《光學(xué)》課程教學(xué)大綱

《光學(xué)》教學(xué)大綱課程名稱：光學(xué)英文名稱：Optics課程編號：F047091541學(xué)分：3總學(xué)時(shí)/課內(nèi)實(shí)踐學(xué)時(shí)：48/0課程性質(zhì)：必修課程開課單位：數(shù)理科學(xué)與工程學(xué)院應(yīng)用物理系基層教學(xué)組織適應(yīng)對象：應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)課程簡介《光學(xué)》是應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程是最早發(fā)展的自然科學(xué)之一，與人們生活息息相關(guān)。本課程又是物理學(xué)的重要組成部分，幾何光學(xué)、物理光學(xué)、量子光學(xué)及現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)。本課程以理論授課為主，并引導(dǎo)學(xué)生深入剖析生活中各種光學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新?？己朔绞桨ㄟ^程考核和期末考試，其中過程考核包括課上回答問題、課下作業(yè)完成情況等。通過本課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生系統(tǒng)掌握光學(xué)基本理論和基本應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生基本的科學(xué)思維能力、分析計(jì)算能力和科學(xué)研究能力，激發(fā)學(xué)生科技創(chuàng)新、科技強(qiáng)國的責(zé)任感和激情，并為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。Opticsisaprofessionalbasiccourseforstudentsmajoringinappliedphysics.Thiscourseisoneoftheearliestdevelopednaturalsciencesandiscloselyrelatedtopeople'slife.Thiscourseisalsoanimportantpartofphysicsandanimportantpartoftheoverallknowledgestructureofoptical-relatedtalents.Themaincontentsincludegeometricoptics,physicaloptics,quantumopticsandmodernoptics.Thiscoursefocusesontheoreticalteaching,andguidesstudentstodeeplyanalyzevariousopticalphenomenainlife,andthenguidestudentstoapplyinnovation.Theassessmentmethodsincludeprocessassessmentandfinalexamination.Theprocessassessmentincludesansweringquestionsinclassandcompletinghomeworkafterclass.Throughthestudyofthiscourse,studentscansystematicallymasterthebasictheoryandapplicationofoptics,cultivatetheirbasicscientificthinkingability,analyticalandcomputationalabilityandscientificresearchability,stimulatetheirsenseofresponsibilityandpassionforscientificandtechnologicalinnovationandpower,andlayasolidfoundationforthestudyofsubsequentprofessionalcourses.課程目標(biāo)思政目標(biāo)：強(qiáng)化科學(xué)倫理教育，注重科學(xué)思維方法訓(xùn)練和嚴(yán)肅認(rèn)真科學(xué)作風(fēng)培養(yǎng)，提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問題能力，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)。掌握光學(xué)基本概念、基本定律和基本原理，了解光學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律。掌握光的干涉、衍射、成像、偏振、吸收、色散、散射、波粒二象性等內(nèi)在機(jī)理。熟悉光學(xué)專業(yè)知識，具備辨識和表述光學(xué)基本原理的能力，具備理論聯(lián)系實(shí)際分析解決實(shí)際問題的能力。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、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求對應(yīng)關(guān)系本課程的課程目標(biāo)對應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐情況如表1所示：表1課程目標(biāo)與畢業(yè)要求對應(yīng)關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)畢業(yè)要求1：系統(tǒng)掌握光學(xué)知識內(nèi)容和體系。