《光学》课程教学大纲

《光学》教学大纲课程名称：光学英文名称：Optics课程编号：F047091541学分：3总学时/课内实践学时：48/0课程性质：必修课程开课单位：数理科学与工程学院应用物理系基层教学组织适应对象：应用物理学专业课程简介《光学》是应用物理学专业学生开设的一门专业基础课。本课程是最早发展的自然科学之一，与人们生活息息相关。本课程又是物理学的重要组成部分，几何光学、物理光学、量子光学及现代光学基础。本课程以理论授课为主，并引导学生深入剖析生活中各种光学现象，进而引导学生应用创新。考核方式包括过程考核和期末考试，其中过程考核包括课上回答问题、课下作业完成情况等。通过本课程学习，使学生系统掌握光学基本理论和基本应用，培养学生基本的科学思维能力、分析计算能力和科学研究能力，激发学生科技创新、科技强国的责任感和激情，并为后续专业课程学习打下坚实基础。Opticsisaprofessionalbasiccourseforstudentsmajoringinappliedphysics.Thiscourseisoneoftheearliestdevelopednaturalsciencesandiscloselyrelatedtopeople'slife.Thiscourseisalsoanimportantpartofphysicsandanimportantpartoftheoverallknowledgestructureofoptical-relatedtalents.Themaincontentsincludegeometricoptics,physicaloptics,quantumopticsandmodernoptics.Thiscoursefocusesontheoreticalteaching,andguidesstudentstodeeplyanalyzevariousopticalphenomenainlife,andthenguidestudentstoapplyinnovation.Theassessmentmethodsincludeprocessassessmentandfinalexamination.Theprocessassessmentincludesansweringquestionsinclassandcompletinghomeworkafterclass.Throughthestudyofthiscourse,studentscansystematicallymasterthebasictheoryandapplicationofoptics,cultivatetheirbasicscientificthinkingability,analyticalandcomputationalabilityandscientificresearchability,stimulatetheirsenseofresponsibilityandpassionforscientificandtechnologicalinnovationandpower,andlayasolidfoundationforthestudyofsubsequentprofessionalcourses.课程目标思政目标：强化科学伦理教育，注重科学思维方法训练和严肃认真科学作风培养，提高学生分析和解决实际问题能力，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。掌握光学基本概念、基本定律和基本原理，了解光学现象和规律。掌握光的干涉、衍射、成像、偏振、吸收、色散、散射、波粒二象性等内在机理。熟悉光学专业知识，具备辨识和表述光学基本原理的能力，具备理论联系实际分析解决实际问题的能力。