# 光学探索室

根据本目录中老师提供的《AI辅助仿真的物理光学.doc》实现。原Word未作修改。

当前为 **Photon · 在线试用准备版**。15个实验全部独立显示，按“波动与界面、干涉与光谱、衍射与分辨、偏振与晶体、成像与调制”5个主题分类，不再将实验藏在12个板块里。默认明亮，可切换“深空 / 明亮”风格。首页支持关键词搜索、主题筛选、收藏和继续上次实验；28个演示快捷入口直接载入单束合成、倏逝能流、液晶光阀、弦驻波、宽角条纹等具体设置。实验室侧栏也可搜索，页面上方保留相关实验的切换按钮。目录与统计由同一份数据生成，后续新增实验无需维持固定数量。

已加入 **V10教师第四轮升级**：布儒斯特角的透射束内s/p比例、电场正负方向分开看、弦的非整数阶受迫振动、双图相加/相减、带通/十字方向/逆滤波/微分与液晶光阀六步演示。入口、模型边界和教学赛题建议见[本轮说明](项目文档/升级记录-V10-教师第四轮.md)。

## 开始使用

1. 双击 **启动光学探索室.bat**。
2. 浏览器会打开 `http://127.0.0.1:8765`。
3. 首页搜索或选择实验卡片；“从波的合成开始”会载入单束演示。收藏按钮可保存常用入口，“继续上次探索”恢复上次实验。
4. 进入实验后，左侧选择实验，右侧拖动参数，下方切换“物理模型 / 探究任务 / AI编程实验 / 实验记录”。左侧“返回资源首页”回到目录。

本机需安装Python 3.10或更高版本。主程序和15份Python示例只使用标准库，不需要安装额外Python包。推荐使用Chrome或Edge。

只看仿真时，也可以直接打开 `index.html` 资源首页、`lab.html` 实验室，或打开 `独立离线模块` 内任意一个HTML；离线页面的交互计算、图片上传、实验保存均可使用。完整目录直接打开首页即可使用，需保持同目录资源文件完整。**网页内执行Python需要使用启动脚本打开本机服务器页面。**

如果8765端口已被使用，在此目录运行：

```powershell
python server.py --port 8766 --open
```

## 已实现的实验

| 序号 | 实验 | 关键交互 |
| --- | --- | --- |
| 01 | 平面电磁波传播 | 波长、幅值、视角、截面；E/cB同相矢量和时间曲线 |
| 02 | 反射与折射 | Rs/Rp/T、入射角、折射率、布儒斯特角、全反射、倏逝能流、有限光束GH位移 |
| 03 | 波的叠加与驻波 | 同向双频、单束逐步演示、正交合电矢量、0/±90/180°轨迹、双振幅、驻波 |
| 04 | 傅里叶方波合成 | 奇次谐波项数、频谱、吉布斯过冲 |
| 05 | 杨氏双缝干涉 | 固定双缝，独立移动源与屏；0–50mm源宽和可见度衰减旁瓣；单路玻璃移纹；0–90°宽角二维观察 |
| 06 | 薄膜与多光束干涉 | Airy多光束、两反射率对照、反射/透射、FWHM/HWHM；牛顿环/楔形膜 |
| 07 | FP标准具与双谱线分辨 | 双波长圆环、波长差、反射率、标准具间距与分辨能力 |
| 08 | 迈克尔逊干涉与光谱 | 动镜扫描、光程差、干涉信号与光谱反演 |
| 09 | 单缝 / 矩形 / 多缝衍射 | 二维强度花样、线性剖面、相量、入射角、缺级 |
| 10 | 艾里斑与分辨率 | 两个非相干点、两波长、入射角、孔径、等波长瑞利比较 |
| 11 | 光栅衍射与色散 | 白光 / 单色光、带符号级次、刻线密度、入射角、级次重叠 |
| 12 | 偏振、波片与液晶光阀 | Jones强度、分子链与电子响应、TN光阀逐步工作原理 |
| 13 | 晶体双折射与波面 | 四类光轴、晶体o/e、波矢k与能流S、惠更斯作图 |
| 14 | 4f空间滤波 | 双图运算、二维FFT、低/高/带通、十字方向、复原与微分滤波、手绘遮挡 |
| 15 | 电光 / 声光效应 | 电压与偏置、声功率、声频、入射角失配、衍射效率与频移 |