畢業(yè)要求2：能夠綜合應(yīng)用數(shù)學(xué)、電磁學(xué)、力學(xué)、計(jì)算機(jī)、光學(xué)等相關(guān)知識，正確分析解決實(shí)際問題。能夠依托所學(xué)基本理論知識拓寬和更新認(rèn)知。1.1具有科學(xué)的世界觀，較系統(tǒng)和完整地掌握物理學(xué)的基本理論、基本知識和基本技能以及所需的數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、電工電子學(xué)等方面的基礎(chǔ)知識。對物理學(xué)相關(guān)專業(yè)方向前沿、發(fā)展動(dòng)態(tài)、應(yīng)用前景有所了解；1-4課程教學(xué)安排課程共有24項(xiàng)教學(xué)內(nèi)容，具體安排如下。表2：課程教學(xué)安排表序號教學(xué)內(nèi)容思政元素課堂教學(xué)學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐教學(xué)學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)小計(jì)1緒論；Chp3幾何光學(xué)的基本原理§3-1幾個(gè)基本概念和定律費(fèi)馬原理職業(yè)教育和愛國教育223Chp3幾何光學(xué)的基本原理§3-1幾個(gè)基本概念和定律費(fèi)馬原理（續(xù)）；§3-2光在平面界面上的反射和折射光導(dǎo)纖維223§3-3光在球面上的反射和折射§3-4光連續(xù)在幾個(gè)球面界面上的折射虛物的概念224§3-5薄透鏡§3-6近軸物點(diǎn)近軸光線成象的條件225Chp1光的干涉§1-1波動(dòng)的獨(dú)立性、疊加性和相干性；補(bǔ)充：光波數(shù)學(xué)描述226§1-2由單色波疊加形成的干涉圖樣227§1-3分波面雙光束干涉；§1-4干涉條紋的可見度時(shí)間相干性和空間相干性228§1-5菲涅爾公式；§1-6分振幅薄膜干涉（等傾干涉）；科學(xué)精神培養(yǎng)229§1-7分振幅薄膜干涉（等厚干涉）；§1-10光的干涉應(yīng)用舉例牛頓環(huán)解決實(shí)際問題能力培養(yǎng)2210§1-8邁克耳孫干涉儀；§1-9法布里-珀羅干涉儀解決實(shí)際問題能力培養(yǎng)2211Chp2光的衍射§2-1惠更斯-菲涅耳原理§2-2菲涅耳半波帶菲涅耳衍射2212§2-3夫瑯禾費(fèi)單縫衍射§2-4夫瑯禾費(fèi)圓孔衍射科學(xué)精神培養(yǎng)2213§2-5平面衍射光柵2214Chp4光學(xué)儀器的基本原理§4-1人眼；§4-2助視儀器的放大本領(lǐng)；§4-3目鏡；解決實(shí)際問題能力培養(yǎng)2215§4-4顯微鏡的放大本領(lǐng)§4-5望遠(yuǎn)鏡的放大本領(lǐng)2216§4-6光闌光瞳§4-7光度學(xué)概要-光能量傳播§4-8物鏡的聚光本領(lǐng)2217§4-10助視儀器的像分辨本領(lǐng)解決實(shí)際問題能力培養(yǎng)2218Chp5光的偏振§5-1自然光與偏振光§5-2線偏振光與部分偏振光2219§5-3光通過單軸晶體的雙折射現(xiàn)象；§5-4光在晶體中的波面科學(xué)精神培養(yǎng)2220§5-5光在晶體中的傳播方向；§5-6偏振器件2221§5-7橢圓偏振光和圓偏振光；§5-8偏振態(tài)的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)；§5-9偏振光的干涉2222Chp6光的吸收、散射和色散科學(xué)精神培養(yǎng)2223Chp7光的量子性§7-1光速的‘米’的定義§7-2經(jīng)典輻射定律§7-3普朗克輻射公式科學(xué)精神培養(yǎng)2224§7-4光電效應(yīng)§7-5愛因斯坦的量子解釋Chp8現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)精神培養(yǎng)22合計(jì)4848教學(xué)安排1.緒論教學(xué)要求：（1）重點(diǎn)掌握光學(xué)的研究內(nèi)容以及光學(xué)的研究方法；（2）了解從五個(gè)時(shí)期來了解光學(xué)的發(fā)展史，并從中進(jìn)一步體會(huì)光學(xué)的研究方法。重點(diǎn)難點(diǎn)：光學(xué)的研究內(nèi)容和方法。思政元素：講授光學(xué)研究方法，不同時(shí)期中外科學(xué)家對各種光學(xué)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、機(jī)理研究和應(yīng)用的努力過程，培養(yǎng)學(xué)生敏銳觀察力和科學(xué)精神，激發(fā)學(xué)生愛國情懷。教學(xué)內(nèi)容：（1）光學(xué)的研究內(nèi)容和方法；（2）光學(xué)發(fā)展簡史：萌芽時(shí)期、幾何光學(xué)時(shí)期、波動(dòng)光學(xué)時(shí)期、量子光學(xué)時(shí)期、現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期。2.