《光學》教學大綱

1、光學教學大綱課程編號：102106課程名稱：光學英文名稱：Optics學分：4總學時：72實驗（上機）學時：適用年級專業(yè)（學科類）：物理專業(yè)及相關(guān)專業(yè),二年級第一、二學期一、課程說明（一）編寫本大綱的指導(dǎo)思想為適應(yīng)我校學分制教學計劃的要求，體現(xiàn)科學性、思想性和實踐性的基本要求，建立嚴謹?shù)慕虒W體系，特制定本大綱。（二）課程目的和要求光學是普通物理中一個重要組成部分.通過本門課程的教學，使學生系統(tǒng)地掌握光的基本性質(zhì),基本原理和基本知識。培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，本門課程一方面為后繼課程的學習和專業(yè)訓練提供必要的準備，另一方為學生將來從事科學研究,教學和其他工作打下良好的基礎(chǔ)。作為物理學的基

2、本課程，應(yīng)著重要求學生掌握物理學的基本概念和基本規(guī)律,使學生建立起鮮明的物理圖象。在教學中，還應(yīng)通過分析、概括豐富的自然現(xiàn)象,聯(lián)系科學發(fā)展和生產(chǎn)實際中的有關(guān)事例,注意采用演示實驗、多媒體教學等手段，以及加強習題運算,課堂討論等多種形式,貫徹理論聯(lián)系實際的原則.了解光學的最新發(fā)展，體會到綜合運用基礎(chǔ)物理學知識聯(lián)系實際、思索問題和解決問題的樂趣。（三）教學的重點、難點： 重點:共軸球面組成像 光的干涉、衍射和偏振的基本原理及典型應(yīng)用。 難點:運用菲涅耳公式解釋半波損失問題 偏振光的干涉 旋光現(xiàn)象解釋。（四）知識范圍及與相關(guān)課程的關(guān)系本課程研究光的傳播規(guī)律以及光和物質(zhì)相互作用問題. 學習本課程，應(yīng)具

3、備高等數(shù)學、力學及電磁學的基本理論。同時本課程又與原子物理、電動力學、量子力學、激光原理、光纖通信、信息光電子學等后繼課程有密切關(guān)系。（五）教材及教學參考書的選用1、光學(上、下冊, 趙凱華 鐘錫華,北京大學出版社，1996第五次印刷；2、光學，易明，高等教育出版社，1999年10月第一版； 3、光學，章志鳴 沈元華等，高等教育出版社，1995年5月第一版；4、光學，王楚 湯俊雄，北京大學出版社，2001年7月第一版；5、光學，母國光 戰(zhàn)元令編， 人民教育出版社， 1979。6、光學題解指導(dǎo)，鐘錫華 駱武剛編著， 電子工業(yè)出版社， 1985；7、Optics，E.Hecht,A.Zajac，A

4、ddision-Wesley Publishing Company，1974.8、光學教程，姚啟鈞，高等教育出版社，1986。二、課程內(nèi)容緒 論教學目的和要求: 了解光學的發(fā)展和光的本性問題課程內(nèi)容 ：光的本性 光源和光譜 光學的研究對象、分支與應(yīng)用。 學時: 2學時主要教學環(huán)節(jié)的組織:課堂教學第一章 幾何光學教學目的和要求:1. 掌握幾何光學的基本規(guī)律.2. 理解惠更斯原理和費馬原理,掌握光程的概念.3. 掌握共軸球面組和薄透鏡成像的物象關(guān)系公式及作圖法.4. 深入理解共軸理想光具組基點和基面的物理意義,掌握其作圖法.5. 了解各光學儀器的特性.課程內(nèi)容: 幾何光學基本定律 惠更斯原理 費馬

5、原理 共軸球面組傍軸成象 理想光具組理論 光學儀器 光度學基本概念學時：9學時主要教學環(huán)節(jié)的組織:課堂教學和討論 思考題:1. 為什么透過茂密樹葉縫隙投射到地面的陽光形成圓形光斑?你能設(shè)想在日偏食的情況下這種光斑的形狀有變化嗎?2. 惠更斯原理是否適用于空氣中的聲波?你是否期望聲波也服從和聲波一樣的反射和折射定律?3. 若光線1,2相交于P點,經(jīng)過一理想光具組后,它們的共軛光線是否一定相交?4. 凸透鏡是否一定為會聚透鏡?5. 一般說來, 理想光具組能保持不與光軸垂直的平面內(nèi)幾何圖形的相似性嗎? 為什么？6. 調(diào)節(jié)顯微鏡時鏡筒作整體移動,而不改變筒長, 調(diào)節(jié)望遠鏡時,需要調(diào)節(jié)目鏡和物鏡的距離?