独立离线文件与目录一一对应，共15份；每个文件仍能切换全部实验，并保留15份Python示例。旧分享网址、收藏、实验参数与记录继续按原实验ID读取。

## 课堂与课后

- **教师演示**：使用“全屏”，需要讲解某个瞬间时点“暂停”，用“前进一步”逐帧看矢量，或“从头演示”重看建立过程；“导出图片”保存当前画布。
- **波合成旋向**：正交模式第一束沿x、第二束沿y，相位差取 δ=φᵧ−φₓ=φ₂−φ₁。按王老师确认的教材约定，+90°为左旋，−90°为右旋；不等振幅时分别为左旋、右旋椭圆偏振。截面从+z端迎光看，x向右、y向上，本图分别呈顺时针、逆时针；0°、180°和单束线偏振无旋向。
- **快捷操作**：点击预设快速载入典型场景；数值可直接输入。非文字编辑状态按空格暂停/播放，顶部“低动态”只减少界面装饰动画，教学动画由暂停/播放控制。
- **视觉风格**：默认使用明亮模式；右上角“☾ 深空 / ☀ 明亮”一键切换，自动记住选择；实验画布、Python图表和导出图片也会切换，实验参数与暂停状态保留。
- **页面过渡**：首页进入实验、实验返回首页时，视角掠过当前页面，沿弧线转向前方的目标页面，再靠近并停稳；飞行约1.6–1.8秒，目标页面准备时间另计。飞行中按Escape可取消，恢复原页面焦点与播放；准备期间调参或切换主题会取消本次切换。开启系统减少动态效果或实验室“低动态”可跳过过渡。
- **调参回退**：参数区的“撤销调参 / 恢复调参”在每个实验内独立保留最近30步，一次拖动算一步，参数重置和预设也可撤销；刷新后清空历史。此功能不回滚笔记、自定义代码和4f手绘掩模。
- **游标测距**：有横轴曲线的视图中，点击画布上方“游标测距”，拖动 A / B 线或点击曲线区移动较近的游标；也可在下方输入两个位置后按回车。间距为横轴读数之差的绝对值，单位随坐标轴变化；多张曲线可在“测量曲线”中选择。再次点击按钮关闭，或点击“重置游标”恢复初始位置。方向键微调，Shift + 方向键加大步长。
- **测量含义**：双缝剖面测毫米间距，艾里斑剖面测微米间距，FP 径向剖面测角间距，薄膜多光束曲线测相位差（π）。手动将两游标对齐同一峰的两侧半高点，所得是半高全宽 FWHM；对称峰的半宽 HWHM 为其一半。工具不自动寻找峰值或半高点，鼠标定位精度受屏幕分辨率限制，可用精确输入进一步定位。
- **保存测量**：各实验独立保留游标位置，随自动保存和 JSON 存档恢复；导出图片包含游标和间距，开启测距时导出的实验报告包含 A / B 数值与单位。坐标范围改变时，越界游标会限制到新的范围内。分享参数链接不携带游标位置。
- **省电运行**：画布滚出屏幕后暂停计时和绘制，回到画布继续；阅读模型或编程时减少后台计算，不改变手动暂停状态。
- **参数互动**：“分享参数”复制当前实验网址及参数。接收者必须能访问网址；本机127.0.0.1地址只在本机有效。
- **4f实验**：在中央频谱上按住拖动遮挡；Shift+拖动擦除；触屏使用“清除手绘遮挡”重置。图片自动缩放到128×128。
- **4f代码核验**：也可选择“擦除画笔”。未手动编辑的Python示例包含当前图片与掩模，并在参数或笔迹更新后同步；手工编辑后可点击“恢复示例”重新同步。
- **AI辅助编程**：复制模块提示词给自己的AI工具，将代码粘贴到编辑器后运行。未修改的示例会随参数更新；手动修改代码后保留编辑内容，点“恢复示例”才按新参数重新生成。
- **实验作业**：填写猜想、证据和解释，导出Markdown实验报告；“保存实验”生成包含全部实验参数、笔记、代码与4f图片/掩模的JSON文件。
- **交换复现**：同学打开同一项目，导入JSON即可复现。分享网址仅含当前参数，不包含上传图片、手绘掩模、笔记或代码；完整复现请发送JSON。

