Thí nghiệm STEM về điện an toàn cho trẻ: mạch kín, mạch hở, máy dò vật dẫn điện

Hai thí nghiệm STEM về điện an toàn cho học sinh tiểu học: mạch pin và bóng đèn để hiểu mạch kín, mạch hở; máy dò vật dẫn điện bằng ESP32 cắm USB, phiếu thử 10 đồ vật.

Điện là chủ đề trẻ rất tò mò nhưng cũng dễ gây nguy hiểm nếu làm sai cách. Bài viết hướng dẫn hai thí nghiệm STEM về điện an toàn cho học sinh tiểu học: lắp mạch pin và bóng đèn để hiểu mạch kín, mạch hở, rồi làm một máy dò vật dẫn điện bằng ESP32 cắm cổng USB để thử xem đồ vật nào cho dòng điện đi qua. Cả hai chỉ dùng pin 3 V hoặc nguồn USB 5 V, không đụng tới điện 220 V trong nhà.

1. Chuẩn bị

Thí nghiệm 1: mạch pin và bóng đèn

• Khay 2 pin AA (3 V) có dây ra sẵn.
• Bóng đèn pin nhỏ loại 2,5–3 V. Có thể thay bằng một đèn LED và điện trở 100 Ω; LED có chiều, chân dài nối về phía cực dương.
• Vài đoạn dây điện có kẹp cá sấu ở hai đầu.
• Công tắc: tự làm bằng hai đinh ghim cắm trên miếng bìa cứng và một chiếc kẹp giấy bằng kim loại xoay qua lại.

Thí nghiệm 2: máy dò vật dẫn điện

• Một mạch ESP32 DevKit V1 và dây USB nạp code.
• Hai dây cắm test board loại một đầu cái, một đầu đực: đầu đực bằng kim loại dùng làm "que dò".
• Các đồ vật để thử: thìa inox, đồng xu, giấy bạc, kẹp giấy, bút chì gọt hai đầu, cục tẩy, thước nhựa, que kem, tờ giấy, cốc nước muối.

2. Thí nghiệm 1: mạch kín và mạch hở

1. Nối một dây từ cực dương của khay pin tới một chân bóng đèn.
2. Nối chân còn lại của bóng đèn tới công tắc, rồi từ công tắc về cực âm của khay pin.
3. Đóng công tắc: đèn sáng. Mở công tắc: đèn tắt.

Dòng điện chỉ chạy khi có một vòng khép kín: từ cực dương của pin, qua bóng đèn, qua công tắc rồi trở về cực âm. Đó là mạch kín. Chỉ cần một chỗ hở, như công tắc mở hoặc một kẹp bị tuột, là thành mạch hở, dòng điện dừng lại và đèn tắt.

Trò chơi "thám tử tìm chỗ hở": người lớn bí mật tháo lỏng một kẹp cá sấu, trẻ phải tìm xem vì sao đèn không sáng. Đây là cách sửa lỗi giống hệt khi kỹ sư kiểm tra một mạch điện.

3. Vật dẫn điện và vật cách điện

Nếu thay công tắc bằng một đồ vật, đèn có sáng không? Còn tùy đồ vật đó làm bằng gì:

• Vật dẫn điện cho dòng điện đi qua: kim loại (thìa, đồng xu, giấy bạc), than chì trong ruột bút chì, nước có hòa muối.
• Vật cách điện không cho dòng điện đi qua: nhựa, cao su, gỗ khô, giấy, vải. Vỏ dây điện làm bằng nhựa chính là để cách điện, bảo vệ người dùng.

Với pin và bóng đèn, một số vật dẫn điện kém nên đèn chỉ sáng rất mờ, khó nhận ra. Máy dò ở phần sau giúp trẻ thử nhanh và rõ hơn.

4. Thí nghiệm 2: máy dò vật dẫn điện bằng ESP32

Cắm một dây vào chân D27 (que đỏ), một dây vào chân GND (que đen). Nạp chương trình sau, mở Serial Monitor ở 115200 baud:

// PYWORLD.VN - ESP32 DevKit V1: máy dò vật dẫn điện cho giờ học Khoa học
// Que đỏ nối D27, que đen nối GND; chạm hai đầu que vào hai đầu vật cần thử
// Vật dẫn điện nối D27 xuống GND: đèn trên mạch (GPIO2) sáng, Serial Monitor báo kết quả

const int QUE_DO = 27;      // chân đọc, bật điện trở kéo lên có sẵn trong ESP32
const int LED_PIN = 2;      // đèn LED có sẵn trên mạch
int soLanDan = 0;
bool dangDan = false;

