Edu Physics

物理 → 交互教学网页

这个技能产出什么

一个可直接用浏览器打开的单页 HTML（三栏）：

• 左栏：题面 + 动态控制台 —— 一个可变参数滑块（如时间 t / 角度 θ / 速度 v / 温度 T）驱动实时 重算的物理量（位置、速度、加速度、能量、动量…），以及"恒等式指示"（守恒定律）或"状态判定"。
• 中栏：分步解析（公式用 KaTeX），可一键收起把空间让给画板。
• 右栏：2D Canvas 动态物理画板（轨迹 trace + 质点 + 矢量箭头 + 波形 + 光线 + 电场线 + 网格坐标轴），叠加画笔涂鸦工具栏。

edu-physics（2D）与 edu-physics-3d 的分工

本技能（edu-physics）覆盖二维平面即足以展示的物理场景。凡是物理量/方向/轨迹涉及三维空间、 需要从任意角度观察的，请使用独立的 edu-physics-3d 技能（Three.js 三维画板）。

edu-physics 输出 2D Canvas 单页 HTML；edu-physics-3d 输出 Three.js 3D 单页 HTML。 两者数据岛格式不同（board vs board3d），详见各自 SKILL.md。

依赖

无外部依赖（不需要物理引擎、不需要 sympy）。模板引擎 template/board.html 是自包含的单页 HTML。只要能用 Python 3（标准库即可）做字符串替换就行，或者直接用 JSON 手动注入。

工作流程

第 1 步：确定题目规约

明确：

• 物理场景：抛体运动/碰撞/振动/波动/折射/电场/气体变化等
• 可变参数：时间 t、角度 θ、速度 v、温度 T 等，确定范围与步长
• 物理规律：运动方程、牛顿定律、能量/动量守恒、气体状态方程等
• 交互范式：滑块控制时间/角度/参数，观察物理量变化 + 轨迹/矢量/守恒验证
• 语言：输出语言跟随提示词语言（中文/英文）

第 2 步：设计物理系统

这是最关键的一步。选取方便的系统坐标，写出物理量的参数化表达式。

坐标放置技巧：

• 抛体运动以抛出点为原点，x 水平向右、y 竖直向上
• 简谐振动以平衡位置为原点
• 光的折射将界面放在 x 轴上
• 斜面沿 x 轴方向

物理量构造模式：

验证物理正确性（心算检查）：

• 初始条件：t=0 时位置、速度、能量是否正确
• 守恒检验：机械能 Eₖ+Eₚ 是否为常数
• 边界条件：最高点 vy=0、落地点 y=0 时 x 是否正确

viewport 范围：留 10-15% 边距，确保完整运动轨迹在画板可见。

第 3 步：组装数据并注入模板

📍 输出位置 & 唯一产物：交付给用户的只有一个 .html，写到当前工作目录 （Path.cwd()）。cwd 里不要留任何别的文件——构建脚本（.py）、__pycache__、截图等 临时文件一律放 /tmp 或用完即删。也绝不要写进技能自身目录。

数据格式（三段式 JSON，schema 见 template/board.html 数据岛 __LESSON_DATA__）：

{
  "lesson": {
    "language": "zh-CN",
    "title": "页面标题",
    "problem": "<p>题面 HTML，公式用 $…$ / $$…$$</p>",
    "answer": "$E_k+E_p = \\text{const}$"
  },
  "steps": [
    { "title": "步骤一", "content": "<p>解析内容...</p>" },
  ],
  "board": {
    "view": { "xRange": [-1, 10], "yRange": [-1, 6] },
    "points": {
      "O": [0, 0],
      "P": ["v0*cos(theta*PI/180)*t", "v0*sin(theta*PI/180)*t-0.5*g*t*t"],
      // 速度矢量箭头末端 = 当前位置 + 速度方向（缩放），用表达式点驱动
      "Vtip": ["x+vx*0.3", "y+vy*0.3"]
    },
    "param": {
      "name": "t",
      "label": "时间 $t$ (s)",
      "min": 0, "max": 5, "step": 0.05,
      "value": 0, "unit": "s",
      "ticks": ["0", "2.5", "5"]
    },
    "scalars": [
      { "name": "v0", "expr": "10" },
      { "name": "theta", "expr": "45" },
      { "name": "g", "expr": "9.8" },
      { "name": "vx", "expr": "v0*cos(theta*PI/180)" },
      { "name": "vy", "expr": "v0*sin(theta*PI/180)-g*t" },
      { "name": "x", "expr": "vx*t" },
      { "name": "y", "expr": "vy*t-0.5*g*t*t" },
      { "name": "Ek", "expr": "0.5*(vx*vx+vy*vy)" },
      { "name": "Ep", "expr": "g*y" },
      { "name": "E", "expr": "Ek+Ep" }
    ],
    "derived": [
      // 质点 P（points 里定义的点默认按浅灰渲染；这里用 vector 叠加箭头更醒目）
      // 位移矢量：从原点指向质点
      { "type": "vector", "name": "r_vec", "from": "O", "to": "P", "color": "vecA", "label": "$\\vec{r}$" },
      // 速度矢量：从质点 P 指向 Vtip（随速度方向变化的箭头）
      { "type": "vector", "name": "v_vec", "from": "P", "to": "Vtip", "color": "vec", "label": "$\\vec{v}$" },
    ],
    "readouts": [
      { "id": "x", "label": "水平位移 $x$", "type": "expr", "expr": "x", "digits": 2, "color": "vecA" },
      { "id": "y", "label": "竖直位移 $y$", "type": "expr", "expr": "y", "digits": 2, "color": "vecB" },
      { "id": "vx", "label": "$v_x$", "type": "expr", "expr": "vx", "digits": 2, "color": "vecA" },
      { "id": "vy", "label": "$v_y$", "type": "expr", "expr": "vy", "digits": 2, "color": "vecB" },
      { "id": "Ek", "label": "$E_k = \\frac{1}{2}mv^2$", "type": "expr", "expr": "Ek", "digits": 2 },
      { "id": "Ep", "label": "$E_p = mgy$", "type": "expr", "expr": "Ep", "digits": 2 },
      { "id": "E", "label": "$E = E_k+E_p$", "type": "expr", "expr": "E", "digits": 4, "highlight": true }
    ],
    // 定值指示（机械能守恒）—— of 指向上面 readouts 里真实存在的 id "E"
    "constant": { "of": "E", "label": "$E_k+E_p \\equiv \\text{常数}$" },
    // trace 轨迹
    "trace": { "of": "P", "color": "locus" },
    // 图例
    "legend": [
      { "color": "locus", "text": "轨迹" },
      { "color": "vec", "text": "速度 $\\vec{v}$" },
    ]
  }
}

