Files

T

Maxim Dolgolyov 8f1fba25f9 docs(plans): мощный план Физики 9 — 19 флагман-интерактивов и симуляторов

2026-05-30 09:59:59 +03:00

23 KiB

Raw Permalink Blame History

План: мощные интерактивы и симуляторы для Физики 9

Дата: 2026-05-30 Контекст: третий план, дополняет PLAN_PHYSICS_9_VISUAL.md (фазы 1-3 сделаны) и PLAN_PHYSICS_9_PER_PARAGRAPH.md (Wave A-G сделаны). Цель: добавить флагманские интерактивы — крупные симуляторы / мини-игры / физические песочницы. По 1-3 на главу. Каждый = «вау-эффект», который запомнится школьнику.

Принцип «флагмана»

Не очередной slider+калькулятор, а:

Полноэкранный интерактив (~ 600×500 px)
Анимация в реальном времени (requestAnimationFrame)
Управление мышкой / клавиатурой (drag, click, keyboard)
Real-time графики связанные с симуляцией
Сохранение результатов в localStorage (рекорды)
Геймификация — score, баллы, медали

⭐ Глава 1 · Кинематика — 4 флагмана

F1. Конструктор траектории

§5 (путь vs перемещение)

Пользователь рисует мышкой на canvas произвольную кривую.
Программа автоматически считает:
- Путь s — длина кривой (через сумму отрезков)
- Перемещение |\Delta\vec r| — расстояние start→end
- Отношение s/|\Delta\vec r|
Кнопка «Закрыть петлю» — соединяет конец с началом, \Delta r = 0.
Шаблоны: прямая, дуга 180°, полная окружность, зигзаг.
Wow: видно, что s \ge |\Delta\vec r|, всегда.
~400 LOC

F2. Гонка двух тел

§9 (встреча двух тел)

Симуляция гонки: два автомобиля с разными v_0, a на одной трассе.
Пользователь меняет параметры до старта, нажимает «Старт».
Анимация: автомобили едут по трассе.
Real-time графики x_1(t) и x_2(t) строятся слева от трассы.
Момент встречи — подсвечен пересечением графиков + звуковой сигнал.
Кнопка «Случайный сценарий» для тренировки.
Wow: одновременно видна симуляция и математическая зависимость.
~500 LOC

F3. Тахометр + спидометр + одометр

§11-13 (равноуск. движение)

Виртуальный автомобиль с 3 связанными приборами:
- Тахометр (показывает a)
- Спидометр (показывает v)
- Одометр (показывает \Delta x за время)
Управление: педаль газа (slider a) и педаль тормоза.
Реалистичная динамика: при отпускании газа — медленное торможение (трение). При тормозе — резкое.
Графики v(t) и a(t) записываются.
Цель: разогнаться до 60 км/ч и затормозить за ~50 м (как в реальных тестах).
Wow: игра в автогонщика + интуитивное понимание кинематики.
~600 LOC

F4. Орбитальный конструктор

§16-18 (Кеплер, окружность)

Симулятор «запусти спутник»: Земля в центре, мышью тянешь стрелку \vec v начальной скорости и отпускаешь.
Спутник летит по орбите согласно Ньютону+Кеплеру.
Цвет траектории: круг (идеал) / эллипс / парабола / убегание.
Подписи: T, a, эксцентриситет.
Слайдер «масса Земли» — меняет тяготение.
Wow: видишь, что нужна определённая скорость для круговой орбиты.
~600 LOC

⭐ Глава 2 · Динамика — 4 флагмана

F5. Машина Атвуда

§19-22 (динамика связанных тел)

Виртуальная установка: две массы m_1, m_2 через блок на нити.
Slider'ы: m_1, m_2, \mu (трение в блоке).
Запуск: бо́льшая масса опускается, меньшая поднимается.
Реальная физика: a = (m_1 - m_2)g/(m_1+m_2).
Подсветка сил: \vec T натяжение, \vec g вес.
График v(t) — линейный (равноуск).
Wow: классический школьный опыт в виртуале.
~500 LOC

F6. Симулятор скоростной дороги

§20 (трение), §22 (F=ma)

2D-вид: автомобиль на дороге с разным покрытием (асфальт сухой/мокрый, лёд, гравий).
Slider \mu автоматически по покрытию.
Включаем тормоз: автомобиль скользит на расстояние s = v^2 / (2 \mu g).
При большом v + малом \mu — занос.
Wow: видно, насколько лёд опасен — путь торможения растёт в 5 раз.
~400 LOC

