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Optics Light Lab: Ray Tracing

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Optics Light Lab: Ray Tracing — —一款光学模拟器,让镜子、透镜和棱镜追踪每一束光线

Optics Light Lab: Ray Tracing 是一款免费的 Android 光学模拟器,让几何光学变得触手可及。你可以在 3D 光学实验台上放置镜子、透镜和棱镜,移动它们时,光线追踪引擎会重新计算每一次反射和折射。38 节课程、18 个实验和 50 关激光谜题阶梯都由同一个引擎评分,整款应用还支持离线使用。

Google Play — 免费下载
价格
免费,可升级至 Pro
平台
Android
语言
10
“学习”标签页包含进度环、课程和实验数量,以及按世界排列的学习路径“透镜与镜子”世界列表,显示课程时长和 Pro 标签
384 个世界中的课程
50激光谜题
18光学实验台实验
彩虹是计算出来的,而不是绘制出来的。

将激光切换为白光并对准棱镜,一束光会分散成七种分别追踪的波长,每种波长都会因自身的折射率而发生不同程度的偏折。路径下方没有预先渲染的轨迹,因此当角度出错时,你能准确看出偏差了多少。

这是什么

Optics Light Lab: Ray Tracing 是一款免费的 Android 应用,通过实时光线追踪模拟器帮助你学习几何光学。应用包含四个世界中的 38 节课程(反射与折射、透镜与镜子、色散与颜色、深入光学)、18 个光学实验台实验、4 个互动模拟、一个包含 9 种元素类型和 15 种光学材料的沙盒,以及 50 个激光谜题。每节课程、每张图示、每个实验和每道谜题都已打包在设备中,因此支持离线使用。

应用内

界面展示

“学习”标签页包含进度环、课程和实验数量,以及按世界排列的学习路径
学习路径显示 38 节课程和 18 个实验的进度、继续当前课程的按钮、光学实验台沙盒,以及按顺序排列的各个世界。显示的进度为示例数据。
“透镜与镜子”世界列表,显示课程时长和 Pro 标签
世界中的课程“透镜与镜子”世界会以分钟为单位列出每节课程的时长。世界 1 免费,后续世界标记为 Pro。
通过光线图和测验题学习反射定律
反射定律包含光线图、关于从法线测量角度的提醒,以及一道快速测验题的课程。
色散课程:棱镜将白光分开,并配有入射角滑块
色散棱镜将白光分解成各种颜色,并配有入射角滑块,可显示红光和紫光偏折了多少。
“谜题”标签页,包含由50个编号激光关卡组成的网格和星级评分
激光谜题包含50个关卡的谜题网格,已解关卡带有星级评分,网格上方显示已解关卡计数。

背景知识

镜子、透镜和棱镜如何使光线偏折?什么是光线追踪?

几何光学将光视为沿直线传播的光线,直到它们遇到表面。在镜面处,光线会发生反射,入射角等于反射角;在空气与玻璃等两种材料的交界处,光线会根据斯涅尔定律发生偏折。光线追踪是一种跟踪每条光线经过的每个表面的方法,计算机正是通过这种方式显示透镜将光束聚焦到哪里,或棱镜如何将白光分解成不同颜色。由于这些规则是精确的,模拟器可以通过追踪光束并检查它是否落在目标上来判断你的答案。

反射定律入射角等于反射角

光线射到光滑表面后,会以与入射时相同的角度离开;这个角度是相对于法线测量的,法线是垂直于表面的直线。一个常见错误是改为从镜面本身测量角度。

斯涅尔定律与折射率光线进入玻璃时如何发生偏折

光线从一种材料进入另一种材料时,速度和方向都会改变。从冰到钻石,每种材料的折射率决定了光线偏折的程度,折射率越大,光线偏折得越明显。

薄透镜公式透镜在哪里成像

对于薄透镜,1/f 等于 1/do 加上 1/di,将焦距 f 与物距和像距联系起来。它解释了为什么会聚透镜会根据物体所在的位置,形成放大、缩小、正立或倒立的像。

色散与全反射颜色扩散与光线困陷

色散的发生是因为不同颜色的光具有略微不同的折射率,因此棱镜对蓝光的偏折程度大于红光。当光线在折射率更高的材料内部超过临界角时,就无法逃逸,而会发生完全反射,这正是光纤工作的原理。

