光線折射模擬器 (Light Refraction Simulator) – 探索斯涅爾定律(Snell’s Law)與光學原理

這個互動式光線折射模擬器 (Light Refraction Simulator) 旨在幫助學生視覺化物理學中的光學原理 (Optics)。透過這個工具,你可以清楚地觀察到光線在穿過如空氣、水、玻璃和鑽石等不同介質 (Mediums) 時的偏折現象,並深入理解斯涅爾定律 (Snell’s Law)

Light Refraction Simulator | 光線折射模擬器

Explore the principles of optics with our interactive Light Refraction Simulator. Learn how light bends when passing through different mediums like air, water, glass, and diamond using Snell's Law. 使用我們的互動式光線折射模擬器探索光學原理。透過斯涅爾定律,了解光線穿過空氣、水、玻璃和鑽石等不同介質時的偏折現象。

Interactive Physics: Snell's Law
互動物理:斯涅爾定律

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Observation | 觀察
This simulation uses Snell's Law: \( n_1 \sin(\theta_1) = n_2 \sin(\theta_2) \) to calculate accurate light refraction. Higher refractive indices (n) cause more bending of light towards the normal. Try different materials to see the effects, including Total Internal Reflection (TIR)!
模擬器使用斯涅爾定律計算光線折射。折射率 (n) 越高,光線偏折越明顯。嘗試不同材質以觀察全內反射 (TIR) 等現象!

Understanding Snell's Law | 認識斯涅爾定律

Snell's Law is a formula used to describe the relationship between the angles of incidence and refraction, when referring to light or other waves passing through a boundary between two different isotropic media. By manipulating the shapes and materials above, you can visually observe how the refractive index dictates the path of the laser.

斯涅爾定律是用來描述光或其他波在穿過兩種不同各向同性介質的邊界時,入射角與折射角之間關係的公式。透過操作上方的形狀和材質,您可以直觀地觀察折射率如何決定雷射的路徑。

如何使用 (How to Use):

  • 控制光源 (Light Source):拖曳紅色圓點來移動光源位置,或拖曳方向手柄來調整光線發射的方向。
  • 精確設定角度 (Angle Control):使用滑桿或下方的預設角度按鈕,精確設定光線的入射角 (Angle of incidence)。
  • 添加與編輯形狀 (Add & Edit Shapes):點擊加入矩形、三角形、圓形或半圓形的光學元件。你可以拖曳形狀邊角的手柄來縮放 (Resize),或使用彈出式工具列進行旋轉 (Rotate) 與刪除。
  • 選擇材質 (Materials):為每個形狀選擇不同的材質,如水 (Water)、玻璃 (Glass) 或鑽石 (Diamond),藉此改變該介質的折射率 (Refractive index, n)。
  • 放射光線 (Emit Light):點擊「放射光線」按鈕啟動雷射,即時觀察光路徑的變化。

觀察與討論 (Reflection / Observation):
在觀察模擬器時,請特別注意光線穿過不同介質邊界 (Boundary) 時的路徑變化。
你會發現,光線的偏折程度完全取決於介質的折射率 (Refractive index, n):

  • 當光線從低折射率介質進入高折射率介質(例如從空氣進入玻璃)時,折射光線會偏向法線 (Bend towards the normal)。
  • 當光線從高折射率介質進入低折射率介質(例如從水進入空氣)時,折射光線會偏離法線 (Bend away from the normal)。
  • 如果嘗試將光源放在高折射率介質中(例如半圓形玻璃內部)並逐漸增大入射角,你甚至可以觀察到全內反射 (Total Internal Reflection, TIR) 現象,此時光線將完全無法穿透邊界,而是像鏡子一樣被100%反射回來。

這完美地視覺化了物理學中的核心公式——斯涅爾定律 (Snell’s Law):n1sin(θ1)=n2sin(θ2)n_1 \sin(\theta_1) = n_2 \sin(\theta_2)

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