《光学》教学大纲

光学 教学大纲 一 说明说明 1 课程的性质 地位和任务 课程的性质 地位和任务 光学是一门历史悠久的学科 是普通物理学的一个重要组成部 分 是研究光的本性 光的传播和光与物质相互作用的基础学科 它与近代物理 电动力学和量子力学等后继课程有密切的关系 人类认识世界是从感性到理性 而感性认识是客观世界通过眼 耳 鼻 舌 身这五个感官反映到人的头脑中形成的 而人们的信 息有 90 是通过视觉来获取的 而视学的产生必须借助于发自物体 的光 从原始时代起 人们就注意观察自然界中各种变幻无常的光 学现象 并不断总结蕴藏在其中的物理规律 随着生产力的发展和 科学技术的进步 光学科学与技术也获得相应的进展 今天 光学 在应用技术方面的发展已成为一个国家国民经济建设和军事国防建 设中的重要环节 成为衡量这个国家先进程度的主要指标之一 有 些科学家还预言 21 世纪的科学技术将以 光电子学 或称 光子 学 为主要支柱 可见光学在今后发展中所占有的重要地位 从历史的发展过程来看 光学的发展与物理学其它分支学科的 发展相互交织 相互促进 这在近代物理学的发展中尤其明显 在 20 世纪初一场物理学发展到近代物理学的重大变革中 光学现象及 其规律的研究起了关键性的作用 尤其在 20 世纪 60 年代 激光的 出现 推动了光学领域的迅猛发展 光学也渗透到各个领域 并出 现许多分支及交叉学科 随着人们对光学现象本质的认识不断深化 光学研究成果在工业 军事及高技术方面的应用也不断发展 课程性质 专业基础课 先修课程 高等数学 电磁学 总学时 60 学时学分 3 5 理论学时 60 学时实验或讨论学时 无 开课学院 物理与电子信息学院适用专业 物理学 大纲执笔人 冯霞大纲编写时间 2006 年 8 月 教研室主任审核 钱长炎 教学院长审定 王元航 光学的发展历史也是人类唯物辨证地认识客观世界的过程 因 而学习该课程亦有利于培养学生辩证唯物主义的世界观和科学的方 法论 光学作为基础性的学科不仅有其本身的学术性 而且还具有 极强的应用性 它的进展和成就将在科学进步和国民经济的发展中 发挥越来越大的作用 大纲中标有 号的章节为略讲 不讲或学生自学内容 2 课程教学的基本要求 课程教学的基本要求 1 在保证该课程教学的科学性和系统性的前提下 着重突出 光学基本概念 基本知识和基本技能 作为教学的重点内容 要求 学生牢固掌握并熟练运用 2 课堂讲授实行启发式 力求做到少而精 突出重点 并注 意将培养和提高学生的分析问题和解决问题的能力放在重要位置 3 坚持课后练习是教好 学好本门课程的关键 在整个教学 过程中 将根据正常教学进度布置一定量的课后作业 要求学生按 时完成 3 本课程的重点与难点 本课程的重点与难点 重点 干涉 衍射现象及其计算方法 光的偏振性 难点 菲涅耳公式及光的偏振性 二 课堂教学时数及课后作业题型分配 含数量 二 课堂教学时数及课后作业题型分配 含数量 课 后 作 业 章 目教 学 内 容 教 学 时 数 教学方式 或 手 段思 考 题练 习 题 绪论1讲授 一光和光的传播5讲授 二几何光学成像9讲授 三 干涉12讲授 四衍射12讲授 五变换光学与全息照相0 六偏振10讲授 七 光与物质的相互作用 光的量子性 4讲授 主要单元小结4讲授 机动3 合 计60 三 本文三 本文 一 课程理论教学 绪论绪论 说明 1 学时 教学目的教学目的 1 介绍光学的研究内容及方法 2 简单介绍光学的发展历史 第一章第一章 光和光的传播光和光的传播 1 1 光和光学 1 2 光的几何光学传播规律 1 3 惠更斯原理 1 4 