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Optics Light Lab: Ray Tracing

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Optics Light Lab: Ray Tracing — 鏡、レンズ、プリズムがすべての光線を追跡する光学シミュレーター

Optics Light Lab: Ray Tracingは、幾何光学を触って学べる無料のAndroid向け光学シミュレーターです。3D光学ベンチに鏡、レンズ、プリズムを配置すると、動かすたびにレイトレーシングエンジンがすべての反射と屈折を再計算します。38のレッスン、18のラボ、50レベルのレーザーパズルが、すべて同じエンジンによって判定され、アプリ全体をオフラインで利用できます。

Google Play — 無料でダウンロード
価格
無料、Proへのアップグレード
プラットフォーム
Android
言語
10
進捗リング、レッスン数とラボ数、ワールドで構成された学習パスを表示する「学習」タブ所要時間とProタグ付きのレッスンを表示する「レンズと鏡」ワールドの一覧
384つのワールドにあるレッスン
50レーザーパズル
18光学ベンチラボ
虹は描かれるのではなく、計算されています。

レーザーを白色光に切り替えてプリズムに向けると、1本の光線が7つの波長に分かれて広がり、それぞれが固有の屈折率によって別々に追跡されます。あらかじめ描画された経路はないため、角度を間違えたときに、どれだけずれているかを正確に確認できます。

概要

Optics Light Lab: Ray Tracingは、リアルタイムのレイトレーシングシミュレーターで幾何光学を学べる無料のAndroidアプリです。4つのワールド(反射と屈折、レンズと鏡、分散と色、ディープオプティクス)に38のレッスン、18の光学ベンチラボ、4つのインタラクティブシミュレーション、9種類の要素と15種類の光学材料を備えたサンドボックス、50のレーザーパズルを収録しています。すべてのレッスン、図、ラボ、パズルが端末に収録されているため、オフラインで利用できます。

アプリの内容

画面イメージ

進捗リング、レッスン数とラボ数、ワールドで構成された学習パスを表示する「学習」タブ
学習パス38のレッスンと18のラボの進捗、現在のレッスンを続けるボタン、光学ベンチのサンドボックス、順番に並んだワールドを表示します。表示されている進捗はサンプルデータです。
所要時間とProタグ付きのレッスンを表示する「レンズと鏡」ワールドの一覧
ワールド内のレッスン「レンズと鏡」ワールドでは、各レッスンの所要時間を分単位で表示します。ワールド1は無料で、後のワールドにはProのマークが付きます。
光線図とクイズ問題で反射の法則を学ぶレッスン
反射の法則光線図、法線から角度を測る際の注意、簡単なクイズ問題を含むレッスンです。
プリズムで白色光を分散させ、入射角スライダーで確認できる分散のレッスン
分散プリズムが白色光を色ごとに分けます。入射角スライダーを動かすと、赤色光と紫色光がどれだけ曲がるかを確認できます。
50個の番号付きレーザーレベルと星評価を備えたパズルタブ
レーザーパズル50レベルのパズルグリッドです。クリアしたレベルには星評価が表示され、上部にはクリア数も表示されます。

背景

鏡、レンズ、プリズムはどのように光を曲げるのでしょうか。また、レイトレーシングとは何でしょうか?

幾何光学では、光を、面に当たるまで直進する光線として扱います。鏡では、入射角と反射角が等しくなるように光線が反射し、空気とガラスのように異なる2つの物質の境界では、スネルの法則に従って光線が曲がります。レイトレーシングとは、光線が当たるすべての面を通る経路を1本ずつ追跡する方法です。これにより、コンピューターはレンズが光線をどこに集光するか、プリズムが白色光をどのように色へ分けるかを表示できます。法則が正確に適用されるため、シミュレーターは光線を追跡し、ターゲットに到達するかどうかを確認して答えを判定できます。