F7. Лифт с динамометром

§24 (вес, перегрузка, невесомость)

Лифт в высоком здании. На полу динамометр с грузом 1 кг.
Кнопки: «Этаж 1», «Этаж 10», «Аварийный спуск».
При движении видно показания динамометра и анимацию.
Параметры: a_{разгон}, v_{макс} настраиваются.
График P(t) записывается.
Особый режим: «свободное падение» → невесомость, груз висит.
Wow: наглядное переживание перегрузки.
~500 LOC

F8. Полигон трения

§20

Шарик скатывается с пружинной катапульты по плоскости с разными зонами (\mu меняется через каждые 30 см).
Пользователь рисует профиль зон (drag&drop материалов: лёд, асфальт, мел).
Шарик скользит, замедляется в зависимости от \mu.
Цель: попасть в красную мишень.
Калибровка через начальную скорость катапульты.
Wow: инженерная задача про разные покрытия.
~600 LOC

⭐ Глава 3 · Статика — 2 флагмана

F9. Конструктор моста

§25-28 (равновесие, рычаг, момент)

На canvas — балка на 2 опорах.
Пользователь добавляет грузы перетаскиванием (drag) в любую точку балки.
Программа считает реакции опор N_1, N_2 через систему 2 уравнений (\Sigma F = 0, \Sigma M = 0).
При перегрузке — балка прогибается / ломается.
Цель: построить «мост» который выдержит автомобиль (фиксированный груз 1000 Н) в любой точке.
Wow: инженерный квест.
~700 LOC

F10. Виртуальный аквариум

§29-30 (Архимед, плавание)

Большой аквариум на canvas.
Слева — палитра тел разной плотности (дерево, пенопласт, пластик, металл, золото).
Drag&drop тел в аквариум: правильная физика — плавают, тонут, висят.
Slider жидкости: вода → масло → ртуть.
При смене жидкости тела перераспределяются (золото в ртути плавает!).
Wow: интерактивный «фокус» с ртутью.
~500 LOC

⭐ Глава 4 · Импульс / Энергия / Колебания — 4 флагмана

F11. Бильярдная физика

§31-32 (ЗСИ)

2D-бильярдный стол с 1 битком + 4 шарами.
Перетаскивание прицела + slider «сила удара».
Реальная физика упругих ударов между шарами.
Real-time векторы импульса до/после.
Цель: сделать карамболь (тройной удар).
Wow: игра + физика.
~700 LOC

F12. Американские горки

§35 (ЗСМЭ)

Пользователь рисует профиль горки (мышкой задаёт высоты).
Шарик скатывается с начала, физика: E = E_k + E_p = const (без трения) или с диссипацией.
Real-time графики: E_p, E_k, E_{total} на 3-х кривых.
Можно добавить «петлю» (loop) — расчёт минимальной высоты старта.
Slider «трение» — графики E_{total} спадают.
Wow: «спроектируй сам аттракцион».
~700 LOC

F13. Маятник Фуко

§36 (колебания + вращение)

Длинный математический маятник, его плоскость колебаний поворачивается относительно земли из-за вращения.
Slider: широта (на полюсе вращается за 24 ч, на экваторе не вращается).
Анимация: вид сверху, ход маятника записывает «розетку».
Wow: красивая, исторически значимая демонстрация (Париж, 1851).
~500 LOC

F14. Спектр колебаний (резонанс)

§36

Пружинный маятник с внешней периодической силой.
Slider частоты внешней силы \nu_{внеш}.
Когда \nu_{внеш} \approx \nu_{собств} — амплитуда колебаний нарастает.
График амплитуды от \nu_{внеш} — классический резонансный пик.
Аналог: «настройка струны гитары», «разрушение моста».
Wow: объясняет, почему рота не марширует через мост.
~500 LOC

🔬 Глава 5 · Лаборатория — 3 флагмана-практикума

F15. Виртуальная лаборатория свободного падения

ЛР 6

Стробоскопический эффект: тело падает, на нём отметки через равные промежутки.
Пользователь измеряет расстояния линейкой (виртуальная линейка на canvas).
Таблица заполняется автоматически из измерений.
Расчёт g по серии 5-6 измерений + погрешность.
Wow: реальный лабораторный отчёт получается за 5 минут.
~500 LOC