幾何光學(xué)的基本原理教學(xué)要求：理解幾何光學(xué)的實(shí)驗(yàn)定律、費(fèi)馬原理、幾個(gè)主要的基本概念（單心光束、物、虛物、實(shí)象、虛象、物空間幾象空間）；理解光在平面和球面上的反射和折射；理解光連續(xù)在幾個(gè)球面的折射——逐次成象法；掌握透鏡及其成象（薄透鏡成象公式，作圖法求象）；了解對厚透鏡情況的處理方法；理解近軸物點(diǎn)，近軸光線的成象條件；掌握理想光具組的基點(diǎn)、基面的性質(zhì)和作圖求象法。重點(diǎn)難點(diǎn)：面折射和反射、薄透鏡、逐次成象法、象的虛實(shí)判斷、薄透鏡成像的幾何作圖。教學(xué)內(nèi)容：（1）幾個(gè)基本概念和定律；（2）費(fèi)馬原理；（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）光連續(xù)在幾個(gè)球面界面上的折射虛物的概念；（6）薄透鏡。3.光的干涉教學(xué)要求：了解光的電磁理論；理解光波的獨(dú)立性、疊加性；掌握光波的光程、相干條件；理解光波的干涉現(xiàn)象及相干光源；掌握典型的干涉裝置；掌握薄膜干涉及其應(yīng)用；理解邁克爾遜干涉儀，了解法布里——玻羅干涉儀。重點(diǎn)難點(diǎn)：楊氏雙縫干涉、薄膜干涉、牛頓環(huán)、邁克爾遜干涉儀、多光束干涉；思政元素：講授光的干涉在計(jì)量學(xué)中的應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生勇于創(chuàng)新，通過大膽創(chuàng)新使其應(yīng)用于更多領(lǐng)域。教學(xué)內(nèi)容：（1）波動(dòng)的獨(dú)立性、疊加性和相干性；（2）由單色波疊加所形成的干涉花樣；（3）分波面雙光束干涉；（4）干涉條紋的可見度；（5）分振幅薄膜干涉（一）——等傾干涉；（6）分振幅薄膜干涉（二）——等厚干涉；（7）邁克爾遜干涉儀；（8）法布里—珀羅干涉儀多光束干涉；（9）光的干涉應(yīng)用舉例牛頓環(huán)。4.光的衍射教學(xué)要求：了解惠更斯一菲涅耳原理；理解菲涅耳半波帶、菲涅耳圓孔，以及圓屏衍射；掌握夫瑯和費(fèi)（單縫，圓孔，雙縫，光柵）衍射；理解光柵方程式；了解閃耀光柵。重點(diǎn)難點(diǎn)：相干與不相干、惠更斯-菲涅耳原理、菲涅耳圓孔衍射、夫瑯和費(fèi)單縫衍射、平面衍射光柵；思政元素：講授普通光源實(shí)現(xiàn)干涉的困難，以及楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)巧妙的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。教學(xué)內(nèi)容：（1）惠更斯—菲涅耳原理；（2）菲涅耳半波帶；（3）菲涅耳衍射；（4）夫瑯和費(fèi)單縫衍射；（5）夫瑯和費(fèi)圓孔衍射；（6）平面衍射光柵。5.光學(xué)儀器的基本原理教學(xué)要求：理解光學(xué)儀器的放大、分辨及聚光本領(lǐng)；理解實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的光闌；理解望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡等助視儀器的基本原理；了解光度學(xué)的基本概念。重點(diǎn)難點(diǎn)：光度學(xué)概念、放大本領(lǐng)、分辨本領(lǐng)。思政元素：引導(dǎo)學(xué)生思考、嘗試設(shè)計(jì)復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神。教學(xué)內(nèi)容：（1）助視儀器的放大本領(lǐng)；（2）顯微鏡的放大本領(lǐng)；（3）望遠(yuǎn)鏡的放大本領(lǐng)；（4）光闌光瞳；（5）光度學(xué)概要---光能量的傳播；（6）物鏡的聚光本領(lǐng)；（7）助視儀器的像分辨本領(lǐng)；（8）分光儀器的色分辨本領(lǐng)。6.光的偏振教學(xué)要求：掌握自然光與偏振光概念、偏振光的實(shí)驗(yàn)檢測；理解反射和折射時(shí)的偏振、光通過晶體時(shí)的雙折射現(xiàn)象；掌握布儒斯特定律和馬呂斯定律；了解1／4波片的功用，理解偏振儀器原理；理解偏振光的干涉；了解人工雙折射，旋光現(xiàn)象。重點(diǎn)難點(diǎn)：布儒斯特定律、馬呂斯定律、晶體的雙折射、波片及應(yīng)用、圓偏振光和橢圓偏振光的產(chǎn)生。思政元素：講授偏振光在現(xiàn)代光通信、傳感設(shè)計(jì)、微光學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神。教學(xué)內(nèi)容：（1）自然光與偏振光；（2）線偏振光與部分偏振光；（3）光通過單軸晶體時(shí)的雙折射現(xiàn)象；（4）光在晶體中的波面；（5）光在晶體中的傳播方向；（6）偏振器件；（7）橢圓偏振光和圓偏振光；（8）偏振態(tài)的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。7.光的吸收、色散和散射教學(xué)要求：理解光的吸收、色散、散射的經(jīng)典解釋。重點(diǎn)難點(diǎn)：光的吸收、色散和散射。思政元素：講授大氣中光的吸收、散射和色散與空氣污染之間的內(nèi)在聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)光強(qiáng)變化來定性或定量判斷空氣污染程度，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神。教學(xué)內(nèi)容：（1）光的吸收；（2）光的散射；（3）光的色散。8.光的量子性教學(xué)要求：了解熱輻射、基爾霍夫定律；理解黑