6、第二章 波動光學基本原理教學目的和要求:1. 掌握平面波和球面波的特點及其復(fù)振幅描述.2. 理解波前的概念.3. 掌握光的相干條件,雙光束干涉的光強分布公式及其特點.4. 理解惠更斯-菲涅耳原理以及菲涅耳積分表達式的意義.5. 掌握菲涅耳圓孔衍射和圓屏衍射的半波帶法以及矢量圖解法,能解釋其主要衍射特征, 掌握菲涅耳波帶片在軸上的光強分布特點.6. 掌握夫瑯和費單縫和矩孔衍射強度分布公式及單縫衍射因子的特點.7. 了解瑞利判據(jù)及其應(yīng)用.8. 了解五種偏振光, 掌握布儒斯特定律.9. 了解菲涅耳公式及光在電介質(zhì)表面反射和折射的主要性質(zhì). 掌握馬呂斯定律.課程內(nèi)容:定態(tài)光波和復(fù)振幅描述 波前 波的迭

7、加和波的干涉 兩個點源的干涉 惠更斯-菲涅耳原理 菲涅耳衍射 夫瑯和費衍射 光學儀器的像分辨本領(lǐng) 光的橫波性和五種偏振態(tài) 菲涅耳公式及光在電介質(zhì)表面反射和折射的主要性質(zhì) 學時：20學時主要教學環(huán)節(jié)的組織:課堂教學 課堂討論 演示實驗 小測驗思考題:1.比較球面波向平面波過渡的遠場條件和傍軸條件.什么情況下遠場條件蘊含了傍軸條件? 什么情況下傍軸條件蘊含了遠場條件?有人說,相干迭加服從波的迭加原理;非相干迭加不服從波的迭加原理.對嗎?2.在楊氏雙孔實驗中, 雙孔間距縮小,干涉條紋有何變化?3.在楊氏雙孔實驗中,用白光照明,將出現(xiàn)怎樣的干涉圖樣?4.俗話說:“隔著門縫看人-把人看邊扁了”、“隔墻有

8、耳”, 從波動光學的角度看,這寫話有道理嗎?5.為什么圓孔衍射圖樣的中心強度作亮暗交替變化? 而圓屏衍射圖樣的中心強度卻作單調(diào)變化?6.菲涅耳波帶片的次焦點和主焦點光強之比是多少?7.菲涅耳圓孔衍射圖樣的中心點可能是亮的,也可能是暗的,而夫瑯和費圓孔衍射圖樣的中心點總是亮的.這是為什么?8.自然光和圓偏振光都可以看成等幅垂直偏振光的合成,它們之間的主要區(qū)別是什么?部分偏振光和橢圓偏振光呢?10. 當一束光投射在兩種透明介質(zhì)的分界面上時,會發(fā)生只有透射而無反射的情況嗎?第三章 干涉裝置 光場的時空相干性教學目的和要求:1. 掌握分波前干涉裝置中條紋分布特點,理解光場的空間相干性的概念.2. 掌握

9、等厚干涉和等傾干涉的基本概念、理論及應(yīng)用.3. 了解邁克爾孫干涉儀和法布里-泊羅干涉儀的原理及應(yīng)用。 理解光場的時間相干性。掌握多光束干涉的特點.課程內(nèi)容:分波前干涉裝置 光場的空間相干性 分振幅干涉裝置 薄膜干涉 邁克耳孫干涉儀 法布里-泊羅干涉儀 光場的時間相干性 多光束干涉及其應(yīng)用 學時: 12學時主要教學環(huán)節(jié)的組織:課堂教學 課堂討論 演示實驗 小測驗思考題:1.在許多分波前干涉裝置中,我們發(fā)現(xiàn)條紋不是等亮的。亮紋的強度似乎受某種因子所調(diào)制而有一種緩慢的起伏.試解釋這種現(xiàn)象.2.試解釋教材中圖2-12所示現(xiàn)象.3.可以采用什么方法來檢驗精密機械零件表面的光潔度?4.在傍軸條件下, 等傾