F16. Лаборатория законов сохранения

ЛР 7

Тележка на наклонной + датчики скорости.
Запускается с разных высот, измерения автоматически.
Серия из 5 запусков: h_1, v_1; h_2, v_2; ...
Расчёт КПД через сравнение E_p^{0} и E_k^{внизу}.
График «отклонение от ЗСМЭ vs скорость» — видна систематическая ошибка от трения.
Wow: настоящие лабораторные навыки.
~600 LOC

F17. Лаборатория маятника

ЛР 4, ЛР 12

Несколько маятников рядом: математ., пружинный, физический.
Запуск синхронно, измерение T автоматически.
Цель: подобрать l так, чтобы T = 2 с (секундный маятник).
Дополнительно: изменение g (на Луне, Марсе) → как меняется T.
Wow: «найди g на Марсе по периоду маятника».
~500 LOC

🏆 Финал курса — 2 флагмана

F18. Магистр-симулятор

Большой интерактив «построй сценарий движения тела»:
Точка А → точка Б через любые этапы (равном., равноуск., свободное падение, …).
Пользователь собирает цепочку этапов как конструктор LEGO.
Программа автоматически рисует x(t), v(t), a(t).
Проверка корректности сценария: «достижимо ли?»
Сохранение в галерею (localStorage), share-кнопка (URL с сценарием в параметрах).
Wow: портфолио своих физических задач.
~800 LOC

F19. Финальный босс — «Полёт ракеты»

Симулятор взлёта ракеты с Земли:
Параметры: масса ракеты, масса топлива, q (скорость истечения газов), G.
Реальная физика: уравнение Циолковского + сила тяжести + сопротивление воздуха.
График h(t), v(t), остаток топлива.
Цель: вывести спутник на орбиту 400 км (МКС).
Wow: реальная инженерная задача, объединяющая ВСЁ из курса.
~1000 LOC

📊 Сводка флагманов

#	Название	Глава	LOC	Приоритет
F1	Конструктор траектории	§5	400	⭐
F2	Гонка двух тел	§9	500	🔥
F3	Тахометр + спидометр	§11-13	600	🔥
F4	Орбитальный конструктор	§16-18	600	🔥
F5	Машина Атвуда	§19-22	500	⭐
F6	Симулятор дороги	§20	400	⭐
F7	Лифт с динамометром	§24	500	⭐
F8	Полигон трения	§20	600	💡
F9	Конструктор моста	§25-28	700	🔥
F10	Виртуальный аквариум	§29-30	500	⭐
F11	Бильярдная физика	§31-32	700	🔥
F12	Американские горки	§35	700	🔥
F13	Маятник Фуко	§36	500	⭐
F14	Резонанс	§36	500	⭐
F15	Лаб. свободное падение	ЛР 6	500	⭐
F16	Лаб. ЗСЭ	ЛР 7	600	⭐
F17	Лаб. маятника	ЛР 4,12	500	⭐
F18	Магистр-симулятор	Финал курса	800	🔥
F19	Полёт ракеты	Финал курса	1000	🔥
Σ	19 флагманов		~10 600 LOC

🔥 Критично (8): F2, F3, F4, F9, F11, F12, F18, F19 ⭐ Важно (10): F1, F5, F6, F7, F10, F13, F14, F15, F16, F17 💡 Nice-to-have (1): F8

🛠 Технологический стек для флагманов

Базовые библиотеки (без внешних зависимостей)

Canvas 2D — для большинства симуляций (производительно)
SVG — для статических интерактивов (легко стилизуется, тёмная тема)
Web Audio API — для звуковых эффектов (опционально)
requestAnimationFrame — с RAF-реестром для cleanup при unmount
localStorage — для сохранения настроек, рекордов
Web Workers — для тяжёлых вычислений (F4 орбита, F19 ракета)

Архитектурное правило

Каждый флагман — отдельный модуль phys9_flag_FN_name.js в frontend/js/flagships/. Подключается только в нужном параграфе через ленивую загрузку (динамический <script>).

Шаблон файла:

// phys9_flag_F2_race.js — Гонка двух тел (§9)
(function(){
'use strict';
const C = () => window.PHYS9_COLORS || {};
let _running = false, _raf = 0;

function init(secId){
  const box = document.getElementById(secId+'-body');
  if (!box || box.querySelector('.flag-F2')) return;
  // Создать UI...
  // Запустить sim...
}

function cleanup(){ if(_raf) cancelAnimationFrame(_raf); _raf = 0; _running = false; }

window.PHYS9_FLAGS = window.PHYS9_FLAGS || {};
window.PHYS9_FLAGS.F2 = { init: init, cleanup: cleanup };
})();

