Physics Sandbox Universe · 物理沙盒宇宙

纯 HTML / CSS / JavaScript 物理实验交互平台 — 零构建工具、零依赖、即开即用

51 个交互式物理实验 · 37 位科学家 · 6 大物理分类 · 17 个学科 · 5 套主题皮肤

项目概览

本项目是一个完全运行在前端浏览器的物理教学与探索平台。每个实验均为独立的单页 HTML 文件，通过 shared-theme.js / shared-theme.css 共享主题系统与导航。无需安装任何构建工具，用浏览器直接打开 index.html 即可使用。

核心特性

• 零依赖 — 除 Three.js（部分 3D 实验通过 CDN 加载）外，不依赖任何框架或库
• 五套主题 — 学术 (academic) · 液态玻璃 (glass) · 卡通 (cartoon) · 赛博朋克 (cyber) · 苏维埃 (soviet)，通过 localStorage 持久化、跨页面同步
• 知识体系 — 每个实验关联物理分类、学科分支与科学家，形成完整的知识图谱
• 教学辅助 — 内置知识图谱、知识追踪（关系网络）、教师备课三大教学页面

页面结构

physics-sandbox-v2/
├── index.html              # 首页（气泡导航）
├── knowledge-graph.html    # 知识图谱（D3.js 力导向图）
├── taxonomy.html           # 知识追踪（关系网络与详情面板）
├── teacher-prep.html       # 教师备课（教案与科学家档案）
├── physics-building.html   # 物理大厦
├── demo-intro.html         # 演示介绍
├── shared-theme.css        # 共享主题样式
├── shared-theme.js         # 共享主题引擎（导航栏 + 主题切换）
├── shared-music.js         # 背景音乐模块
├── exp-*.html              # 51 个实验子页面
├── lib/                    # Three.js 本地副本（部分实验使用）
│   ├── three.module.js
│   └── OrbitControls.js
├── music/                  # 背景音乐文件
│   ├── Midnight_Ink.mp3
│   └── rain_on_the_glass.mp3
└── physics-vault/          # 物理知识库（Markdown 笔记）
    └── 00-初高中物理基础/   # 100+ 知识点与科学家笔记

实验列表

经典物理

经典力学

实验	文件	说明
弹簧振子	exp-spring.html	简谐振动与阻尼振荡
刚体沙盒	exp-matter.html	刚体碰撞与链式反应模拟
悬臂梁分析	exp-cantilever.html	悬臂梁受力与变形分析
齿轮与自行车	exp-bicycle.html	齿轮传动比与自行车速度动力学
克莱因瓶	exp-klein-bottle.html	克莱因瓶三维参数化可视化
牛顿摆	exp-newton-cradle.html	动量守恒与能量守恒 · 完全弹性碰撞
多缸内燃机	exp-engine.html	奥托循环热力学分析 · P-V图与四冲程
抛体运动	exp-projectile.html	斜抛运动轨迹 · 速度分解与射程计算
斜面滑块	exp-incline.html	斜面受力分析 · 摩擦力与临界角
弹性碰撞	exp-elastic-collision.html	动量守恒与能量守恒 · 恢复系数
自由物理画布	exp-physics-canvas.html	自由创建物理场景 · 碰撞与重力沙盒

流体力学

实验	文件	说明
泰勒-库埃特流	exp-taylor.html	旋转圆柱间的流体不稳定性
伯努利原理	exp-bernoulli.html	流体速度与压强关系
浮力	exp-buoyancy.html	阿基米德原理 · 浮力与排开体积 · 3D水槽交互 (Three.js Water+Sky)

电磁学

实验	文件	说明
特斯拉线圈	exp-tesla.html	高频共振变压器原理
磁场与铁粉	exp-magnetic.html	磁偶极子模型与铁粉分布可视化
磁场圆周运动	exp-magnetic-circle.html	洛伦兹力与回旋运动 · 回旋半径与周期
电场偏转	exp-electric-deflection.html	带电粒子在匀强电场中的类平抛运动

