《光学》教学大纲

《光学》教学大纲课程编号：102106课程名称：光学英文名称：Optics学分：4总学时：72实验（上机）学时：适用年级专业（学科类）：物理专业及相关专业,二年级第一、二学期一、课程说明（一）编写本大纲的指导思想为适应我校学分制教学计划的要求，体现科学性、思想性和实践性的基本要求，建立严谨的教学体系，特制定本大纲。（二）课程目的和要求光学是普通物理中一个重要组成部分.通过本门课程的教学，使学生系统地掌握光的基本性质,基本原理和基本知识。培养学生分析问题和解决问题的能力，本门课程一方面为后继课程的学习和专业训练提供必要的准备，另一方为学生将来从事科学研究,教学和其他工作打下良好的基础。作为物理学的基本课程，应着重要求学生掌握物理学的基本概念和基本规律,使学生建立起鲜明的物理图象。在教学中，还应通过分析、概括丰富的自然现象,联系科学发展和生产实际中的有关事例,注意采用演示实验、多媒体教学等手段，以及加强习题运算,课堂讨论等多种形式,贯彻理论联系实际的原则.了解光学的最新发展，体会到综合运用基础物理学知识联系实际、思索问题和解决问题的乐趣。（三）教学的重点、难点：重点:共轴球面组成像光的干涉、衍射和偏振的基本原理及典型应用。难点:运用菲涅耳公式解释半波损失问题偏振光的干涉旋光现象解释。（四）知识范围及与相关课程的关系本课程研究光的传播规律以及光和物质相互作用问题.学习本课程，应具备高等数学、力学及电磁学的基本理论。同时本课程又与原子物理、电动力学、量子力学、激光原理、光纤通信、信息光电子学等后继课程有密切关系。（五）教材及教学参考书的选用1、《光学》(上、下册),赵凯华钟锡华,北京大学出版社，1996第五次印刷；2、《光学》，易明，高等教育出版社，1999年10月第一版；3、《光学》，章志鸣沈元华等，高等教育出版社，1995年5月第一版；4、《光学》，王楚汤俊雄，北京大学出版社，2001年7月第一版；5、《光学》，母国光战元令编，人民教育出版社，1979。6、《光学题解指导》，钟锡华骆武刚编著，电子工业出版社，1985；7、《Optics》，E.Hecht,A.Zajac，Addision-WesleyPublishingCompany，1974.8、《光学教程》，姚启钧，高等教育出版社，1986。二、课程内容绪论教学目的和要求:了解光学的发展和光的本性问题课程内容：光的本性光源和光谱光学的研究对象、分支与应用。学时:2学时主要教学环节的组织:课堂教学第一章几何光学教学目的和要求:1.掌握几何光学的基本规律.2.理解惠更斯原理和费马原理,掌握光程的概念.3.掌握共轴球面组和薄透镜成像的物象关系公式及作图法.4.深入理解共轴理想光具组基点和基面的物理意义,掌握其作图法.5.了解各光学仪器的特性.课程内容:几何光学基本定律惠更斯原理费马原理共轴球面组傍轴成象理想光具组理论光学仪器光度学基本概念学时：9学时主要教学环节的组织:课堂教学和讨论思考题:1.为什么透过茂密树叶缝隙投射到地面的阳光形成圆形光斑?你能设想在日偏食的情况下这种光斑的形状有变化吗?2.惠更斯原理是否适用于空气中的声波?你是否期望声波也服从和声波一样的反射和折射定律?3.若光线1,2相交于P点,经过一理想光具组后,它们的共轭光线是否一定相交?4.凸透镜是否一定为会聚透镜?5.一般说来,理想光具组能保持不与光轴垂直的平面内几何图形的相似性吗?为什么？6.调节显微镜时镜筒作整体移动,而不改变筒长,调节望远镜时,需要调节目镜和物镜的距离?