工作原理

课程与实验如何结合

每节课程都会将简短讲解与实时光学实验台配对,让规则和图像同时呈现。

  1. 结合图示阅读规则

    每节课程都会讲解一个概念,例如反射定律,并配有手绘图示和即时检查题。提示会指出常见错误,例如从错误的线开始测量。

  2. 在实验台上移动光学元件

    旋转镜子、更换透镜,或将棱镜放入光束中。光线追踪器会实时重新计算路径;拖动斯涅尔定律、薄透镜、临界角和棱镜色散的滑块时,还会显示各自的读数。

  3. 用实验或谜题验证

    课程中的实验由绘制光束的同一个引擎评分。谜题要求你通过旋转和放置光学元件,将激光对准目标,挑战从单镜面射击到包含诱饵棱镜和阻挡物的三镜阶梯。

包含内容

应用内有什么

38

4 个世界中的课程

反射与折射、透镜与镜子、色散与颜色,以及深入光学,涵盖斯涅尔定律、曲面镜、薄透镜公式和全反射。

50

激光谜题

一系列光线迷宫,每一关在发布前都经过引擎检查,确保可以解出。

18

光学实验台实验

融入课程的动手任务,由绘制光束的光线追踪引擎评分。

9

沙盒元素类型

平面镜、凹面镜和凸面镜,会聚透镜和发散透镜、棱镜、阻挡物、目标和激光。拖动即可环绕查看,双指捏合即可缩放,还能保存搭建内容以便稍后重新打开。

15

真实光学材料

从冰到钻石,每种材料都有自己的折射率。更换棱镜中的玻璃,观察光谱变宽或变窄。

AI

AI 导师

询问实验台当前现象的原理,或在谜题卡住时获取提示。免费账户每天可获得 2 次解释和 1 次提示。

是否适合

适合哪些人——不适合哪些人

如果你符合以下情况,就很适合

  • 正在学习物理,想看看透镜如何使光线偏折,而不只是背诵公式
  • 正在教授或辅导光学,希望有一个学生可以自行调整和测试的实验台
  • 喜欢益智游戏,享受用镜子瞄准激光
  • 好奇棱镜为什么会产生彩虹,或全反射是如何工作的
  • 需要离线学习,因为内容已打包,可在离线状态下使用

如果你符合以下情况,这不是适合你的工具

  • 需要 iPhone 应用,因为目前应用仅支持 Android
  • 想学习干涉和衍射等波动光学,因为应用涵盖的是几何光学
  • 希望四个世界和全部50个谜题都免费:世界1和前10个关卡免费,Pro 可解锁其余内容
  • 不喜欢广告,因为免费版本会在屏幕之间显示广告

问题

常见问题

在手机上学习光学和 ray tracing,最好的应用是什么?

光学模拟器可以让你调整设置,观察光线如何响应。Optics Light Lab: Ray Tracing 将38节短课程与实时3D光学实验台结合起来;当你移动镜子、透镜和棱镜时,ray-tracing 引擎会重新计算每一次反射和折射。应用可在 Android 上免费开始使用,并支持离线运行。

什么是几何光学?

几何光学将光建模为沿直线传播、只在表面通过反射和折射改变方向的光线。它可以解释镜子、透镜、棱镜和简单的光学仪器。Optics Light Lab: Ray Tracing 通过四个世界教授这些内容,从“反射与折射”一直到“深度光学”。

棱镜如何将白光分解成各种颜色?

玻璃对蓝光的折射率略高于对红光的折射率,因此每种颜色在表面的偏折程度都不同。这称为色散。在 Optics Light Lab: Ray Tracing 中,你可以将激光切换为白光,观察一束光线分散成七种分别进行 ray tracing 的波长。

开始前需要了解斯涅尔定律吗?

不需要。世界1从反射定律逐步讲到斯涅尔定律,配有图示和即时检查,让你不再只是背诵公式,而是可以亲自进行验证。Optics Light Lab: Ray Tracing 还包含一个斯涅尔定律滑块,拖动时会自动计算并显示结果。

什么是激光谜题?

共有50个关卡,你需要通过旋转和放置光学元件,让激光瞄准目标。早期关卡使用一面镜子,后面的关卡则会使用两面或三面镜子,并加入干扰棱镜和阻挡物。Optics Light Lab: Ray Tracing 使用同一个 ray-tracing 引擎为每个关卡评分,并已确认每个关卡都可以解出。

Optics Light Lab: Ray Tracing 支持离线使用吗?

支持。每节课程、图示、实验和谜题都已打包在设备上,因此乘坐飞机或信号中断都不会打断学习。人工智能导师是唯一需要网络连接才能回答问题的功能。

人工智能导师能做什么?

它会解释你的实验台正在进行什么,并在谜题让你卡住时提供提示。在 Optics Light Lab: Ray Tracing 中,免费版本每天包含2次人工智能解释和1次谜题提示,Pro 会移除这些限制。

Optics Light Lab: Ray Tracing 免费吗?

应用可在 Google Play 免费获取,屏幕之间会显示广告。免费内容包括世界1的全部内容(10节课程和5个实验)、第1至第10个谜题关卡、包含5个元素和3个已保存实验台的沙盒、每天2次人工智能解释和1次提示。Pro 可解锁世界2至4(另外28节课程和13个实验)、第11至第50关、无限沙盒和不限次数的人工智能帮助,并移除广告。

有 iPhone 版本吗?

目前没有。Optics Light Lab: Ray Tracing 可通过 Google Play 在 Android 手机和平板电脑上使用,本页面仅链接到该应用页面。

它支持哪些语言?

应用和本页面支持10种语言,应用全程提供浅色和深色主题。

开始使用

在光束中放入一面镜子,看看会发生什么

在 Android 上免费开始使用,支持10种语言。

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