大学物理数值仿真与可视化教学案例库

本项目基于 Julia 语言和 Syslab 内置 TyPlot 绘图能力开发，面向高校《大学物理》《普通物理》《大学物理实验》《数值计算与可视化》《电磁学》《电磁场与电磁波》《光学》《工程光学》等课程。案例库覆盖力学、电磁学、热学与统计物理、波动与光学、近代物理五大模块，并已扩展光学、电磁学和电磁场专题案例。

每个案例均可独立运行，也可通过 main.jl 统一菜单调用。运行后图片默认保存到中文目录 仿真图像/。

目录结构

UniversityPhysics_Syslab_CaseLibrary
├─ README.md
├─ main.jl
├─ common.jl
├─ 仿真图像
├─ 01_力学基础
├─ 02_电磁学
│  ├─ 静电场与电势
│  ├─ 磁场电路与感应
│  └─ 电磁波与场专题
├─ 03_热学与统计物理
├─ 04_波动与光学
│  ├─ 基础波动与几何光学
│  ├─ 干涉衍射与傅里叶光学
│  └─ 偏振与现代光学
├─ 05_近代物理
└─ 教学App
   ├─ 光栅光谱分析教学App
   ├─ 光栅分辨本领仿真App
   ├─ 干涉与衍射综合教学App
   ├─ 圆孔衍射与分辨率教学App
   └─ 牛顿环实验数据处理App

五大模块目录均已改为中文名称。案例较多的电磁学和波动与光学模块只增加一层知识点子目录，便于教学查找，同时避免目录层级过深。

模块说明

教学App

项目根目录新增 教学App 一级目录，当前包含 5 个光学教学 App。各 App 均使用 Syslab TyAppDesigner 的 uifigure、面板、中文参数输入框、下拉框、复选框、按钮、结果文本框、uiaxes 和 uiimage 开发，可直接形成可操作 GUI 界面，不再是单纯脚本式绘图。

运行方式示例：

cd("教学App/光栅光谱分析教学App")
include("主程序.jl")
启动光栅光谱分析教学App()

5 个 App 分别覆盖光栅光谱分析、光栅分辨本领、干涉与衍射综合、圆孔衍射与分辨率、牛顿环实验数据处理。2026-05-28 已使用 Syslab MCP 逐个完成隐藏 GUI 实例化、参数修改、下拉框/复选框切换、按钮回调、非法参数提示和导出图像测试。

电磁学分层

02_电磁学 下新增电磁场专题案例脚本均已改为中文文件名，并按知识点放入三个子目录：

02_电磁学
├─ 静电场与电势
│  ├─ 点电荷电场分布.jl
│  ├─ 电偶极子电场.jl
│  ├─ 连续带电体电场分布.jl
│  ├─ 均匀带电圆环轴线电场.jl
│  ├─ 电势等值线与电场线.jl
│  ├─ 平行板电容器电场与电势.jl
│  ├─ 高斯定理典型电场.jl
│  ├─ 二维静电场有限差分求解.jl
│  ├─ 平行板电容器边缘场仿真.jl
│  └─ 微带线准静态电场分布.jl
├─ 磁场电路与感应
│  ├─ 长直导线磁场分布.jl
│  ├─ 圆形电流环轴线磁场.jl
│  ├─ 亥姆霍兹线圈磁场分布.jl
│  ├─ 螺线管磁场分布.jl
│  ├─ 霍尔效应仿真.jl
│  ├─ 法拉第电磁感应定律.jl
│  ├─ 导体棒切割磁感线.jl
│  ├─ 旋转线圈发电机.jl
│  ├─ RC电路充放电.jl
│  ├─ RL电路暂态响应.jl
│  ├─ RLC电路暂态与频率响应.jl
│  ├─ 交流电路功率因数.jl
│  ├─ 磁偶极子磁场分布.jl
│  └─ 非均匀磁场带电粒子磁镜效应.jl
└─ 电磁波与场专题
   ├─ 带电粒子在电磁场中的运动.jl
   ├─ 平面电磁波传播.jl
   ├─ 电磁波偏振.jl
   ├─ 坡印廷矢量可视化.jl
   ├─ 电偶极子天线方向图.jl
   ├─ 同轴电缆电磁场与坡印廷矢量.jl
   ├─ 电磁屏蔽与趋肤效应.jl
   ├─ 电磁波界面反射与透射.jl
   ├─ 电磁波驻波与反射系数.jl
   ├─ 矩形波导TE10模式场分布.jl
   ├─ 感应涡旋电场仿真.jl
   └─ 电偶极子辐射场方向图与近远场示意.jl

