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制作一组教学对比

每次只改一个物理事实,制作透镜、灯泡和秋千的对比课件。

先提出问题,固定控制条件,每次只改一个物理事实。在 Studio 中打开下面的模型即可编辑源码。每个状态可保存为 .phys 文件或分享链接;课件用 SVG,练习单用 PNG。

1. 蜡烛的像在哪里?

焦距固定为 10 厘米,蜡烛高度固定为 4 厘米。只改 candle -> L 30cm 末尾的物距。这里刻意不写 animate:每张导出图对应一个静态对比状态,不会因播放进度改变。

物距 30 厘米的蜡烛成像 几何光学图 L L F F F′ F′ candle candle 像 candle′ 像 candle′ dₒ = 30 cm dₒ = 30 cm 1/f = 1/dₒ + 1/dᵢ 1/f = 1/dₒ + 1/dᵢ dᵢ = 15 cm; m = -0.5 dᵢ = 15 cm; m = -0.5
图示说明

静态物理图:物距 30 厘米的蜡烛成像。

物距像距放大率像的特点
30 厘米15 厘米-0.5倒立、缩小
20 厘米20 厘米-1倒立、等大
15 厘米30 厘米-2倒立、放大

负号表示倒立。预测采用薄透镜近似,物体位于焦点之外。透镜的 10cm 焦距保持不变,否则比较的就不是同一个问题。在焦点处,不存在有限的像距。

2. 相同灯泡串联,为什么更暗?

两个灯泡的额定值都是 6 V / 3 W。保持元件声明和电源不变,只把 V <-> A <-> B <-> V 改成 V <-> (A <=> B) <-> V,比较并联情况。

两个灯泡串联 静态电路图 + + − − V V 6V 6V I = 250 mA I = 250 mA A 6V / 3W A 6V / 3W 3 V 3 V I = 250 mA I = 250 mA P = 0.75 W P = 0.75 W B 6V / 3W B 6V / 3W 3 V 3 V I = 250 mA I = 250 mA P = 0.75 W P = 0.75 W 理想导线 · 灯泡采用热态额定电阻近似 理想导线 · 灯泡采用热态额定电阻近似
图示说明

静态物理图:两个灯泡串联。

连接每灯电压每灯电流每灯功率电源电流
串联3 V0.25 A0.75 W0.25 A
并联6 V0.5 A3 W1 A

灯泡采用固定热态电阻 R = U²/P = 12 ohm。光晕表达求解功率的相对变化,不是标定的光度计,也不模拟灯丝升温。灰度打印时,形状和标签仍能识别灯泡。这个对比不需要移动的电流点。

lamp A, B 6V 3W 声明两个名字不同、额定值相同的灯泡。修改这一条声明即可同时改变两者;要比较不同灯泡,则拆成 lamp A 和 lamp B 两条声明。电源电压仍独立填写,相同额定值不会自动连接元件。

3. 摆长怎样改变周期?

共用支架,保持释放角度相同。这是三个独立单摆,不是互相传递能量的连摆。小角度近似下,摆长之比为 1:4:9 时,周期之比为 1:2:3。

三个秋千的周期 静态摆图 L = 0.25m A L = 1m B L = 2.25m C
时间 0s 动画已调整播放速度,时间读数仍为真实物理时间。
图示说明

动态物理图:三个秋千的周期;展示时间。

默认 g = 9.80665 m/s² 下,小角度周期约为 1.00 秒、2.01 秒、3.01 秒。此模型采用小角度近似,不是大角度单摆仿真。只把 pendulum B 1m 改成 pendulum B 0.25m,A 和 B 就应保持同步,C 不受影响。

增加第四个摆,只需新增它的声明和支架连接。animate duration=3s speed=0.5 让所有摆共同运行三秒,以半速观看。$release_angle 显式保持实验中三个初始角度相同,修改定义会同时改变三者;把某一个引用换成 5deg,就只改变那个摆的初始角度。共享支架或共享参数都不代表运动互相耦合。若只想看某一个摆的完整周期,把动画行换成 animate A speed=0.5。

可重复的创作检查

  1. 在 Studio 打开基准模型,只改指定的数值或连接。
  2. 导出前,把结果与表格或周期预测进行对照。
  3. 下载 .phys 源码,为每个状态使用不同文件名。SVG 和 PNG 保留所选外观,不是另一套物理模型。
  4. 在新标签页打开分享链接,确认恢复的是修改后的源码和结果。分享不依赖外部模板或库文件。

用已有 Classic、Modern、Sketch 主题切换表现。Subject 皮肤绘制熟悉的物体,元件皮肤保留电路符号和接线端;二者均不改变方程。即使从深色模式打印,图示也使用白色背景;请按实际使用尺寸检查导出结果。

相同元件用分组声明;跨声明重复使用的数值条件用 let 定义,并通过 $name 显式引用。物理含义不同的量即使数值相同,也应保持独立。这些任务不需要循环或宏,参数的作用域和校验见 DSL 基础。