物理实验猿 发布的文章

做物理实验最痛苦的是什么?不是搭仪器,不是调光路,而是回到宿舍面对一堆数据时,那种"算不确定度算到怀疑人生"的感觉。

我自己教物理实验这么多年,太理解这种痛苦了。每次实验报告交上来,数据处理部分总是五花八门——有人手算逐差法算错小数点,有人用Excel拉公式拉到崩溃,还有人干脆"编"了一组看起来很像样的数据。

所以我做了一个东西:大学物理实验数据处理工具集,在线直接用,不用装软件,不用写代码,手机也能打开。

地址在这里:https://aphysics.cn/calculate/

目前能做什么

目前已经上线了 22 个计算页面,覆盖了我们学校大物实验的主要项目,分三类来说:

通用工具——不管哪个实验都可能用到:

  • 偏差计算:输入数据自动求平均值、标准偏差、A/B类不确定度
  • 坐标作图:输入数据直接画散点图,支持导出
  • 逐差法:大学物理实验的经典方法,手动算太容易出错
  • 不确定度计算:通用型,输入直接出结果
  • 理论声速:根据温度算声速,其他实验有时也要查

专项实验数据处理——针对具体实验定制:

  • 长度测量(含肖维纳判据剔除异常值)
  • 等倾干涉 / 等厚干涉(迈克尔逊干涉仪、牛顿环等)
  • 单臂电桥测热敏电阻
  • 声速测量
  • 复摆测重力加速度
  • 液体表面张力系数
  • 光电效应(普朗克常量)
  • 亥姆霍兹线圈磁场
  • 密立根油滴
  • 钨的逸出功
  • 多普勒效应(含线性拟合+自动画图)
  • 杨氏模量
  • 波尔共振
  • 巨磁电阻
  • 光磁共振
  • 塞曼效应

每个页面都是针对实验的实际计算公式做的,不是简单的通用计算器。比如密立根油滴那个,空气粘滞系数、修正常数、板间距这些参数都内置好了,你只需要输入电压和下落时间就行。

怎么用

很简单——打开网页,选对应的实验,填数据,点计算,结果就出来了。

支持手机和电脑,数据直接复制粘贴到实验报告里。部分页面(比如多普勒效应)还能自动画拟合直线,省得你拿坐标纸手描。

有些页面我加了密码验证——不是不想让大家用,是防止直接丢进去算答案、不动手理解过程。密码每天会变,上课的时候我会告诉学生。

后续计划

22 个只是开始。后面我还会陆续增加更多实验的数据处理工具,比如:

  • 更多光学实验(法布里-珀罗干涉等)
  • 近代物理实验相关计算
  • 一些数据处理方法的扩展(比如更复杂的拟合、误差传递分析)

如果你有需要的实验项目,或者发现哪个计算有bug,欢迎在 留言板 提出来,也可以去B站 @物理实验猿 私信我。

这个工具集会持续更新,目标很简单:让大家把时间花在理解物理上,而不是花在按计算器上。

写在前面

作为一名高校物理实验教师,我一直在寻找一个轻量、好用的在线考试工具。市面上的系统要么太重,部署复杂;要么功能单一,无法满足实际教学需求。于是,我决定自己动手做一个。

经过一段时间的开发和迭代,这个在线考试系统已经基本成型,今天就来介绍一下它的主要功能和一些设计上的思考。

系统地址:https://aphysics.cn/exam/
教师测试账号不再提供
学生测试账号20261234密码123456


系统概览

这是一个基于 PHP + MySQL 的在线考试系统,前端采用单页应用(SPA)架构,整体风格是深色主题,支持响应式布局。系统分为三个角色:管理员、教师和学生,各自有不同的功能权限。


核心功能

1. 用户与权限管理

系统支持三级权限体系:

  • 管理员:负责创建和管理所有用户账号(包括教师和学生),可以分配班级、设置角色。
  • 教师:可以创建试卷、发布考试、批改作业、查看统计数据。
  • 学生:参加考试、查看成绩、查看错题汇总。