波动与光学分层

04_波动与光学
├─ 基础波动与几何光学
│  ├─ 一维简谐波传播.jl
│  ├─ 驻波形成.jl
│  ├─ 薄透镜成像仿真.jl
│  ├─ 凸透镜凹透镜光路追迹.jl
│  ├─ 棱镜色散仿真.jl
│  └─ 光纤全反射仿真.jl
├─ 干涉衍射与傅里叶光学
│  ├─ 双缝干涉.jl
│  ├─ 单缝衍射.jl
│  ├─ 光栅衍射仿真.jl
│  ├─ 牛顿环仿真.jl
│  ├─ 劈尖干涉仿真.jl
│  ├─ 薄膜干涉仿真.jl
│  ├─ 迈克尔逊干涉仪仿真.jl
│  ├─ 透镜傅里叶变换仿真.jl
│  ├─ 空间滤波仿真.jl
│  ├─ 圆孔衍射与艾里斑.jl
│  └─ 瑞利判据仿真.jl
├─ 偏振与现代光学
   ├─ 马吕斯定律仿真.jl
   ├─ 布儒斯特角仿真.jl
   ├─ 波片与偏振态转换.jl
   ├─ Jones矩阵偏振仿真.jl
   ├─ 高斯光束传播.jl
   ├─ 激光谐振腔稳定性.jl
   └─ 光拍频现象.jl
└─ 光学专题扩展案例
   ├─ 光栅光谱分析.jl
   ├─ 光栅分辨本领.jl
   ├─ 闪耀光栅仿真.jl
   ├─ 单缝菲涅尔衍射.jl
   ├─ 菲涅尔波带片.jl
   ├─ 圆孔衍射艾里斑.jl
   ├─ 矩形孔衍射.jl
   ├─ 二维孔径FFT衍射.jl
   ├─ 法布里珀罗干涉仪.jl
   ├─ 马赫曾德尔干涉仪.jl
   ├─ 牛顿环曲率测量.jl
   ├─ 薄膜干涉颜色.jl
   ├─ 偏振光干涉.jl
   ├─ 双折射晶体.jl
   ├─ 旋光效应.jl
   ├─ 光纤模式场分布.jl
   ├─ 光纤数值孔径.jl
   ├─ 高斯光束透镜聚焦.jl
   ├─ 激光纵模频率.jl
   └─ 光学系统MTF.jl

新增“光学专题扩展案例”统一放在 04_波动与光学/光学专题扩展案例 中文层级下。20 个教学脚本均使用中文文件名，便于教师按课堂主题直接识别；每个脚本均展开了本案例所需的模型函数、参数设置、数值计算、可视化和关键结果输出，可独立运行和二次修改。

光学专题扩展案例

运行方式

在 Syslab Julia 环境中进入项目目录后运行：

include("main.jl")
run_optics_extension_cases()      # 运行全部光学专题扩展案例
run_wave_and_optics_cases()       # 运行全部波动与光学案例
run_all_library_cases()           # 运行全部案例库案例

也可以直接运行任一中文脚本，例如：

include(joinpath("04_波动与光学", "光学专题扩展案例", "光栅光谱分析.jl"))
run_grating_spectrum_analysis()

教学App

项目根目录新增 教学App 一级目录，当前包含 5 个光学教学 App：

每个 App 子目录包含 主程序.jl、计算函数.jl、示例参数说明.md、README.md 和 测试.jl。主程序按“左侧参数区、中间图形区、右侧结果说明区、底部按钮区”的教学 App 布局组织，按钮回调包括运行仿真、重置参数、导出图像和清空结果；牛顿环 App 还包含“生成模拟实验数据”回调。

示例运行：

cd("教学App/光栅光谱分析教学App")
include("主程序.jl")
启动光栅光谱分析教学App()

测试方式：

include("测试.jl")
测试光栅光谱分析教学App()

参数修改

每个案例脚本前部均设置“参数设置区”，并带有中文参数说明、单位和教学含义。教师可直接修改电荷量、线圈半径、匝数、电流、磁场、频率、电容、电感、波长、介电常数、网格数量、迭代次数等参数。公共数值积分、图片保存和统一打印函数集中在 common.jl。

