muối của kim loại dùng để mạ Ví dụ như mạ kẽm, mạ vàng, mạ bạc … Đó chính là ứng dụng của hiện tượng điện phân dương cực tan

3 Đúc điện: Khuôn của vật định đúc bằng sáp ong hay bằng một chất khác dễ nặn rồi quét lên khuôn một lớp than chì (graphit) mỏng để bề mựt khuôn trở thành dẫn điện Khuôn này được dùng để làm cực âm còn cực dương thì bằng kim loại mà ta muốn đúc và dung dịch điện phân là muối của kim loại đó Khi đặt một hiệu điện thế vào hai điện cực đó, kim loại sẽ kết thành một lớp trên khuôn đúc, dày hay mỏng tùy thuộc vào thời gian điện phân Sau đó người ta tách lớp kim loại ra khỏi khuôn và được vật cần đúc

1 2 3 Các kĩ thuật mô phỏng sự điện phân

1 2 3 1 Flash

Sử dụng phần mềm Flash: khi học ở phổ thông, có thể các em cũng được quan sát một hoặc hai thí nghiệm sự điện phân Trong thí nghiệm đó, các em không thấy được sự di chuyển của các điện tích về hai phía của điện cực mà chỉ nhìn thấy những hạt nước li ti bám vào hai thanh kim loại Do vậy nên đã có rất nhiều người xây dựng ra các chương trình để mô phỏng sự điện phân Dưới đây, tôi xin nêu một phương pháp tiếp cận mô phỏng sự điện phân đó là sử dụng phần mềm Flash

Đây là một phần mềm mô phỏng ra đời sớm nhất Nó thực hiện công việc

mô phỏng dựa trên hình ảnh các vector Flash chỉ cần dùng một băng thông hẹp để tạo nên một đối tượng có thể chuyển động từ nhiều điểm theo nhiều hướng khác nhau cùng một lúc Khi sử dụng Flash chúng ta có thể vẽ các đối tượng cần mô phỏng rồi cho các đối tượng chuyển động bằng cách tạo nhiều hình ảnh liên tiếp trên các frame của timeline theo hình thức hoạt hình Phần mềm flash cũng hỗ trợ các phép biến đổi hình ảnh giúp chúng ta tạo chuyển động dễ dàng mà không cần phải vẽ tất cả các ảnh trong quá trình biến đổi, mà chỉ cần vẽ hình đầu tiên và cuối cùng Nếu không thì flash cũng cho phép chúng ta chèn hình ảnh từ bên ngoài hoặc có thể phân tích các đoạn video ngắn thành các ảnh trên timeline tạo điều kiện cho ta điều kiển đoạn video đó một cách linh hoạt hơn Không những thế phần mềm flash còn hổ trợ ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng ActionScript, mà nhờ đó việc tạo ra các sản phẩm mô phỏng được chính xác, linh hoạt Tuy nhiên chuyẻn động của các đối tượng trong Flash là chuyển động 2D Do đó, không cho thấy được chiều sâu của đối tượng nên hạn chế trí tưởng tượng và tư duy của người dùng

kì thi tuyển sinh đại học, cao đẳng

Khi mô phỏng sự điện phân, đòi hỏi những nhà thiết kế phải làm sáng tỏ các hiện tượng diễn ra trong dung dịch bình điện phân (nếu là điện phân dung dịch)

Đó là sự di chuyển các điện tích về hai cực của nguồn điện Sẽ phức tạp hơn nếu là

sự điện phân dương cực tan, bởi lẽ ngoài việc các điện tích di chuyển về 2 điện cực, còn có sự tan dần của cực dương Quá trình mô phỏng phải làm sáng tỏ thêm quá trình ăn mòn ở anot để các em hiểu được bản chất của vấn đề

Sau khi nghiên cứu đặc điểm của sự điện phân dương cực tan, những tính năng hữu ích có trong kĩ thuật Particles, cùng với sự định hướng sáng suốt của giáo viên hướng dẫn, tôi lựa chọn kĩ thuật Particles để mô phỏng sự điện phân dương cực tan