Подключение

В phys9_chN_widgets.js для соответствующего параграфа:

function add_p9(){
  // ... обычный виджет (slider+калькулятор)
  if (window.PHYS9_FLAGS && window.PHYS9_FLAGS.F2) {
    appendTo('p9', wgWrapper('p9-flag', 'ФЛАГМАН', 'Гонка двух тел', '...', '<div id="flag-F2-host"></div>'));
    window.PHYS9_FLAGS.F2.init('p9');
  }
}

🚀 Порядок реализации

Фаза 1 — Подготовка инфраструктуры (1 коммит)

Создать каталог frontend/js/flagships/
Создать phys9_flag_base.js — общие хелперы (RAF-реестр, canvas init, controls)
Создать CSS frontend/css/phys9-flagships.css — стили карточек, кнопок, прогресс-баров
Документ-шаблон для каждого флагмана

Фаза 2 — Wave A (флагманы Главы 1): F1, F2, F3, F4 (4 коммита, ~2100 LOC)

Целевая глава: Кинематика

F1 Конструктор траектории (1 коммит)
F2 Гонка двух тел (1 коммит)
F3 Тахометр + спидометр (1 коммит)
F4 Орбитальный конструктор (1 коммит, ~600 LOC, требует Web Worker)

Фаза 3 — Wave B (Глава 2): F5, F6, F7, F8 (4 коммита, ~2000 LOC)

F5 Машина Атвуда
F6 Симулятор дороги
F7 Лифт с динамометром
F8 Полигон трения (опционально)

Фаза 4 — Wave C (Глава 3): F9, F10 (2 коммита, ~1200 LOC)

F9 Конструктор моста (большой, drag&drop, рассчёт реакций опор)
F10 Виртуальный аквариум

Фаза 5 — Wave D (Глава 4): F11, F12, F13, F14 (4 коммита, ~2400 LOC)

F11 Бильярдная физика
F12 Американские горки
F13 Маятник Фуко
F14 Резонанс

Фаза 6 — Wave E (Лаборатория): F15, F16, F17 (3 коммита, ~1600 LOC)

F15 Свободное падение
F16 ЗСЭ
F17 Маятник

Фаза 7 — Финал курса: F18, F19 (2 коммита, ~1800 LOC)

F18 Магистр-симулятор
F19 Полёт ракеты

Фаза 8 — Полировка (1 коммит)

Все RAF имеют пауза/сброс
Все симуляции корректно убираются при goTo другого §
Тёмная тема: все цвета через PHYS9_COLORS
Респонсив: max-width 800px, height auto
a11y: aria-label на интерактивных canvas

📈 Оценка прироста качества

До: 48 виджетов уровня «slider + калькулятор», тёмная тема, прогресс-бары.

После: 19 флагманов с настоящей симуляцией, интерактивом, геймификацией.

Метрика	До	После
Engagement time per §	~2 мин	~10 мин
Уникальных интерактивов	48	48 + 19 = 67
LOC	~2 000	~12 600
Бонусы (XP)	600	~1500
Запоминаемость	средняя	высокая

⚠️ Архитектурные риски

Размер бандла: 19 флагманов × ~600 LOC = ~12 KB JS на главу. Решение — ленивая загрузка через динамический <script>.
CPU: симуляции в RAF могут тяжко грузить устройство. Решение — IntersectionObserver (пауза если интерактив не на экране).
Запуск legacy экстрактора не должен убить эти модули — они НЕ в phys9_legacy.js, а в отдельных файлах.
Тёмная тема: все цвета обязательно через PHYS9_COLORS, иначе при переключении выглядит сломанно.
Совместимость с расширением задач в финалах — флагман в финале НЕ должен мешать прогресс-бару.

🎬 Запуск

Рекомендация: начать с Фазы 2 (Wave A — Кинематика). Это:

4 флагмана, ~2100 LOC, ~4 коммита
Покрывает самую важную главу
Даёт сразу видимый результат
F2 Гонка двух тел — идеальный пилот (компактный, понятный)

После завершения Wave A — решить продолжать ли или хватит пилотов.

🔗 Связанные документы

PLAN_PHYSICS_9.md — исходный план учебника
PLAN_PHYSICS_9_VISUAL.md — горизонтальные фазы (Phase 1-3 done)
PLAN_PHYSICS_9_PER_PARAGRAPH.md — детальный (Wave A-G done)
PLAN_PHYSICS_10.md — образец крупных симуляций

23 KiB Raw Permalink Blame History Unescape Escape