学生忘记密码时,只能由管理员手动重置——这是一个刻意的设计,避免学生随意修改密码导致账号混乱。

2. 试卷与题目管理

教师可以创建试卷,支持三种题型:

  • 选择题:支持多个选项(A/B/C/D...)
  • 填空题:学生输入答案
  • 判断题:对/错二选一

题目支持批量导入,教师可以快速录入大量题目。试卷可以设置目标班级,只允许特定班级的学生参加。

3. 在线考试

学生登录后,可以看到分配给自己的试卷列表,点击进入考试界面。考试界面简洁清晰,每道题都有题号标识,方便学生导航。

提交后系统自动批改(客观题),学生可以立即看到成绩和详细解析。

4. 防作弊机制

这是我在设计时重点考虑的功能。系统支持两个可选的防作弊选项:

  • 题目顺序随机化:每个学生的题目顺序不同
  • 选项打乱:选择题的选项顺序随机打乱

这两个选项教师可以在发布试卷时自由开关。关键的是,随机化只在前端进行,后端存储和统计的数据格式保持不变,这样就不会影响错题统计等功能的准确性。

5. 试卷克隆

教师经常需要出多套难度相近的试卷。为了简化这个流程,我加入了试卷克隆功能。教师可以一键克隆现有试卷(包括所有题目),然后在此基础上微调,快速生成新卷。

6. 学生记录与数据分析

这是学生端的一个亮点功能——"我的记录"页面:

  • 成绩趋势图:用 Canvas 绘制折线图,展示学生历次考试的得分率变化,直观反映学习进步情况。
  • 错题汇总:自动收集学生所有做错的题目,按时间排序,方便复习和查漏补缺。

这个功能的设计初衷是让学生不只是"考完就忘",而是能看到自己的成长轨迹,知道哪些知识点还需要加强。

7. 教师统计与错题分析

教师端有专门的统计页面,可以查看每道题的正确率、常见错误选项等,帮助教师了解学生的薄弱环节,调整教学重点。


技术栈与架构

  • 后端:PHP + MySQL,轻量易部署
  • 前端:原生 JavaScript 单页应用,无框架依赖
  • 样式:自定义深色主题,CSS 变量管理
  • 图表:Canvas 原生绘制,无第三方库

整个系统的代码量不大,核心逻辑都在一个 index.html 文件里,后端 API 分散在多个 PHP 文件中。这种架构虽然简单,但对于中小型考试系统来说已经足够。


一些设计思考

为什么选择单页应用?

最初也考虑过传统多页面架构,但考虑到考试系统的交互性较强(比如答题过程中的状态管理),单页应用的体验会更流畅。而且部署简单,不需要复杂的前端构建流程。

为什么随机化只在前端?

如果随机化在后端进行,每个学生的题目 ID 会不同,这会给错题统计、成绩分析带来很大麻烦。前端随机化后,学生提交的答案仍然映射到原始题目 ID,后端无需做任何特殊处理。

为什么学生不能重置密码?

这是一个权衡。虽然学生自助重置密码更方便,但在实际教学场景中,学生账号往往由教师统一管理,学生随意修改密码反而会导致教师无法登录学生账号进行调试或补考。所以保留了这个"不便"的设计。


未来计划

目前系统已经可以满足基本的在线考试需求,但还有一些功能想加入:

  • 主观题批改:支持教师手动批改填空题和简答题
  • 考试监控:实时监控学生答题进度,防止切屏作弊
  • 移动端适配:进一步优化手机端的考试体验
  • 数据导出:支持导出成绩为 Excel,方便教师存档