10、干涉條紋的半徑與干涉級數(shù)有怎樣的依賴關(guān)系?牛頓環(huán)的情況怎樣?二者有區(qū)別嗎?5.在邁克耳孫干涉儀的調(diào)節(jié)中,(1當反射鏡M1平移時,如何判斷等效的空氣層在增厚還是減薄? (2當你看到直線條紋時,怎樣判斷等效的空氣層哪邊厚哪邊薄?7. 多光束干涉與雙光束干涉相比,二者在處理方法和強度分布方面有什么共同和不同之處?干涉條紋各有什么特點?第四章 衍射光柵教學目的和要求:1. 掌握多縫夫瑯和費衍射強度分布公式及特點。 2. 理解光柵光譜儀的分光原理及性能指標。3. 了解X射線在晶體上的衍射課程內(nèi)容:多縫夫瑯和費衍射 黑白光柵和正弦光柵 光柵光譜儀 三維光柵- X射線在晶體上的衍射學時: 6學時主要教學環(huán)節(jié)

11、的組織:課堂教學 課堂討論 小測驗思考題:1. 為什么dsin是縫間干涉因子的主極強條件,而asin確是單縫衍射的暗紋條件?2. N縫衍射裝置中入射光能流比單縫大N倍,而主極強卻大N2倍,這違反能量守恒嗎?3. 為了提高光柵的色散本領(lǐng)和色分辨本領(lǐng),既要求光柵刻線很密(即d小,又要求刻線總數(shù)很多(即N大. 怎樣理解N增大并不能提高光柵的色散本領(lǐng)? 怎樣理解d減小時雖然擴大兩條譜線的角間隔,卻不能提高光柵的色分辨本領(lǐng)?第五章 傅里葉變換光學第六章 全息照相 教學目的和要求:了解全息照相的過程、原理及特點 。 課程內(nèi)容:全息照相的過程 原理及特點學時：2學時主要教學環(huán)節(jié)的組織:課堂教學思考題:1.

12、為什么全息術(shù)對光源的時間相干性有較高要求?在布置全息紀錄的光路時,人們常常注意讓參考光路和物光路到達紀錄介質(zhì)的光程盡量相近,這是為什么? 為什么全息臺要有很好的防震設(shè)備?第七章 光在晶體中的傳播教學目的和要求:1. 了解雙折射現(xiàn)象和基本規(guī)律。2. 能夠運用惠更斯作圖法分析光在單軸晶體中的雙折射情況.3. 掌握雙折射現(xiàn)象的典型應(yīng)用-晶體器偏振和波晶片.4. 掌握圓偏振光和橢圓偏振光的獲得和檢驗.5. 理解偏振光干涉的基本原理,能夠計算簡單情況下的強度分布.6. 了解人為雙折射現(xiàn)象.7. 了解旋光現(xiàn)象.課程內(nèi)容:雙折射 晶體光學器件 圓偏振光和橢圓偏振光的獲得和檢驗 偏振光的干涉及其應(yīng)用 旋光學時

13、：12學時主要教學環(huán)節(jié)的組織:課堂教學 課堂討論 演示實驗 小測驗思考題:1. 當單軸晶體的光軸與表面呈一定角度時,一束與光軸方向平行的光入射到晶體表面之內(nèi)時,它是否會發(fā)生雙折射?2. 分析渥拉斯頓棱鏡中雙折射光線的傳播方向和振動方向.3. 在一對正交的偏振片之間放一塊四分之一波片,以自然光入射.(1 轉(zhuǎn)動四分之一波片的光軸方向時,出射光的強度怎樣變化?有無消光現(xiàn)象?(2 如果有強度極大和消光現(xiàn)象,它們在四分之一波片的光軸處于什么方向時出現(xiàn)?這時從四分之一波片出射光的偏振態(tài)如何?4. 如何區(qū)分自然光和圓偏振光? 如何區(qū)分部分偏振光和橢圓偏振光?5. 在偏振光干涉裝置中,其分光束的器件是什么?

14、其分割光束的方式是分波前還是分振幅?6. 教材中第213頁思考題6.7.當線偏振光正入射到菲涅耳復(fù)合棱鏡中時, 分析線偏振光分解成的左旋圓偏振光和右圓偏振光傳播方向分開的原因.第八章 光的吸收 色散和散射教學目的和要求:1. 掌握光的吸收的線性規(guī)律,理解復(fù)折射率、普遍吸收和選擇系數(shù)的意義。2. 掌握正常色散和反常色散的特點.3. 理解群速的概念.4. 掌握瑞利散射定律 及喇曼散射的特征。課程內(nèi)容:光的吸收 正常色散 反常色散 色散曲線 群速和相速 光的散射 瑞利散射 喇曼散射 學時：4學時主要教學環(huán)節(jié)的組織:課堂教學思考題:1.為什么由點燃的香煙冒出的煙是淡藍的?而吸煙者口中吐出的煙卻呈白色?2. 汽車上的霧燈為什么選用桔紅色?第九章 光的量子性 激光教學目的和要求:1. 了解熱輻射現(xiàn)象及普朗克能量子假