费马原理 1 5 光度学的基本概念 说明 约 5 学时 教学目的教学目的 1 明确光波是一种电磁波 它是电磁波中的一小部分 即其中 的可见光部分 2 认识光的本性 明确光强的概念 3 掌握几何光学三定律及惠更斯原理 4 理解光程的意义和费马原理的物理意义 能由费马原理导出 几何光学三定律 5 了解光度学的基本概念 6 掌握光度学的基本单位 重点难点重点难点 认识光的本性 明确光强的概念 第二章第二章 几何光学成像几何光学成像 2 1 成像 2 2 共轴球面组傍轴成像 2 3 薄透镜 2 4 理想光具组理论 2 5 光学仪器 2 6 光阑 2 7 像差 2 8 像的亮度 照度和主观亮度 说明 约 9 学时 教学目的教学目的 1 明确光线的概念 了解几何光学的应用范围 阐明光线 物 像等概念 2 掌握几何光学的基本实验定律 了解单心光束和像散光束 实像和虚像 物像的概念 4 掌握几何光学的符号法则 并会正确运用 5 会用费马原理导出在近轴条件下光在单球面上的反射和折射 成像公式 并会运用公式进行正确的运算及解决相应的问题 6 会用费马原理导出在近轴 近物条件下光在单球面上的反射 和折射成像公式 并会运用公式进行正确的运算及解决相应的问题 弄清横向放大率的概念 7 阐明薄透镜的物象公式和任意光线作图求像法 8 掌握基点 基面的物理意义 能用作图法求出复合光具组成 象 初步了解理想光具组理论 9 会应用几何光学及物理光学的知识求解光学仪器的放大本领 及分辨本领 10 了解光阑及像差的概念 11 初步了解成像的光度学问题 重点难点重点难点 重点 1 几何光学的符号法则 并会正确运用 2 会用费马原理导出在近轴 近物条件下光在单球面上的反射 和折射成像公式 并会运用公式进行正确的运算及解决相应的问题 难点 复合光具组基点 基面的物理意义及作图法 第三章第三章 干涉干涉 3 1 波的叠加与干涉 3 2 杨氏实验 光场的空间相干性 3 3 薄膜干涉 一 等厚条纹 3 4 薄膜干涉 二 等倾条纹 3 5 迈克耳逊干涉仪 光场的时间相干性 3 6 多光束干涉 法布里 砶罗干涉仪 说明 约 12 学时 教学目的教学目的 1 明确波的叠加与光的干涉现象 2 明确产生干涉现象的条件 3 掌握光的独立性 叠加性和相干性 明确获得相干光源方法 的特殊性及原因 4 掌握分波振面法干涉 掌握双光束干涉及其典型实验装置 并能熟练掌握其应用方法来解决实验问题 5 掌握分振幅法干涉 区分等倾干涉和等厚干涉 6 掌握等厚干涉的应用 熟练掌握薄膜干涉 劈尖干涉 牛顿 环 7 掌握等倾干涉的应用 掌握迈克尔逊干涉仪的原理及运用方 法 8 理解光源的时间相干性和空间相干性的含义及定量分析 9 明确多光束干涉的基本原理及其应用 法布里 砶罗干涉 仪装置 重点难点重点难点 重点 1 光的独立性 叠加性和相干性 获得相干光源方法的特殊性 及原因 2 双光束干涉及其典型实验装置 并能熟练掌握其应用方法来 解决实验问题 3 区分等倾干涉和等厚干涉及其应用 难点 1 光源的时间相干性和空间相干性的含义及定量分析 2 多光束干涉的基本原理及其应用 3 等倾干涉和等厚干涉区别 第四章第四章 衍射衍射 4 1 光的衍射现象和惠更斯 菲涅耳原理 4 2 菲涅耳圆孔衍射和圆屏衍射 4 3 夫琅和费单缝衍射和矩孔衍射 4 4 光学仪器的像分辨本领 4 5 多缝夫琅禾费衍射和光栅 4 6 光栅光谱仪 4 7 三维光栅 X 射线在晶体上的衍射 说明 约 12 学时 教学目的教学目的 1 明确光的衍射现象及其分类 2 通过演示实验或图片手段对光的衍射有一主观的认识 了解 