最后

这个考试系统是我在教学工作中"用脚投票"的产物。它可能不如商业产品那样功能丰富,但它贴合我的实际需求,部署简单,维护方便。

如果你也在寻找一个轻量级的在线考试解决方案,或者对物理实验教学感兴趣,欢迎交流。


如果你对这个项目感兴趣,可以关注我的后续更新。

每次看到学生在物理课上只能对着课本想象实验现象,或者在实验室里手忙脚乱地赶时间、记数据,却没来得及真正"看见"物理规律发生的那一刻,我都会觉得可惜。

物理从来不是一门背公式的学科。它最迷人的地方在于——世界运行的规律,是可以被观察、被触摸、被亲手验证的。可现实是:实验设备昂贵、课时紧张、有些现象稍纵即逝,还有些实验压根碰不到(总不能为了讲光电效应,给每个学生发一台精密仪器)。于是那份"亲手验证"的乐趣,就一点点被磨掉了。

所以我做了 aphysics.cn,全名"AI 物理实验"。

名字里的那个 A,是 All,也是 Alpha——我想做一个把物理实验搬进浏览器的地方,让任何人、在任何时间、打开网页就能动手做实验。首页写着一句"A is all...",大概就是我私心的一点执念:物理,本该包含一切。

一、虚拟仿真实验室:把大学物理实验原样搬上网

这是我最早想做、也投入最多心血的一块。里面是基于真实实验流程的虚拟仿真,不是简单的动画演示,而是可以一步步操作、读数、处理数据的"准实验"。

目前上线了 12 个,覆盖力学、热学、电磁学、声学、近代物理:

  • 长度测量 —— 游标卡尺、螺旋测微器的读数原理与精度控制
  • 杨氏弹性模量 —— 拉伸法 + 光杠杆法测微小长度变化
  • 示波器的使用 —— 观察波形,测量电压、频率、相位差
  • 光电效应 —— 改变频率和强度,验证爱因斯坦方程,测普朗克常数
  • 复摆的研究 —— 测重力加速度,分析转动惯量与摆长关系
  • 亥姆霍兹线圈 —— 研究均匀磁场,验证磁场叠加
  • 多普勒效应 —— 测频率变化与声源速度的关系
  • 密立根油滴 —— 测电子电荷量,验证电荷量子化
  • 波尔共振 —— 受迫振动的幅频相频特性
  • 钨的逸出功 —— 理查森直线法测热电子发射规律
  • 液体表面张力 —— 拉脱法,研究温度浓度的影响
  • 扭摆法测转动惯量 —— 验证平行轴定理

每个实验都配了 B 站的说明视频。我始终觉得,仿真不是为了替代真实实验,而是让你在走进实验室之前,已经心里有数;在走出实验室之后,还能反复回看。

二、交互式物理动画:调一调参数,物理就"活"了

如果说虚拟仿真是"做实验",那这部分就是"玩物理"。数量最多,目前有 80 多个,从初中的米尺读数,一直覆盖到大学的康普顿散射、量子隧穿。

我最喜欢它的地方在于——每一个参数都能拖。

  • 想看抛体运动怎么随初速度和抛射角变化?拖一下,轨迹、速度矢量、射程实时刷新。
  • 想理解双缝干涉条纹间距跟波长、缝距的关系?调完立刻看到屏幕上的明暗变化。
  • 想体会科里奥利力为什么让旋转系里的物体偏转?让小球跑一圈就懂了。
  • 想看迈克尔逊干涉仪动镜移动时条纹的"吞吐"?推一下反射镜就行。

按领域分,大致是:

  • 力学:抛体、单摆、碰撞、弹簧振子、圆周运动、斜面摩擦、滑轮组、受迫振动、科里奥利力、陀螺进动……以及一组中学测量工具(米尺、秒表、天平、量筒)。
  • 电磁学:电场线、库仑定律、三维电场、导线磁场、RC 电路、电磁感应、平行板电容器、安培力、变压器、洛伦兹力……
  • 波动与声学:机械波、驻波、波的干涉、多普勒效应、拍频、李萨如图形、空气柱共振、马赫锥、惠更斯原理……
  • 光学:单缝衍射、双缝干涉、光栅衍射、折射、透镜成像、薄膜干涉、牛顿环、偏振与马吕斯定律、棱镜色散、迈克尔逊干涉仪,还有三原色混合、近视远视矫正、伽利略/开普勒望远镜——这部分对中学光学教学特别友好。
  • 热学:温度计使用、物态变化、布朗运动、热膨胀、理想气体、卡诺循环、热传导、麦克斯韦速率分布、黑体辐射……
  • 近代物理:光电效应、玻尔模型、放射性衰变、波粒二象性、康普顿散射、德布罗意物质波、质能方程、量子隧穿、原子能级与光谱、弗兰克-赫兹实验。