反射の法則入射角と反射角は等しい

滑らかな面に当たった光線は、面に垂直な線である法線から測った、入射したときと同じ角度で反射します。よくある間違いは、鏡の表面そのものから角度を測ってしまうことです。

スネルの法則と屈折率光がガラスに入るときの曲がり方

光がある物質から別の物質へ進むとき、速度と方向が変わります。氷からダイヤモンドまで、各物質の屈折率によって曲がり方が決まり、屈折率が大きいほど光線は大きく曲がります。

薄レンズの公式レンズが像を作る位置

薄レンズでは、1/fは1/doと1/diの和に等しく、焦点距離fと物体距離、像距離の関係を表します。これにより、物体を置く位置によって、凸レンズが大きい像、小さい像、正立像、倒立像を作る理由が説明できます。

分散と全反射色の広がりと閉じ込められる光

分散は色ごとに屈折率がわずかに異なるために起こり、プリズムでは青色の光が赤色の光より大きく曲がります。密度の高い物質の内部で臨界角を超えると、光は外へ出られず完全に反射します。これが光ファイバーの原理です。

使い方

レッスンとラボのつながり

すべてのレッスンでは、短い解説とリアルタイムの光学ベンチを組み合わせているため、法則と図を同時に学べます。

  1. 図で法則を読む

    各レッスンでは、反射の法則など1つの考え方を、手描きの図とその場で確認できる問題を使って説明します。間違った線を基準に角度を測るなど、よくある間違いも警告で示します。

  2. ベンチ上の光学部品を動かす

    鏡を回転させたり、レンズを入れ替えたり、光線の中にプリズムを置いたりできます。レイトレーサーは経路をリアルタイムで再計算し、スネルの法則、薄レンズ、臨界角、プリズム分散のスライダーを動かすと、それぞれの値が表示されます。

  3. ラボやパズルで確かめる

    レッスン内のラボは、光線を描画するものと同じエンジンによって判定されます。パズルでは、光学部品を回転・配置してレーザーをターゲットに当てます。1枚の鏡だけを使うものから、囮のプリズムや遮光板を含む3枚の鏡の階段状ステージまで用意されています。

内容

アプリの内容

38

4つのワールドにあるレッスン

反射と屈折、レンズと鏡、分散と色、ディープオプティクスの4つのワールドで、スネルの法則、凹面鏡、薄レンズの公式、全反射を学べます。

50

レーザーパズル

光の迷路を進むステージです。公開前に、すべてのレベルがエンジンによって解決可能であることを確認しています。

18

光学ベンチラボ

レッスンに組み込まれた実践的な課題で、光線を描画するレイトレーシングエンジンによって判定されます。

9

サンドボックスの要素タイプ

平面鏡、凹面鏡、凸面鏡、凸レンズ、凹レンズ、プリズム、遮光板、ターゲット、レーザーを使えます。ドラッグして視点を回転し、ピンチ操作でズームし、作成した構成を保存して後から開き直せます。

15

実在の光学材料

氷からダイヤモンドまで、それぞれ固有の屈折率を持つ材料を収録しています。プリズムのガラスを入れ替えて、スペクトルが広がったり狭まったりする様子を観察できます。

AI

AIチューター

ベンチ上で起きていることの説明を尋ねたり、パズルで行き詰まったときにヒントを求めたりできます。無料アカウントでは、1日に説明を2回、ヒントを1回利用できます。

適しています

向いている方・向いていない方

次のような方におすすめです

  • 物理を学んでいて、公式を暗記するだけでなく、レンズが光を曲げる様子を見たい方
  • 光学を教えたり個別指導したりしていて、生徒が自分で変更や実験を行える光学ベンチが必要な方
  • パズルゲームが好きで、鏡を使ってレーザーを狙うのを楽しめる方
  • なぜプリズムが虹を作るのか、また全反射がどのように起こるのか知りたい方
  • コンテンツがオフラインで収録されているため、接続なしで学習する必要がある方

次のような方には適していません

  • iPhoneアプリが必要な方。現在、このアプリは Android のみに対応しています
  • このアプリは幾何光学を扱うため、干渉や回折などの波動光学を学びたい方
  • 4つすべてのワールドと50個すべてのパズルが無料だと期待している方。ワールド1と最初の10レベルは無料で、Proですべての続きが解除されます
  • 無料版では画面間に広告が表示されるため、広告が苦手な方

ご質問

よくある質問

スマートフォンで光学と光線追跡を学ぶのに最適なアプリは何ですか?