菲涅耳衍射和夫琅和费衍射的区别 3 熟练掌握惠更斯 菲涅耳原理 学会运用这一原理分析说明 光的衍射现象 4 掌握半波带的概念及其划分方法 5 能运用半波带法和振幅矢量合成法解释菲涅耳圆孔和圆屏衍 射现象 了解环状波带片的原理和应用 6 着重阐明夫琅和费圆孔衍射和单缝衍射 了解解析法推导夫 琅和费单缝衍射光强公式 掌握圆孔衍射中央亮斑的运算公式 明 确爱里斑的性质及重要性 掌握瑞利判据的运用 6 熟练掌握单缝衍射方程及应用 7 掌握目视光学仪器的像的分辨本领或最小分辨角 8 阐明光栅方程的导出及其物理意义 能熟练运用光栅方程解 决实际问题 掌握光栅光谱的产生及光栅光谱分辨率的计算 9 了解 X 光晶体衍射 10 通过对干涉和衍射的学习 了解干涉和衍射的联系 区别 重点难点重点难点 重点 1 惠更斯 菲涅耳原理 运用这一原理分析说明光的衍射现象 2 半波带的概念及其划分方法 3 夫琅和费圆孔衍射和单缝衍射 单缝衍射方程及应用 4 目视光学仪器的像的分辨本领或最小分辨角 5 光栅方程的导出及其物理意义 光栅光谱的产生及光栅光谱 分辨率的计算 难点 1 半波带的概念及其划分方法 2 利用惠更斯 菲涅耳积分定量计算衍射问题 第五章第五章 变换光学与全息照相变换光学与全息照相 略略 第六章第六章 偏振偏振 6 1 光的横波性与五种偏振光 6 2 光在电介质表面的反射和折射 菲涅耳公式 6 3 双折射 6 4 晶体光学器件 圆偏振光和椭圆偏振光的获得与检验基础 6 5 偏振光的干涉及其应用 6 6 旋光 说明 约 10 学时 教学目的教学目的 1 掌握自然光与偏振光的特点和性质 明确光的横波性与五种 偏振光 2 了解菲涅耳公式的推导及公式形式 会运用菲涅耳公式解释 光在界面上的反射和折射的性质 3 熟练掌握马吕斯定律及其应用 4 正确理解单轴晶体的性质 明确光通过单轴晶体时的双折射 现象 5 会运用惠更斯原理 用作图法描述出光在晶体中传播的规律 并确定光有晶体中的传播方向 6 了解偏振元件的制作方法及其原理 7 了解波晶片的含义 明确椭圆偏振光 圆偏振光的产生 特 点及性质 掌握 1 4 波片的性质及作用 8 初步掌握偏振光的干涉 了解美丽的干涉色 9 了解旋光特性及旋光物质 重点难点重点难点 重点 1 自然光与偏振光的特点和性质 2 运用菲涅耳公式解释光在界面上的反射和折射的性质 3 马吕斯定律及其应用 4 单轴晶体的性质 明确光通过单轴晶体时的双折射现象 5 运用惠更斯原理 用作图法描述出光在晶体中传播的规律并 确定光有晶体中的传播方向 6 椭圆偏振光 圆偏振光的产生 特点及性质 以及 1 4 波片 的性质及作用 7 偏振光的干涉 难点 1 运用菲涅耳公式解释光在界面上的反射和折射的性质 2 运用惠更斯原理 用作图法描述出光在晶体中传播的规律并 确定光有晶体中的传播方向 3 椭圆偏振光 圆偏振光的产生 特点及性质 以及 1 4 波片 的性质及作用 4 偏振光的干涉 第七章第七章 光和物质相互作用光和物质相互作用 光的量子性光的量子性 说明 约 4 学时 由于课时所限 本篇内容将不按照书中章节一一讲解 只作概 要的介绍 具体内容为 教学目的教学目的 1 介绍量子论的发展过程 2 了解热辐射 基尔霍夫定律 了解绝对黑体及其辐射定 律 3 正确理解普朗克假说及普朗克公式 正确理解爱因斯坦 的光量子假说 掌握光电效应 康普顿效应及应用 4 认识光的波 粒二象性 5 简单介绍现代光学中激光 全息光学及非线性光学的形 成和发展 6 简单介绍光学在现代科技发展中的应用及光学最新发展 课程考试课程考试 本课程考核方法为理论考试 形式为笔试