我一直相信一句话:物理学不会,多半是因为没"看见"过。 当一个学生亲手把驱动频率调到共振点,看见振幅突然飙升的那一下,他对"共振"两个字的理解,就和背公式时完全不同了。

三、物理小课堂:给更小的孩子,埋一颗种子

这块面向小学和初一的孩子,是人教版物理八年级上册的先修课,一共 9 节:

  1. 长度和时间的测量
  2. 运动与速度
  3. 声现象
  4. 温度与物态变化
  5. 光的直线传播和反射
  6. 光的折射与色散
  7. 透镜与凸透镜成像规律
  8. 眼睛、眼镜与望远镜
  9. 质量与密度的测量

我不希望物理给孩子的第一印象是"难"。所以小课堂的思路是:以实验和科技制作为载体,在动手实践里认识物理。纸杯电话体验固体传声、自制简易温度计、小孔成像、做一架简易望远镜……这些"玩具"背后,藏着的其实是最朴素的物理直觉。

早一点接触,早一点不怕。这是我做小课堂的全部理由。

四、还有一些角落

  • 实验视频:精选的大学物理实验操作视频,预习复习都能用。
  • 下载专区:实验报告模板、数据处理工具、物理常数表。
  • 学生作品:展示同学们的实验成果、创新设计——我觉得这个板块特别重要,学习是需要被"看见"的。
  • 留言板:欢迎吐槽、建议、交流。

五、我在坚持什么

做这个网站的过程里,我反复给自己定了几条规矩:

第一,能交互,就不只看。 静态图和动画的区别,就像"看别人骑车"和"自己骑"的区别。我尽量让每个页面都有能拖、能调、能玩的地方。

第二,参数要真。 抛体就是重力场里的抛物线,光电效应就是真的会算出普朗克常数。物理是诚实的,仿真也得诚实。

第三,免费、开放、不打扰。 打开网页就能用,不用注册,不用下载 App,没有弹窗广告。我希望它像一本随时能翻开的书。

第四,照顾到不同的人。 从小学的孩子,到大学做近代物理实验的学生,我希望每个人都能在这里找到适合自己的那一层。

六、还在路上

有两个板块我还没做完,老实交代一下:

  • 物理与英语(规划中):想做一个英语学习系统,学生在线背单词、练物理专业词汇,老师能在后台看进度。还在想怎么做更好。
  • 数据处理工具(修正中):面向大学物理实验的自动数据处理——偏差计算、不确定度分析、逐差法、作图。让它替学生处理那些枯燥的运算,好把精力放回实验本身。

网站会一直更新下去。下一个实验、下一个动画,我慢慢做,你们慢慢玩。

写在最后

做 aphysics.cn 这件事,没什么宏大的叙事。最初不过是觉得"物理这么好玩的东西,不该被设备和课时困住",于是动手写了起来。写到现在,它已经长成了一个我自己也会经常打开的地方。

如果你是学生,希望它能帮你多"看见"一点物理;如果你是老师,希望它能给你的课堂多一个趁手的工具;如果你只是个路过的好奇的人,那就随便点点——能在一个网页里调出彩虹、看见干涉条纹、让陀螺进动起来,这件事本身就挺浪漫的。

欢迎来 aphysics.cn 逛逛,也欢迎在留言板留下你的想法。

物理之美,值得被更多人看见。

—— aphysics.cn 站长