1.Ideologicalandpoliticalobjectives:strengthentheeducationofscientificethics,payattentiontothetrainingofscientificthinkingmethodsandthecultivationofseriousandseriousscientificstyle,improvestudents'abilitytoanalyzeandsolvepracticalproblems,andstimulatestudents'nationalfeelingsandmissionofservingthecountrythroughscienceandtechnology.2.Masterthebasicconcepts,lawsandprinciplesofoptics,andunderstandopticalphenomenaandlaws.3.Mastertheinternalmechanismoflightinterference,diffraction,imaging,polarization,absorption,dispersion,scattering,wave-particleduality,etc.4.Befamiliarwiththeprofessionalknowledgeofoptics,havetheabilitytoidentifyandexpressthebasicprinciplesofoptics,andhavetheabilitytocombinetheorywithpracticetoanalyzeandsolvepracticalproblems.三、课程目标与毕业要求对应关系本课程的课程目标对应用物理学专业毕业要求指标点的支撑情况如表1所示：表1课程目标与毕业要求对应关系毕业要求指标点课程目标毕业要求1：系统掌握光学知识内容和体系。毕业要求2：能够综合应用数学、电磁学、力学、计算机、光学等相关知识，正确分析解决实际问题。能够依托所学基本理论知识拓宽和更新认知。1.1具有科学的世界观，较系统和完整地掌握物理学的基本理论、基本知识和基本技能以及所需的数学、计算机、电工电子学等方面的基础知识。对物理学相关专业方向前沿、发展动态、应用前景有所了解；1-4课程教学安排课程共有24项教学内容，具体安排如下。表2：课程教学安排表序号教学内容思政元素课堂教学学时实验/实践教学学时学时小计1绪论；Chp3几何光学的基本原理§3-1几个基本概念和定律费马原理职业教育和爱国教育223Chp3几何光学的基本原理§3-1几个基本概念和定律费马原理（续）；§3-2光在平面界面上的反射和折射光导纤维223§3-3光在球面上的反射和折射§3-4光连续在几个球面界面上的折射虚物的概念224§3-5薄透镜§3-6近轴物点近轴光线成象的条件225Chp1光的干涉§1-1波动的独立性、叠加性和相干性；补充：光波数学描述226§1-2由单色波叠加形成的干涉图样227§1-3分波面双光束干涉；§1-4干涉条纹的可见度时间相干性和空间相干性228§1-5菲涅尔公式；§1-6分振幅薄膜干涉（等倾干涉）；科学精神培养229§1-7分振幅薄膜干涉（等厚干涉）；§1-10光的干涉应用举例牛顿环解决实际问题能力培养2210§1-8迈克耳孙干涉仪；§1-9法布里-珀罗干涉仪解决实际问题能力培养2211Chp2光的衍射§2-1惠更斯-菲涅耳原理§2-2菲涅耳半波带菲涅耳衍射2212§2-3夫琅禾费单缝衍射§2-4夫琅禾费圆孔衍射科学精神培养2213§2-5平面衍射光栅2214Chp4光学仪器的基本原理§4-1人眼；§4-2助视仪器的放大本领；§4-3目镜；解决实际问题能力培养2215§4-4显微镜的放大本领§4-5望远镜的放大本领2216§4-6光阑光瞳§4-7光度学概要-光能量传播§4-8物镜的聚光本领2217§4-10助视仪器的像分辨本领解决实际问题能力培养2218Chp5光的偏振§5-1自然光与偏振光§5-2线偏振光与部分偏振光2219§5-3光通过单轴晶体的双折射现象；§5-4光在晶体中的波面科学精神培养2220§5-5光在晶体中的传播方向；§5-6偏振器件2221§5-7椭圆偏振光和圆偏振光；§5-8偏振态的实验检验；§5-9偏振光的干涉2222Chp6光的吸收、散射和色散科学精神培养2223Chp7光的量子性§7-1光速的‘米’的定义§7-2经典辐射定律§7-3普朗克辐射公式科学精神培养2224§7-4光电效应§7-5爱因斯坦的量子解释Chp8现代光学基础科学精神培养22合计4848教学安排1.