光学シミュレーターを使うと、設定を変更して光の反応を確認できます。Optics Light Lab: Ray Tracing は、38個の短いレッスンと、リアルタイムで動作する3D光学ベンチを組み合わせています。光線追跡エンジンが、鏡やレンズ、プリズムを動かすたびに反射と屈折を再計算します。Android で無料で始められ、オフラインでも動作します。

幾何光学とは何ですか?

幾何光学では、光を直線上を進み、反射と屈折によって表面でのみ方向を変える光線としてモデル化します。鏡、レンズ、プリズム、基本的な光学機器の仕組みを説明できます。Optics Light Lab: Ray Tracing では、「Reflection and Refraction」から「Deep Optics」まで、4つのワールドを通して学べます。

プリズムはどのように白色光を色ごとに分けるのですか?

ガラスの屈折率は赤色光よりも青色光に対してわずかに高いため、表面で色ごとに異なる量だけ光が曲がります。これを分散と呼びます。Optics Light Lab: Ray Tracing では、レーザーを白色光に切り替えると、1本の光線が7つの波長に分かれて、それぞれ追跡される様子を確認できます。

始める前にスネルの法則を知っておく必要がありますか?

いいえ。ワールド1では、反射の法則からスネルの法則までを、図とその場で確認できるチェック機能を使って段階的に学べます。暗記しただけの公式を、実際に試せる知識へと変えられます。Optics Light Lab: Ray Tracing には、ドラッグすると計算結果が表示されるスネルの法則スライダーも含まれています。

レーザーパズルとは何ですか?

光学部品を回転・配置して、レーザーをターゲットに当てる50のレベルがあります。序盤のレベルでは1枚の鏡を使い、後半ではダミーのプリズムや遮蔽物を含む2枚または3枚の鏡を使います。Optics Light Lab: Ray Tracing は、同じ光線追跡エンジンで各レベルを判定しており、すべてのレベルがクリア可能であることを確認済みです。

Optics Light Lab: Ray Tracing はオフラインで動作しますか?

はい。すべてのレッスン、図、ラボ、パズルが端末に収録されているため、飛行機内でも電波が届かない場所でも、学習を中断する必要はありません。接続が必要なのは、回答を行うAIチューターだけです。

AIチューターは何をしてくれますか?

光学ベンチで起きていることを説明し、パズルで行き詰まったときにはヒントを出します。Optics Light Lab: Ray Tracing の無料版では、1日にAIによる説明を2回、パズルのヒントを1回利用できます。Proではこれらの制限がなくなります。

Optics Light Lab: Ray Tracing は無料ですか?

このアプリは Google Play で無料で利用でき、画面間に広告が表示されます。無料版には、ワールド1の全内容(10レッスンと5ラボ)、パズルのレベル1から10、5個の要素を使えるサンドボックス、3つの保存済みベンチ、1日2回のAIによる説明、1日1回のヒントが含まれます。Proでは、ワールド2から4(追加の28レッスンと13ラボ)、レベル11から50、無制限のサンドボックス、無制限のAIサポートが利用可能になり、広告も表示されなくなります。

iPhone版はありますか?

現在はありません。Optics Light Lab: Ray Tracing は Google Play を通じて Android のスマートフォンとタブレットで利用でき、このページからはその掲載ページのみを案内しています。

どの言語に対応していますか?

アプリとこのページは10言語で利用でき、アプリ全体でライトテーマとダークテーマに対応しています。

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