Edu Physics 3d

3D 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（如角度 θ / 时间 t / 速度 v）驱动实时 重算的物理量，以及"定值指示"（守恒定律）。
• 中栏：KaTeX 分步解析，可一键收起。
• 右栏：Three.js 3D 交互画板（球体/矢量箭头/轨迹曲线 + 网格坐标轴 + 可旋转/缩放/平移 OrbitControls），叠加视角控制按钮。

依赖

• Three.js r128（通过 CDN 加载，无本地依赖）
• OrbitControls（通过 CDN 加载）
• KaTeX（通过 CDN 加载）
• 无 sympy 依赖（物理量用 scalars 表达式在前端计算）

工作流程

第 1 步：确定题目规约

明确：

• 物理场景：洛伦兹力、叉积/右手定则、原子轨道、晶体结构等需要 3D 展示的内容
• 可变参数：角度 θ、时间 t、速度 v 等
• 物理规律：F=qv×B、右手定则、轨道形状参数等
• 交互范式：滑块控制参数变化，3D 箭头/球体/轨迹实时响应
• 语言：输出语言跟随提示词语言（中文/英文）

第 2 步：设计 3D 物理系统

这是最关键的一步。选取合适的坐标系和相机视角。

坐标放置技巧：

• 原点放在物理系统中心（如电荷位置、晶格原点）
• 相机初始位置选在能清晰展示三维关系的方向
• 网格地面辅助观察空间方位
• 坐标轴用红/绿/蓝标注 x/y/z 方向

3D 对象构造模式：

验证物理正确性（心算检查）：

• 叉积方向：θ=0° 时 F=0，θ=90° 时 F=qvB，方向用右手定则验证
• 轨道形状：参数方程是否正确
• 守恒量：是否恒为定值（如能量守恒）

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/board3d.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": "$F = q(v\\times B)$"
  },
  "steps": [
    { "title": "步骤一", "content": "<p>解析内容...</p>" },
  ],
  "board3d": {
    "view": {
      "cameraPos": [5, 4, 8],         // 相机初始位置
      "target": [0, 0, 0],            // 注视点
      "showGrid": true,
      "showAxes": true
    },
    "param": {
      "name": "theta",
      "label": "轨道角 $\\theta$ (°)",
      "min": 0, "max": 360,
      "step": 1, "value": 0, "unit": "°"
    },
    "scalars": [
      { "name": "r", "expr": "2" },                         // 轨道半径
      { "name": "rad", "expr": "theta*PI/180" },            // 角度转弧度
      { "name": "px", "expr": "r*cos(rad)" },               // 粒子位置 x
      { "name": "py", "expr": "0" },                        // 粒子位置 y（在 xz 平面圆周运动）
      { "name": "pz", "expr": "r*sin(rad)" },               // 粒子位置 z
      { "name": "vx", "expr": "-r*sin(rad)" },              // 速度 x（切向）
      { "name": "vy", "expr": "0" },
      { "name": "vz", "expr": "r*cos(rad)" },               // 速度 z
      { "name": "vmag", "expr": "sqrt(vx*vx+vy*vy+vz*vz)" },// 速率（恒定）
      { "name": "B", "expr": "3" },                         // 磁场强度（沿 y 轴）
      { "name": "q", "expr": "1" },                         // 电荷
      { "name": "F", "expr": "q*vmag*B" }                   // 洛伦兹力大小（恒定）
    ],
    "objects": [
      {
        "id": "charge",
        "type": "sphere",
        "position": ["px", "py", "pz"],   // 表达式坐标：随滑块移动
        "radius": 0.3,
        "color": "#f87171",
        "label": "电荷 q"
      },
      {
        "id": "v_arrow",
        "type": "arrow",
        "from": ["px", "py", "pz"],
        "to": ["px+vx*0.4", "py+vy*0.4", "pz+vz*0.4"],   // 速度方向箭头
        "color": "#60a5fa",
        "headLength": 0.3,
        "headWidth": 0.15
      },
      {
        "id": "B_arrow",
        "type": "arrow",
        "from": [0, -2.5, 0],
        "to": [0, 2.5, 0],                // 磁场方向（沿 y 轴，固定）
        "color": "#34d399",
        "headLength": 0.3,
        "headWidth": 0.15
      },
      {
        "id": "orbit",
        "type": "curve",
        // 圆轨道：用 theta 作曲线参数（注意 curve 的 expr 用的是同一套 scalars 环境，
        // 这里直接用 cos/sin 画半径 r 的圆）
        "expr": { "x": "r*cos(theta*PI/180)", "y": "0", "z": "r*sin(theta*PI/180)" },
        "tMin": 0, "tMax": 360,
        "segments": 120,
        "color": "#c084fc"
      }
    ],
    "readouts": [
      { "id": "v", "label": "速率 $|v|$", "type": "expr", "expr": "vmag", "digits": 2 },
      { "id": "B", "label": "磁场 $B$", "type": "expr", "expr": "B", "digits": 1 },
      { "id": "F", "label": "洛伦兹力 $F=qvB$", "type": "expr", "expr": "F", "digits": 2, "highlight": true }
    ],
    "constant": { "of": "F", "label": "$F = qvB \\equiv \\text{常数}$" },
    "legend": [
      { "color": "#f87171", "text": "电荷" },
      { "color": "#60a5fa", "text": "$\\vec{v}$" },
      { "color": "#34d399", "text": "$\\vec{B}$" },
      { "color": "#c084fc", "text": "轨道" }
    ]
  }
}

注：上面示例所有表达式变量（r/rad/px/vx/vmag/B/q/F 等）都在 scalars 里定义， constant.of:"F" 也指向 readouts 里真实存在的 id F。这样照抄即可跑通， 不会出现曲线消失、箭头消失、守恒横幅不显示的问题。

构建脚本方法（Python，推荐）：

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

SKILL_DIR = Path(".claude/skills/edu-physics-3d")
TEMPLATE = SKILL_DIR / "template" / "board3d.html"
PLACEHOLDER = "__LESSON_DATA__"

data = {
    "lesson": { ... },
    "steps": [ ... ],
    "board3d": { ... }
}

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

第 4 步：自检与交付

• 物理正确性：验证箭头方向正确（叉积方向、右手定则）、数值正确
• 浏览器预览：起本地静态服务，检查：
  • Three.js 场景正常加载（无 WebGL 报错）
  • OrbitControls 可旋转/缩放/平移
  • 滑块拖动时 3D 对象实时更新
  • Trace 轨迹线正确
  • readouts 和 constant 正确显示
• 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）

board3d 关键字段说明

3D 对象类型

位置/半径等坐标值支持表达式字符串，引擎每帧用当前 scalars 环境求值。

表达式引擎

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（角度需转换：theta*PI/180）。 参数名须是合法 JS 标识符（如 t/theta/v0，不用 θ）。

trace 轨迹系统

在 board3d 中配置 trace: { of: [x_expr, y_expr, z_expr], color: "locus" } 后， 引擎在 param 的 [min, max] 区间均匀采样 160 步，绘制三维轨迹曲线。 适用于带电粒子在磁场中的螺旋轨迹、空间运动路径等。

什么时候用 edu-physics-3d（而不是 edu-physics）

edu-physics（2D）和 edu-physics-3d 的分工：

目录

• template/board3d.html — Three.js 渲染模板（自包含单页 HTML）
• references/conventions.md — 3D 物理构造模式、坐标约定
• examples/ — 范例参考