绪论教学要求：（1）重点掌握光学的研究内容以及光学的研究方法；（2）了解从五个时期来了解光学的发展史，并从中进一步体会光学的研究方法。重点难点：光学的研究内容和方法。思政元素：讲授光学研究方法，不同时期中外科学家对各种光学现象的发现、机理研究和应用的努力过程，培养学生敏锐观察力和科学精神，激发学生爱国情怀。教学内容：（1）光学的研究内容和方法；（2）光学发展简史：萌芽时期、几何光学时期、波动光学时期、量子光学时期、现代光学时期。2.几何光学的基本原理教学要求：理解几何光学的实验定律、费马原理、几个主要的基本概念（单心光束、物、虚物、实象、虚象、物空间几象空间）；理解光在平面和球面上的反射和折射；理解光连续在几个球面的折射——逐次成象法；掌握透镜及其成象（薄透镜成象公式，作图法求象）；了解对厚透镜情况的处理方法；理解近轴物点，近轴光线的成象条件；掌握理想光具组的基点、基面的性质和作图求象法。重点难点：面折射和反射、薄透镜、逐次成象法、象的虚实判断、薄透镜成像的几何作图。教学内容：（1）几个基本概念和定律；（2）费马原理；（3）光在平面界面上的反射和折射；（4）光在球面上的反射和折射；（5）光连续在几个球面界面上的折射虚物的概念；（6）薄透镜。3.光的干涉教学要求：了解光的电磁理论；理解光波的独立性、叠加性；掌握光波的光程、相干条件；理解光波的干涉现象及相干光源；掌握典型的干涉装置；掌握薄膜干涉及其应用；理解迈克尔逊干涉仪，了解法布里——玻罗干涉仪。重点难点：杨氏双缝干涉、薄膜干涉、牛顿环、迈克尔逊干涉仪、多光束干涉；思政元素：讲授光的干涉在计量学中的应用，引导学生勇于创新，通过大胆创新使其应用于更多领域。教学内容：（1）波动的独立性、叠加性和相干性；（2）由单色波叠加所形成的干涉花样；（3）分波面双光束干涉；（4）干涉条纹的可见度；（5）分振幅薄膜干涉（一）——等倾干涉；（6）分振幅薄膜干涉（二）——等厚干涉；（7）迈克尔逊干涉仪；（8）法布里—珀罗干涉仪多光束干涉；（9）光的干涉应用举例牛顿环。4.光的衍射教学要求：了解惠更斯一菲涅耳原理；理解菲涅耳半波带、菲涅耳圆孔，以及圆屏衍射；掌握夫琅和费（单缝，圆孔，双缝，光栅）衍射；理解光栅方程式；了解闪耀光栅。重点难点：相干与不相干、惠更斯-菲涅耳原理、菲涅耳圆孔衍射、夫琅和费单缝衍射、平面衍射光栅；思政元素：讲授普通光源实现干涉的困难，以及杨氏双缝干涉实验巧妙的设计，培养学生严谨的科学态度。教学内容：（1）惠更斯—菲涅耳原理；（2）菲涅耳半波带；（3）菲涅耳衍射；（4）夫琅和费单缝衍射；（5）夫琅和费圆孔衍射；（6）平面衍射光栅。5.光学仪器的基本原理教学要求：理解光学仪器的放大、分辨及聚光本领；理解实际光学系统的光阑；理解望远镜、显微镜等助视仪器的基本原理；了解光度学的基本概念。重点难点：光度学概念、放大本领、分辨本领。思政元素：引导学生思考、尝试设计复杂光学系统，培养学生科学精神。教学内容：（1）助视仪器的放大本领；（2）显微镜的放大本领；（3）望远镜的放大本领；（4）光阑光瞳；（5）光度学概要---光能量的传播；（6）物镜的聚光本领；（7）助视仪器的像分辨本领；（8）分光仪器的色分辨本领。6.光的偏振教学要求：掌握自然光与偏振光概念、偏振光的实验检测；理解反射和折射时的偏振、光通过晶体时的双折射现象；掌握布儒斯特定律和马吕斯定律；了解1／4波片的功用，理解偏振仪器原理；理解偏振光的干涉；了解人工双折射，旋光现象。重点难点：布儒斯特定律、马吕斯定律、晶体的双折射、波片及应用、圆偏振光和椭圆偏振光的产生。思政元素：讲授偏振光在现代光通信、传感设计、微光学等领域的应用，培养学生科学精神。教学内容：（1）自然光与偏振光；（2）线偏振光与部分偏振光；（3）光通过单轴晶体时的双折射现象；（4）光在晶体中的波面；（5）光在晶体中的传播方向；（6）偏振器件；（7）椭圆偏振光和圆偏振光；（8）偏振态的实验检验。7.光的吸收、色散和散射教学要求：理解光的吸收、色散、散射的经典解释。重点难点：光的吸收、色散和散射。思政元素：讲授大气中光的吸收、散射和色散与空气污染之间的内在联系，引导学生根据光强变化来定性或定量判断空气污染程度，培养学生科学精神。教学内容：（1）光的吸收；（2）光的散射；（3）光的色散。8.光的量子性教学要求：了解热辐射、基尔霍夫定律；理解黑