// Đọc 20 lần trong khoảng 100 ms; chỉ kết luận "dẫn điện" khi cả 20 lần đều ở mức thấp
bool docOnDinh() {
  for (int i = 0; i < 20; i++) {
    if (digitalRead(QUE_DO) == HIGH) return false;
    delay(5);
  }
  return true;
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(QUE_DO, INPUT_PULLUP);    // không chạm gì: chân ở mức cao (1)
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  delay(500);
  Serial.println("May do vat dan dien: cham vat vao que D27 va que GND");
}

void loop() {
  bool dan = docOnDinh();
  if (dan != dangDan) {             // chỉ báo khi kết quả thay đổi
    dangDan = dan;
    digitalWrite(LED_PIN, dan ? HIGH : LOW);
    if (dan) {
      soLanDan++;
      Serial.printf("Lan %d: DAN DIEN - den sang\n", soLanDan);
    } else {
      Serial.println("Khong dan dien (hoac da bo vat ra)");
    }
  }
  delay(50);
}

Chạm hai đầu que vào hai đầu một đồ vật. Nếu vật dẫn điện, đèn xanh trên mạch sáng và Serial Monitor in "DAN DIEN".

• Cách máy dò hoạt động: INPUT_PULLUP bật một điện trở có sẵn trong ESP32 (khoảng 45 kΩ) nối chân D27 lên 3,3 V. Khi không chạm gì, D27 ở mức cao (1). Khi vật dẫn điện nối D27 xuống GND, điện áp ở D27 tụt gần về 0, chương trình đọc được mức thấp (0).
• Ngưỡng của máy dò: ESP32 coi điện áp dưới khoảng 0,8 V là mức 0. Tính ra, vật có điện trở nhỏ hơn khoảng 15 kΩ thì đèn sáng. Đây là ước lượng: điện trở kéo lên của từng con chip không giống hệt nhau.
• Đọc 20 lần mới kết luận: tay cầm que hơi run làm tiếp xúc chập chờn. Chương trình chỉ báo "dẫn điện" khi cả 20 lần đọc liên tiếp đều ở mức thấp.
• An toàn: mạch lấy điện từ cổng USB. Que đỏ chỉ có 3,3 V nối qua điện trở 45 kΩ, dòng điện nhỏ hơn 0,1 mA, nên chạm tay vào que hoàn toàn an toàn.

5. Phiếu thí nghiệm: 10 đồ vật

1. Trẻ ghi dự đoán vào cột cuối: đồ vật này dẫn điện hay không?
2. Thử từng vật bằng máy dò, đánh dấu kết quả.
3. So sánh dự đoán và kết quả. Vật nào làm trẻ bất ngờ nhất?

Thử thêm: nhúng hai que vào cốc nước máy, rồi cho thêm muối và khuấy. Nước máy thường chưa đủ dẫn để đèn sáng, nhưng nước muối đặc thì sáng. Chạm hai que bằng hai ngón tay khô, rồi bằng hai ngón tay ướt: kết quả có khác không?

6. Quy tắc an toàn khi thí nghiệm với điện

• Không bao giờ thí nghiệm với ổ cắm điện. Điện trong nhà là 220 V, có thể gây chết người. Giải thích rõ cho trẻ: thí nghiệm an toàn vì chỉ dùng pin và cổng USB.
• Pin luôn nằm trong khay. Không cắt, đập, đốt pin; pin nóng hoặc phồng thì tháo ra và báo người lớn. Không nối thẳng hai cực pin bằng dây (chập mạch làm pin nóng).
• Pin cúc áo (pin tròn dẹt) rất nguy hiểm nếu trẻ nuốt phải. Bài này không dùng loại pin đó; nếu có trong nhà, cất xa tầm tay trẻ.
• Tay khô, dây còn nguyên vỏ. Lau tay sau khi thử nước muối, không để nước rơi lên mạch ESP32.

7. Gợi ý cho phụ huynh và giáo viên

• Độ tuổi: học sinh lớp 3–5. Thí nghiệm 1 phù hợp từ lớp 3; máy dò ESP32 cần người lớn nạp chương trình, trẻ chỉ cần dùng que dò.
• Liên môn: chủ đề năng lượng điện của môn Khoa học ở tiểu học (mạch điện đơn giản, vật dẫn điện, vật cách điện, sử dụng điện an toàn).
• Câu hỏi gợi mở: "Vì sao vỏ dây điện làm bằng nhựa còn lõi làm bằng đồng?", "Vì sao không được cầm máy sấy tóc khi tay ướt?", "Chim đậu trên dây điện sao không bị giật?".
• Thời lượng: 2 tiết 35–40 phút: tiết 1 mạch kín, mạch hở; tiết 2 máy dò và phiếu thí nghiệm.

8. Xem thêm

• Chạm tay bật đèn: nút cảm ứng trên ESP32 cho học sinh (cơ thể người cũng làm thay đổi một đại lượng điện).
• Bài đầu tiên với ESP32 cho học sinh: đèn nhấp nháy và mã Morse (cách cài Arduino IDE và nạp chương trình).
• Chọn bo mạch lập trình đầu tiên cho học sinh