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SPOC学校专有课程
第1次开课
开课时间: 2020年11月03日 ~ 2020年11月09日
学时安排: 待定
当前开课已结束 已有 5 人参加
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—— 课程团队
课程概述

光学是物理学(含师范)专业的一门大类基础课程,它同时又是物理学(含师范)专业的必修理论课程和学位课程。它是普通物理学的一个重要组成部分,是研究光的本性、传播以及光与物质相互作用的基础学科。该课程的学习有助于学生探讨微观世界和宏观世界的联系与规律,为学生进一步学习原子物理、电动力学、量子力学等后续课程构建必要的基础。

课程主要元素:理论推导与实验现象互联互通、几何作图与理论结果互融互汇、计算模拟与实验结果互巩互固。

 

授课目标

1.  理解光的传播规律,掌握几何光学的基本知识,学会分析助视仪器的工作原理。掌握光的干涉、衍射、偏振的一些基本原理和规律,深刻理解光的波动性;了解光的量子性,对光的波粒二象性有一定的认识。

2.  了解整个光学研究发展的过程以及人类对光的本性的认识过程,培养学生的辩证唯物主义世界观。

3.  了解现代光学前沿,开阔学生的视野,培养学生的探索研究能力和创新研究能力。


成绩 要求

课程学习成绩由四部分构成:  

1.讨论区发言:参与课后思考题讨论,发言总次数大于10次(回复老师主贴、无论回答对错),讨论区发言占总评的10%;

2.平时作业:每周布置有习题,完成后教师评阅,作业成绩占总评的20%;

3.单元测验:每个单元结束后有一次单元测验,题目一般为5道选择题;单元测验分数共占总评的20%;