构建脚本方法（Python，推荐）： 将构建脚本放 /tmp，直接做字符串替换：

#!/usr/bin/env python3
import json, sys
from pathlib import Path
sys.dont_write_bytecode = True

SKILL_DIR = Path(".claude/skills/edu-physics")
TEMPLATE = SKILL_DIR / "template" / "board.html"
PLACEHOLDER = "__LESSON_DATA__"

data = {
    "lesson": { ... },
    "steps": [ ... ],
    "board": { ... }
}

template = TEMPLATE.read_text(encoding="utf-8")
out_path = Path.cwd() / "solution-xxx.html"
out_path.write_text(
    template.replace(PLACEHOLDER, json.dumps(data, ensure_ascii=False)),
    encoding="utf-8"
)
print("written:", out_path)

python3 -B /tmp/build.py && rm -f /tmp/build.py

注：如果运行时提示 template/board.html 路径不对，请使用绝对路径或从 Path(__file__) 推导。

第 4 步：自检与交付

• 物理正确性：验证 t=0 初始条件、守恒量恒为定值、边界条件正确
• 浏览器预览：起本地静态服务，检查无控制台报错、KaTeX 正常、滑块交互流畅
  • 滑块拖动时质点沿预期轨迹运动
  • trace 轨迹曲线正确（抛体为抛物线、SHM 为正弦等）
  • 矢量方向/大小随参数正确变化
  • constant 指示器全程恒定显示
• 关闭端口：预览结束立即停掉本地服务
• 清理：删除 /tmp 中的临时脚本，确认 cwd 只有 .html

数据格式参考（核心字段）

board 关键字段说明

readouts 常用 type

derived 常用 type

注意：质点位置在 points 里定义后会自动渲染（默认浅灰）；如需改变颜色/标签， 在 points 里用 {xy, color, label} 形式声明，而不是用 derived 的 point（该 type 未实现）。 速度/力矢量随质点变化时，常用做法：在 points 里定义一个"箭头末端"点（坐标用表达式）， 再用 vector 从质点指向它（见上面抛体示例的 Vtip）。

颜色语义名

curve(金黄) · line(青) · aux(灰辅助) · ptA(红) · ptB(蓝) · point(浅灰) · given(紫) · fixed(翠绿) · vecA(红) · vecB(蓝) · locus(轨迹紫红) · area(青半透明)。 也可直接写 hex：#f87171 或 rgba(248,113,113,0.25)。

表达式引擎

坐标值/scalars 中的 expr 支持：+ - * / ^ sqrt cbrt abs sin cos tan asin acos atan atan2 exp log pow min max sign floor ceil hypot PI 三角函数使用弧度（角度需先转换：theta*PI/180）。 参数名须是合法 JS 标识符（如 t/v0/theta，不能用 θ 等非标识符）。

KaTeX 公式注意事项

课程正文（lesson.problem、steps[].content）及图例（legend[].text）中的 KaTeX 公式 使用 $...$（行内）或 $$...$$（块级）包裹。

已知不兼容命令：

• \\prescript — KaTeX 不支持 mathtools 包的 \\prescript 命令。 ✅ 改用 {}^{<上标>}_{<下标>}\\text{<基>}，如： $\\left({}^{4}_{2}\\text{He}^{2+}\\right)$ → $\left({}^{4}_{2}\text{He}^{2+}\right)$

trace 轨迹系统

在 board 中配置 trace: { of: "点名称", color: "颜色" } 后，引擎在 param 的 [min, max] 区间 均匀采样 160 步，对指定点绘制轨迹路径。适用于：

• 抛体运动的抛物线轨迹
• 简谐振动的 x-t 曲线（横轴时间，纵轴位移）
• 波的包络线

constant 定值指示器

配置 constant: { of: "读数id", label: "标签" } 后，当读数值随滑块变化恒为定值时， 页面显示绿色横幅提示。适用于：

• 机械能守恒 (Eₖ+Eₚ 恒定)
• 动量守恒 (m₁v₁+m₂v₂ 恒定)
• 勾股定理 (a²+b²-c²≡0)
• 其他恒等式

目录

• template/board.html — 数据驱动模板（通用 2D 渲染器 + 参数引擎 + 数据岛 __LESSON_DATA__）
• references/conventions.md — 物理交互范式、构造模式、自检清单
• examples/ — 范例参考