波动光学与声学

实验	文件	说明
波的干涉	exp-wave.html	波的叠加与干涉图样
克拉尼图形	exp-chladni.html	薄板上的驻波振动模式
多普勒效应	exp-doppler.html	波源运动致频率偏移 · 激波与马赫锥
利萨茹曲线	exp-lissajous.html	两个正交简谐振动的合成轨迹

量子物理

实验	文件	说明
双缝干涉	exp-quantum.html	电子双缝干涉实验模拟
一维势阱	exp-potential.html	量子粒子在势阱中的行为

相对论与宇宙学

广义相对论

实验	文件	说明
黑洞吸积盘	exp-blackhole.html	黑洞周围物质吸积过程
黑洞吸积盘（高级）	exp-blackhole-advanced.html	高级黑洞吸积盘模拟
爱因斯坦-罗森桥	exp-wormhole.html	虫洞时空结构可视化

天体物理

实验	文件	说明
地动说·太阳系	exp-solar.html	日心说与地心说可视化 · 三参照系切换
太阳系沙盘	exp-solar-system.html	行星轨道与深空探测器 · 太阳系全景
地球卫星	exp-earth-satellite.html	Cesium 3D地球 · 实时卫星轨道追踪 · 开普勒轨道力学 · 13颗在轨卫星
引力波探测	exp-gravitational-wave.html	双黑洞合并与引力波生成探测
忒伊亚撞击	exp-theia-impact.html	SPH光滑粒子流体动力学模拟地月形成

引力

实验	文件	说明
万有引力	exp-gravity.html	N体引力系统 · 3D三体问题

统计与混沌

混沌理论

实验	文件	说明
混沌双摆	exp-pendulum.html	双摆系统的混沌动力学 · 蝴蝶效应
洛伦兹吸引子	exp-lorenz.html	三维混沌吸引子轨迹
分形几何	exp-fractal.html	L-System分形生成与连续折叠插值
卡拉比-丘流形	exp-calabi-yau.html	弦理论额外维度紧致化流形可视化

概率统计

实验	文件	说明
高尔顿钉板	exp-galton.html	中心极限定理的可视化演示
名医的诞生	exp-medical.html	医疗诊断中的概率模型
成功随机性	exp-pluchino.html	才能与运气关系的随机模型 (Pluchino模型)
布朗运动	exp-brownian.html	随机游走与扩散现象

相变与临界

实验	文件	说明
伊辛模型	exp-ising.html	铁磁相变的格点模型

计算物理

多体系统

实验	文件	说明
3D元胞自动机	exp-ca3d.html	三维细胞自动机演化
社会力模型	exp-social-force.html	基于社会力模型的行人流仿真

三维视觉

实验	文件	说明
点云探索	exp-pointcloud.html	三维点云数据交互可视化

地球科学

实验	文件	说明
地球物理	exp-geophysics.html	3D可旋转地球 · 内部结构 · 地震波 · 地磁场 · 板块构造 (Three.js)

初中光学

实验	文件	说明
初中光学	exp-optics.html	光的反射定律 · 平面镜成像特点 · 凸透镜成像规律
光的折射	exp-refraction.html	斯涅尔定律 · 全反射 · 菲涅尔反射率
透镜成像	exp-lens.html	薄透镜方程 · 三条特殊光线 · 实像与虚像
双缝干涉	exp-interference.html	杨氏双缝实验 · 波粒二象性 · 波动+粒子双表达
检流计	exp-galvanometer.html	双镜光束控制 · 反射定律 · PID闭环