4.课程线上考试:全部课程结束后,学生可以参加期末考试,题型为选择题,成绩占总成评的50%。 


课程大纲
几何光学基础
课时目标:(1)学习几何光学的基本概念(光学、波面、光程、物像等)(2)掌握光在平面球面上的反射和折射(3)掌握薄透镜和理想光具组近轴成像的系列规律(4)学会利用作图法成像
1.1 费马原理 本节主要介绍光的电磁理论,几何光学的基本定理和费马原理,掌握光的三大定律
1.2光在平面界面上的反射和折射 本节主要介绍光在平面上的反射和折射,全反射及其光导纤维,以及三棱镜的相关知识。重点掌握全反射的发生条件,三棱镜的最小偏向角
1.3 光在球面上的反射和折射 本节主要讲解符号法则、球面反射和折射光束单心性的破坏,重点讲解近轴条件下的成像公式,由此推出高斯公式和牛顿公式
1.4 薄透镜 本节主要讲解薄透镜的成像公式、横向放大率和作图法成像
1.5 厚透镜和理想光具组 本讲主要讲解厚透镜和理想光具组的成像公式,重点掌握基点和基面的概念
1.6 理想光具组的应用 本讲主要通过横向放大率讨论理想光具组像的性质,介绍基点和基面的性质,掌握理想光具组作图法成像
几何光学仪器
课时目标:(1)学习几种常见光学仪器的主要结构(2)掌握常见光学仪器的放大本领(3)掌握有效光阑、入射和出射光瞳的计算方法(4)了解影响光学仪器聚光本领的参量和光学仪器像差
2.1 人眼 本讲主要介绍人眼的几何构造、人眼的调节功能及近视眼和远视眼的矫正方法
2.2 助视仪器的放大本领 本讲主要讲解放大镜、目镜的放大本领
2.3 显微镜和望远镜的放大本领 本讲主要讲解显微镜和望远镜的放大本领的理论推导及激光扩束器的原理
2.4 光阑和光瞳 本讲主要分析判断有效光阑、入射光瞳和出射光瞳的计算过程
2.5 光度学概要 本讲主要介绍光能量的传播问题,阐述光视效率、光通量、发光强度、照度、亮度等相关概念
2.6 物镜的聚光本领 本讲主要介绍影响显微镜、照相机、望远镜的聚光本领的参量,并介绍光学仪器的几种常见像差
光的干涉
课时目标:(1)掌握光的相干条件(2)掌握分波面双光束干涉的光程差的导出及条纹特点(3)掌握分振幅薄膜干涉的光程差的导出及条纹特点(4)掌握迈克尔逊干涉仪、牛顿环的仪器构造及光程差公式和条纹特点(5)掌握干涉现象的其他应用
3.1 光的独立性和相干性 本讲主要介绍光波的数学描述,光的独立性原理,重点讲解两列光波相遇相干的条件的导出
3.2 干涉图样的形成 本讲从相干光的获得方式,光程差和相位差的计算过程,干涉图样的形成过程来进行一一讲解
3.3 分波面双光束干涉 本讲重点讲解杨氏双缝干涉、菲涅尔双面镜、洛艾镜的干涉机理及干涉条纹的特点、条纹间距等引入半波损失菲涅尔双面镜、洛艾镜的干涉条纹观察范围的确定
3.4 光波的时空相干性 本讲主要介绍干涉条纹的可见度、时间相干性和空间相干性
3.5 分振幅薄膜干涉 本讲主要讲解单色光薄膜干涉的光程差公式的由来,等倾和等候干涉光程差公式及条纹的特点,理解薄膜色的形成
3.6 迈克尔逊干涉仪 本讲主要讲解迈克尔逊干涉仪的光路、基本原理、条纹特点及其应用
3.7 法布里-珀罗干涉仪 本讲主要讲解多光束干涉的光强公式的推导、
法布里-珀罗干涉仪的干涉机理及条纹特点、影响条纹精细度的因素
3.8 光的干涉应用 主要介绍如何利用干涉条纹检查光学元件表面平整度、干涉应用于光学镀膜元件、利用干涉条纹判断长度的微小改变
3.9 牛顿环 本讲主要讲解牛顿环仪的结构和牛顿环亮环和暗环半径公式的导出及条纹特点
光的衍射
课时目标:(1)了解衍射现象的产生机理(2)学会利用菲涅耳半波带法分析圆孔衍射和圆屏衍射及菲涅耳波带片(3)掌握夫琅和费单缝衍射和光栅的系列知识及分光仪器的分辨本领(4)掌握夫琅和费圆孔衍射和助视仪器的分辨本领(5)学会X射线在晶体中的衍射的知识
4.1 惠更斯-菲涅耳原理 本讲主要介绍光的衍射现象、惠更斯-菲涅尔原理 及其局限和衍射的分类
4.2 菲涅耳衍射 本讲主要讲解菲涅尔半波带法计算轴上观察点处的振幅及利用
菲涅尔半波带法判断考查点的明暗情况,掌握圆孔衍射、圆屏衍射和菲涅耳波带片中波带数的求解
4.3 夫琅和费单缝衍射 本讲主要介绍夫琅和费单缝衍射装置和现象,掌握单缝衍射的强度公式、条纹特点,学会分析影响衍射条纹的因素
4.4夫琅和费圆孔衍射 本讲主要讲解圆孔衍射艾里斑角半径的计算及助视仪器(人眼、显微镜、望远镜)的分辨本领
4.5 平面衍射光栅 本讲主要讲解光栅衍射强度公式、光栅方、条纹特点和缺级现象
4.6 光栅光谱 本讲主要讲解光栅光谱的形成及光栅的角色散、线色散、半角宽度
4.7 分光仪器的分辨本领 本讲主要讲解三棱镜和光栅的角色散、半角宽度,并由此导出它们的色分辨本领
4.8 晶体对X射线的衍射 本讲主要了解X射线的产生机理,讲解X射线在晶体中的衍射机理和布拉格方程
光的偏振
课时目标:(1)了解几种偏振态(2)掌握线偏振光的获得和强度计算(3)掌握惠更斯作图法得到晶体中光的传播方向(4)掌握椭圆(圆)偏振光的产生和检验,半波片和四分之一波片的作用(5)掌握偏振光的干涉
5.1 光的偏振态 本讲主要介绍光的几种偏振态
5.2 线偏振光与部分偏振光 本讲主要讲解线偏振光的获得方法和线偏振光强度的计算以及由反射和折射获得偏振光和布儒斯特角
5.3 光通过单轴晶体的双折射现象 本讲主要介绍双折射、寻常光(o光)和非常光(e光)、光轴、主截面、主平面等概念,重点讲解线偏振光通过晶体时利用矢量分解图计算非常光和寻常光的光强。
5.4 光在晶体中的波面及传播方向 本讲主要讲解单轴晶体中非常光和寻常光的波面,并要求学会运用非常光和寻常光的波面作图求它们在晶体中的传播方向
5.5 偏振器件 本讲介绍尼科尔棱镜、沃拉斯顿棱镜和偏振片的构成机理,要求掌握沃拉斯顿棱镜图解法求光的振动和传播方向,重点介绍半波片和四分之一波片及其它们对偏振光的作用
5.6 椭圆(圆)偏振光 本讲主要讲解椭圆偏振光和圆偏振光的振动态的描述及获得方式
5.7 偏振态的实验检验 本讲主要讲解五种偏振态实验上如何检验
5.8 偏振光的干涉 本讲主要介绍偏振光干涉实验装置,利用振幅矢量分解图讲解干涉光强公式及其位相关系。
5.9 偏振的应用 本讲简单介绍立体电影拍摄和液晶的工作原理
光的吸收、散射和色散
课时目标:(1)了解一般吸收和选择吸收、正常色散和反常色散的特性(2)掌握朗伯吸收定律、散射强度公式和柯西色散公式
6.1 光的吸收、散射和色散 本讲主要介绍一般吸收和选择吸收、微粒散射和散射强度公式、正常色散和反常色散及柯西色散公式
光的量子性
课时目标:(1)了解黑体辐射及普朗克辐射公式(2)掌握光电效应和康普顿散射的量子解释(3)学会波粒二象性
7.1 黑体辐射 本讲主要介绍热辐射、黑体的概念、黑体辐射的经典定律及其局限,重点讲解普朗克辐射公式
7.2 光电效应 本讲主要介绍光电效应的实验规律和波动理论解释的矛盾,重点讲解光电效应的量子解释和光子的能量与动量
7.3 康普顿散射 本讲主要介绍康普顿效应及实验规律,重点讲解康普顿效应的量子解释
7.4 波粒二象性 本讲主要介绍实物粒子的波粒二象性,得出光和实物粒子都具有波粒二象性的结论
现代光学基础
课时目标:(1)了解激光产生的要素(2)介绍全息照相及其应用
8.1 光与物质相互作用 主讲主要了解激光的起源,自发辐射、受激辐射和受激吸收的物理含义及其关系
8.2 激光原理及特性 主讲主要介绍粒子数反转构成光放大的机理,激光的形成机理及要素、激光的特性和种类
8.3 全息照相 主讲主要介绍全息照相的拍摄和再现及特点和应用
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预备知识

高等数学、力学、电磁学

参考资料

1. 姚启钧. 光学教程【M. 北京:高等教育出版社,2008.

2.        赵凯华,钟锡华.光学【M.北京:北京大学出版社,1984.

3.     母国光, 战元令.光学【M. 北京:人民教育出版社,1978.


苏州大学
2 位授课老师
罗晓琴

罗晓琴

副教授

钱懿华

钱懿华

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