教学建议

力学部分可作为数值积分和微分方程入门；热学部分适合讲统计分布、随机过程与偏微分方程；近代物理部分适合展示量子化、能级、辐射谱和波函数概率解释。

电磁学可按“静电场与电势 -> 恒定电流与磁场 -> 电磁感应 -> 电路暂态与交流电 -> 电磁波 -> 电磁场专题”的顺序组织。新增电磁场专题尤其适合展示从解析公式到二维/三维场分布、边界条件、有限差分迭代、电磁波边界、能量传输和工程结构的过渡。

光学可按“基础波动与几何光学 -> 干涉衍射与傅里叶光学 -> 偏振与现代光学”的顺序组织。这样既保留大学物理主线，又能自然过渡到工程光学、傅里叶光学和激光基础。

光学专题扩展案例教学建议

光栅与光谱主线可从 光栅光谱分析.jl 开始，随后进入 光栅分辨本领.jl 和 闪耀光栅仿真.jl，用于讲解色散、分辨本领和光谱仪设计思想。

衍射与傅里叶光学主线可依次使用 单缝菲涅尔衍射.jl、菲涅尔波带片.jl、圆孔衍射艾里斑.jl、矩形孔衍射.jl 和 二维孔径FFT衍射.jl，从近场衍射过渡到远场频谱。

干涉仪与薄膜干涉主线可使用 法布里珀罗干涉仪.jl、马赫曾德尔干涉仪.jl、牛顿环曲率测量.jl 和 薄膜干涉颜色.jl，覆盖精密测量、实验数据处理与颜色形成机理。

偏振与晶体光学主线可使用 偏振光干涉.jl、双折射晶体.jl 和 旋光效应.jl，适合从 Jones 矢量、检偏器投影讲到晶体各向异性和浓度测量。

光纤与激光基础主线可使用 光纤模式场分布.jl、光纤数值孔径.jl、高斯光束透镜聚焦.jl、激光纵模频率.jl 和 光学系统MTF.jl，面向光电信息、通信光学和成像系统课程扩展。

云图与二维可视化说明

新增案例优先使用二维云图、强度分布图、条纹图、频谱图或光斑图。典型二维图包括：光谱强度条带、传播距离-屏幕位置衍射云图、波带片黑白图样、艾里斑光斑图、矩形孔衍射强度图、二维孔径与远场频谱图、法布里-珀罗透射云图、马赫-曾德尔相位调制云图、牛顿环条纹图、薄膜膜厚-波长反射云图、偏振相位-角度云图、双折射角差云图、旋光角云图、光纤模式场横截面图、高斯光束聚焦 x-z 光强图和 MTF 条纹图。必要的一维曲线图仍保留，用于读取峰值、暗环、模式间隔、截止频率等定量信息。

中文脚本文件名说明

main.jl 使用 joinpath 构造 04_波动与光学/光学专题扩展案例/中文脚本名.jl 路径，并通过 include(file) 调用脚本，避免手写平台相关路径分隔符。Syslab Julia 2026a / Julia 1.10 环境可正常处理 UTF-8 中文目录和中文文件名；如果个别系统终端显示乱码，优先检查终端编码或工作目录编码，但项目仍保留中文层级和中文脚本文件名。确需英文别名时，可在本地另建英文快捷脚本转调对应中文脚本，不建议替换原中文文件。

MATLAB 经典案例向 Syslab 迁移说明

本项目不调用 MATLAB，也不依赖外部商业工具箱。常见 MATLAB 教学脚本中的 plot、subplot、legend、quiver、contour、contourf、saveas 等流程，在 Syslab Julia 中由 TyPlot 和 Julia 标准数值能力完成。电场、磁场、电磁感应、电路暂态、光学干涉和数值场分布模型采用显式公式、离散叠加、有限差分或项目内自写 RK4 工具实现，便于高校教师阅读、课堂讲解和二次修改。

后续扩展方向

后续可继续加入有限元电场、传输线时域反射、涡流、互感、Fabry-Perot 干涉仪、ABCD 矩阵光学、光学传递函数、量子隧穿、波包演化等案例。也可将案例参数封装为教学 GUI，或输出实验报告模板与课堂练习题。

使用许可

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