科学家列表（37 位）

科学家	关联实验	主要贡献
牛顿	弹簧振子, 万有引力, 刚体沙盒, 地动说, 牛顿摆, 抛体运动, 弹性碰撞, 自由物理画布	经典力学奠基人 · 万有引力定律
爱因斯坦	黑洞吸积盘, 黑洞吸积盘(高级), 爱因斯坦-罗森桥, 引力波探测	相对论创立者 · 质能方程
薛定谔	双缝干涉, 一维势阱	量子力学波动方程提出者
洛伦兹	洛伦兹吸引子, 混沌双摆	混沌理论先驱 · 蝴蝶效应
曼德博	分形几何	分形几何学之父 · 自相似理论
伯努利	伯努利原理, 泰勒-库埃特流	流体力学奠基人 · 伯努利方程
阿基米德	浮力	浮力定律(阿基米德原理)发现者 · 杠杆原理
克拉尼	克拉尼图形	声学振动模式可视化先驱
特斯拉	特斯拉线圈	交流电与高频电力先驱
法拉第	磁场与铁粉	电磁感应之父 · 磁力线提出者
高尔顿	高尔顿钉板	统计学与回归分析先驱
布朗	布朗运动	布朗运动发现者
伊辛	伊辛模型	相变统计模型提出者
克莱因	克莱因瓶	拓扑学与几何学大师
欧拉	悬臂梁分析, 齿轮与自行车	微积分与梁理论奠基人
Helbing	社会力模型	社会力模型提出者
Canup	忒伊亚撞击	大撞击假说数值模拟先驱
利萨如	利萨茹曲线	利萨茹曲线发现者 · 声学振动可视化
Pluchino	成功随机性	随机才能模型提出者 · 运气与成功
伽利略	地动说, 刚体沙盒, 弹簧振子, 抛体运动, 斜面滑块	现代天文学之父 · 望远镜观测与运动学
开普勒	地动说, 万有引力, 地球卫星	行星运动三定律提出者
哥白尼	地动说	日心说创立者 · 现代天文学奠基人
冯·诺依曼	3D元胞自动机	元胞自动机创始人 · 计算机科学先驱
Conway	3D元胞自动机	生命游戏发明者 · 元胞自动机先驱
Sutherland	点云探索	计算机图形学之父 · 三维交互先驱
卡拉比	卡拉比-丘流形	微分几何学家 · 卡拉比猜想提出者
丘成桐	卡拉比-丘流形	菲尔兹奖得主 · 证明卡拉比猜想
多普勒	多普勒效应	多普勒效应提出者 · 波源运动与频率变化
洛伦兹(力)	磁场圆周运动	洛伦兹力提出者 · 电磁理论与电子论
库仑	电场偏转	库仑定律提出者 · 电荷间相互作用
惠更斯	弹性碰撞, 双缝干涉	碰撞定律与摆钟 · 光的波动说
莫霍洛维奇	地球物理	地壳-地幔界面(莫霍面)发现者 · 地震学先驱
古登堡	地球物理	地核-地幔界面(古登堡面)发现者 · 地震学家
莱曼	地球物理	地球固体内核发现者 · 女性地震学先驱
魏格纳	地球物理	大陆漂移学说提出者 · 板块构造理论奠基人
斯涅尔	初中光学, 光的折射	光的折射定律(斯涅尔定律)提出者 · 几何光学奠基人
托马斯·杨	双缝干涉	杨氏双缝实验提出者 · 光的波动说奠基人

主题系统

五套主题通过 CSS 变量实现，由 shared-theme.js 统一管理：

主题	标识	风格描述
学术	academic	简洁白底 · 适合课堂演示
液态玻璃	glass	暗色毛玻璃 · 现代质感
卡通	cartoon	暖色圆角 · 活泼亲和
赛博朋克	cyber	霓虹发光 · 深空黑底
苏维埃	soviet	红色硬核 · 复古工业

主题状态通过 localStorage (key: psu-theme-v1) 持久化，在页面间自动同步。

本地运行

# 方式一：Python 内置服务器
cd physics-sandbox-v2
python -m http.server 8000

# 方式二：Node.js
npx serve .

# 方式三：直接打开
# 用浏览器直接打开 index.html

访问 http://localhost:8000 即可。

技术栈

• 渲染：原生 Canvas 2D API · Three.js (WebGL) · D3.js (知识图谱)
• 样式：CSS 变量 + 主题覆盖 · 零 CSS 框架
• 交互：原生 DOM 事件 · requestAnimationFrame 动画循环
• 3D 实验：Three.js (通过 importmap 从 CDN 加载或本地 lib/ 目录)
• 部署：GitHub Pages 静态托管

知识库

physics-vault/ 目录包含 100+ 篇 Markdown 物理笔记，覆盖初高中物理基础知识点与科学家传记，按主题分类组织。

分支策略

仅使用 main 分支进行开发与部署。

License

MIT