第二章波动光学基本原理教学目的和要求:1.掌握平面波和球面波的特点及其复振幅描述.2.理解波前的概念.3.掌握光的相干条件,双光束干涉的光强分布公式及其特点.4.理解惠更斯-菲涅耳原理以及菲涅耳积分表达式的意义.5.掌握菲涅耳圆孔衍射和圆屏衍射的半波带法以及矢量图解法,能解释其主要衍射特征,掌握菲涅耳波带片在轴上的光强分布特点.6.掌握夫琅和费单缝和矩孔衍射强度分布公式及单缝衍射因子的特点.7.了解瑞利判据及其应用.8.了解五种偏振光,掌握布儒斯特定律.9.了解菲涅耳公式及光在电介质表面反射和折射的主要性质.掌握马吕斯定律.课程内容:定态光波和复振幅描述波前波的迭加和波的干涉两个点源的干涉惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳衍射夫琅和费衍射光学仪器的像分辨本领光的横波性和五种偏振态菲涅耳公式及光在电介质表面反射和折射的主要性质学时：20学时主要教学环节的组织:课堂教学课堂讨论演示实验小测验思考题:1.比较球面波向平面波过渡的远场条件和傍轴条件.什么情况下远场条件蕴含了傍轴条件?什么情况下傍轴条件蕴含了远场条件?有人说,相干迭加服从波的迭加原理;非相干迭加不服从波的迭加原理.对吗?2.在杨氏双孔实验中,双孔间距缩小,干涉条纹有何变化?3.在杨氏双孔实验中,用白光照明,将出现怎样的干涉图样?4.俗话说:“隔着门缝看人--把人看边扁了”、“隔墙有耳”,从波动光学的角度看,这写话有道理吗?5.为什么圆孔衍射图样的中心强度作亮暗交替变化?而圆屏衍射图样的中心强度却作单调变化?6.菲涅耳波带片的次焦点和主焦点光强之比是多少?7.菲涅耳圆孔衍射图样的中心点可能是亮的,也可能是暗的,而夫琅和费圆孔衍射图样的中心点总是亮的.这是为什么?8.自然光和圆偏振光都可以看成等幅垂直偏振光的合成,它们之间的主要区别是什么?部分偏振光和椭圆偏振光呢?10.当一束光投射在两种透明介质的分界面上时,会发生只有透射而无反射的情况吗?第三章干涉装置光场的时空相干性教学目的和要求:1.掌握分波前干涉装置中条纹分布特点,理解光场的空间相干性的概念.2.掌握等厚干涉和等倾干涉的基本概念、理论及应用.3.了解迈克尔孙干涉仪和法布里-泊罗干涉仪的原理及应用。理解光场的时间相干性。掌握多光束干涉的特点.课程内容:分波前干涉装置光场的空间相干性分振幅干涉装置薄膜干涉迈克耳孙干涉仪法布里-泊罗干涉仪光场的时间相干性多光束干涉及其应用学时:12学时主要教学环节的组织:课堂教学课堂讨论演示实验小测验思考题:1.在许多分波前干涉装置中,我们发现条纹不是等亮的。亮纹的强度似乎受某种因子所调制而有一种缓慢的起伏.试解释这种现象.2.试解释教材中图2-12所示现象.3.可以采用什么方法来检验精密机械零件表面的光洁度?4.在傍轴条件下,等倾干涉条纹的半径与干涉级数有怎样的依赖关系?牛顿环的情况怎样?二者有区别吗?5.在迈克耳孙干涉仪的调节中,(1)当反射镜M1平移时,如何判断等效的空气层在增厚还是减薄?(2)当你看到直线条纹时,怎样判断等效的空气层哪边厚哪边薄?7.多光束干涉与双光束干涉相比,二者在处理方法和强度分布方面有什么共同和不同之处?干涉条纹各有什么特点?第四章衍射光栅教学目的和要求:1.掌握多缝夫琅和费衍射强度分布公式及特点。2.理解光栅光谱仪的分光原理及性能指标。3.