AI工具不内置账号或API密钥；无需AI账号也能使用全部仿真和现成的Python示例。

## 局域网与课程平台

在线试用版由 `python tools/build-online.py` 生成到 `在线试用/`，同时产生 `光学探索室-在线部署包.zip`，可上传静态托管服务。临时公网网址的运行说明见[在线试用说明](项目文档/在线试用说明.md)。学生直接打开网址进行交互，图片和实验记录保存在自己的浏览器，仍可导出JSON交换；在线版的Python示例可下载到本机运行。

同一教室网络中，教师可手动启动：

```powershell
python server.py --lan --port 8765
```

学生访问 `http://教师电脑的局域网IP:8765`；设备须在可互通的网络，服务器端口须可访问。程序不会自动更改防火墙或公开互联网端口。

局域网页面支持交互仿真、编辑代码、保存/导入作业。**当前Python执行器是本机开发功能，远程学生不能在教师电脑上执行Python。** 学生可在自己的电脑启动完整项目运行，或下载代码在自己的Python环境运行。

学校课程平台可直接分发独立HTML、ZIP资源包、Python源码和教学手册。当前交付不包含云端账号系统、多人作业数据库、内置AI服务或隔离的多人Python执行服务；公开部署这些服务还需要学校提供服务器、身份认证和执行隔离环境。

## 文件结构

完整目录与维护说明见[目录说明](项目文档/目录说明.md)。

| 文件 / 目录 | 用途 |
| --- | --- |
| `index.html`、`portal.css`、`portal.js` | 教学资源首页、搜索、收藏与轻量偏振预览 |
| `lab.html`、`styles.css` | 交互实验室与样式；原来的实验分享链接仍可使用 |
| `navigation.css`、`navigation.js` | 首页与实验室之间的页面飞行、入口预取与降级处理 |
| `physics.js`、`physics-v3.js`、`physics-v6.js` | 菲涅尔、衍射、Jones、惠更斯构造、贝塞尔函数、FFT数值内核 |
| `modules.js`、`modules-v3.js`、`modules-v6.js` | 参数、公式、模型条件、45个探究任务、AI提示词 |
| `renderers.js`、`renderers-v3.js`、`renderers-classroom.js`、`renderers-v6.js` | 15个实验的Canvas动态可视化 |
| `catalog.js` | 首页、侧栏、分类与快捷入口共用的实验目录 |
| `classroom.js`、`classroom-ui.js`、`classroom.css` | 独立实验组织、相关实验、课堂提示、调参历史布局 |
| `app.js` | 参数交互、导入导出、编辑器、存档和报告 |
| `python-examples.js`、`python-examples-v3.js`、`Python示例/` | 动态示例模板和15份独立Python代码 |
| `server.py` | 本机教学服务器与Python执行接口 |
| `独立离线模块/` | 15个无外部资源依赖的实验HTML，包含在完整教学资源包中 |
| `教学材料/` | 教师手册、评价量规、数据表、论文写作框架 |
| `参考素材/` | 本地参考视频，仅完整工作区包含，不参与分发包 |
| `tests/`、`验收结果/` | 数值检查、浏览器检查及验收结果；本轮截图与验证见`验收结果/当前版本/` |
| `tools/build-resources.cjs` | 源码更新后重新生成离线HTML和Python示例 |

## 验证与模型边界

已检查能量守恒、布儒斯特角、全反射、双缝轴上光强、多缝缺级、薄膜半波损失、艾里斑首零点、马吕斯定律、圆偏振以及FFT正逆变换。浏览器检查覆盖全部模块、参数边界、15份Python示例、图片上传、频谱绘制、实验保存恢复与手机布局。

各模块“物理模型”页明确列出近似条件。图中慢放、示意光路、归一化显示、离散采样和有限扫描窗口均不等同于全波电磁求解；光栅色彩显示不作为真实效率计算。

教师文档中的90%/70%能力目标、真实学生作业和教改论文属于后续教学实施成果。已提供数据采集、评价与论文框架，未填入虚构教学数据，也未宣称这些成效已达成。

开发验证命令（Node用于数值检查，Playwright仅用于浏览器测试）：

```powershell
node tests/numerical.cjs
node tests/teacher_physics.cjs
node tests/round2_physics.cjs
python tests/browser_smoke.py
python tests/teacher_browser.py
python tests/interactive_v7.py
node tools/build-resources.cjs
```

浏览器检查需另开服务器并安装Playwright；普通教学使用不需要这些开发工具。