了解X射线在晶体上的衍射课程内容:多缝夫琅和费衍射黑白光栅和正弦光栅光栅光谱仪三维光栅--X射线在晶体上的衍射学时:6学时主要教学环节的组织:课堂教学课堂讨论小测验思考题:1.为什么dsink是缝间干涉因子的主极强条件,而asink确是单缝衍射的暗纹条件?2.N缝衍射装置中入射光能流比单缝大N倍,而主极强却大N2倍,这违反能量守恒吗?3.为了提高光栅的色散本领和色分辨本领,既要求光栅刻线很密(即d小),又要求刻线总数很多(即N大).怎样理解N增大并不能提高光栅的色散本领?怎样理解d减小时虽然扩大两条谱线的角间隔,却不能提高光栅的色分辨本领?第五章傅里叶变换光学第六章全息照相教学目的和要求:了解全息照相的过程、原理及特点。课程内容:全息照相的过程原理及特点学时：2学时主要教学环节的组织:课堂教学思考题:1.为什么全息术对光源的时间相干性有较高要求?在布置全息纪录的光路时,人们常常注意让参考光路和物光路到达纪录介质的光程尽量相近,这是为什么?为什么全息台要有很好的防震设备?第七章光在晶体中的传播教学目的和要求:1.了解双折射现象和基本规律。2.能够运用惠更斯作图法分析光在单轴晶体中的双折射情况.3.掌握双折射现象的典型应用--晶体器偏振和波晶片.4.掌握圆偏振光和椭圆偏振光的获得和检验.5.理解偏振光干涉的基本原理,能够计算简单情况下的强度分布.6.了解人为双折射现象.7.了解旋光现象.课程内容:双折射晶体光学器件圆偏振光和椭圆偏振光的获得和检验偏振光的干涉及其应用旋光学时：12学时主要教学环节的组织:课堂教学课堂讨论演示实验小测验思考题:1.当单轴晶体的光轴与表面呈一定角度时,一束与光轴方向平行的光入射到晶体表面之内时,它是否会发生双折射?2.分析渥拉斯顿棱镜中双折射光线的传播方向和振动方向.3.在一对正交的偏振片之间放一块四分之一波片,以自然光入射.(1)转动四分之一波片的光轴方向时,出射光的强度怎样变化?有无消光现象?(2)如果有强度极大和消光现象,它们在四分之一波片的光轴处于什么方向时出现?这时从四分之一波片出射光的偏振态如何?4.如何区分自然光和圆偏振光?如何区分部分偏振光和椭圆偏振光?5.在偏振光干涉装置中,其分光束的器件是什么?其分割光束的方式是分波前还是分振幅?6.教材中第213页思考题6.7.当线偏振光正入射到菲涅耳复合棱镜中时,分析线偏振光分解成的左旋圆偏振光和右圆偏振光传播方向分开的原因.第八章光的吸收色散和散射教学目的和要求:1.掌握光的吸收的线性规律,理解复折射率、普遍吸收和选择系数的意义。2.掌握正常色散和反常色散的特点.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。课程内容:光的吸收正常色散反常色散色散曲线群速和相速光的散射瑞利散射喇曼散射学时：4学时主要教学环节的组织:课堂教学思考题:1.为什么由点燃的香烟冒出的烟是淡蓝的?而吸烟者口中吐出的烟却呈白色?2.汽车上的雾灯为什么选用桔红色?第九章光的量子性激光教学目的和要求:1.了解热辐射现象及普朗克能量子假说,掌握黑体辐射的规律。2.了解光电效应和爱因斯坦光子假说,理解波粒二象性。3.了解激光的特性和应用.课程内容:热辐射黑体辐射普朗克公式和能量子假说光电效应爱因斯坦光子假说康普顿效应波粒二象性激光概述学时：6学时主要教学环节的组织:课堂教学思考题:1.一块金属在1100K发出红色的光辉,而此同样温度下,一块石英毫不发光.这是为什么?2.估计一下人体热辐射最强的波长,若人眼对此波长的灵敏度与对绿光差不多,会发生怎样的情况?