《普通物理四》課程教學大綱

《普通物理四》課程教學大綱課程編號：0612054課程總學時/學分：64/3.5（其中理論64學時，實驗0學時）課程類別：學科基礎與專業(yè)必修課一、教學目的和任務光學是一門重要的基礎科學。本課程是物理與電子科學系的主干基礎課，它和原子物理、電動力學、量子力學等后繼課程有密切關系。該課程將使學生在普通物理的范疇內系統(tǒng)、全面、深入地掌握光學的基本理論、基本概念、基本現(xiàn)象和基本分析方法，培養(yǎng)學生科學的世界觀、思維方法和創(chuàng)新能力，為進一步學習一系列專業(yè)課程、以及以后報考研究生或從事光學或光電子學相關工作打下堅實的基礎。“教育的主要任務不是積累知識，而是發(fā)展思維?！北菊n程要做到以人為本，以教師為主導，以學生作為一切教學活動的主體、出發(fā)點、落腳點和終極目標，加強師生互動與交流，調動課堂內外一切手段，讓學生生動、活潑、主動地得到發(fā)展，培養(yǎng)學生科學的分析思維能力及創(chuàng)新能力，提高學生的科學文化及專業(yè)素質。二、教學基本要求1.要求學生牢固掌握有關光的傳播及其本性，包括干涉、衍射、偏振等基本現(xiàn)象、原理和規(guī)律，為后繼課程奠定必要的基礎。并了解它們在科研、生產和實踐上的應用。2.要求學生牢固掌握幾何光學的基本概念、成象規(guī)律和作圖方法。熟悉典型助視光學儀器的基本原理。3.使學生在掌握光學的基礎理論，基本知識和基本技能的基礎上，初步具備分析處理光學教材和實際問題的能力。要求學生具有分析和處理中學物理光學教材問題的能力。4.要求學生了解現(xiàn)代光學發(fā)展的趨向，要求對激光產生的原理和激光器及傅立葉光學，光通訊等有初步的了解。5.培養(yǎng)學生在課堂教學、習題課及課外作業(yè)中的獨立思考能力。三、教學內容及學時分配緒論（2學時）教學要求：介紹光學發(fā)展簡史時，著重說明人類對光的本性的認識過程及波動說和微粒說對光的本性的認識上的差別。了解本課的學習內容和學習方法，了解光學的發(fā)展過程和特點。第一章光的干涉（12學時）教學要求：著重闡明光的相干條件和掌握光程的概念。分析雙光束干涉時，應著重分析光強分布的特征。著重闡明等傾干涉和等厚干涉的基本概念及其應用。條紋定域問題不作分析。介紹邁克耳孫干涉儀和法布里-珀羅干涉儀的原理及其應用，分析法布里-珀羅干涉儀時，應突出多光束干涉的特點。扼要介紹薄膜光學的內容。時間相干性和空間相干性的概念，可放在激光的相干性中討論。半波損失可用菲涅耳公式解釋，也可機動處理。關于干涉現(xiàn)象的應用，主要介紹鍍膜光學元件和牛頓環(huán)。教學內容：1．光的波動性，光束的獨立性、疊加性和相干性。2．光程和光程差，實現(xiàn)相干光束的方法。3．半波損失。4．等傾干涉和等厚干涉。5．邁克耳孫干涉儀。6．多光束干涉,法布里-珀羅干涉儀。教學重點：光的干涉教學難點：光程的概念以及光程差和相位差的關系第二章光的衍射（10學時）教學要求：本章圍繞惠更斯-菲涅耳原理，講授菲涅耳積分表式的意義。著重闡明夫瑯和費單縫衍射和衍射光柵。運用解析法推導夫瑯和費單縫衍射光強公式。著重闡明光柵方程的導出及其意義，扼要介紹閃耀光柵。運用振幅矢量合成圖介紹菲涅耳(圓孔、圓屏和直邊)衍射中的一種和環(huán)狀波帶片。講授夫瑯和費圓孔衍射強度公式時只提結論，著重說明第一最小值所在位置的重要性。教學內容：1．惠更斯-菲涅耳原理，振幅矢量合成作圖法。2．菲涅耳衍射、波帶片。3．夫瑯禾費單縫衍射。4，夫瑯禾費圓孔衍射。5．平面衍射光柵。教學重點：夫瑯和費單縫衍射和衍射光柵教學難點：解析法推導夫瑯和費單縫衍射光強公式第三章幾何光學基本原理（10學時）教學要求：闡明光線、實象、虛象和虛物等概念。由費馬原理導出折射定律。著重闡明薄透鏡的物象公式和任意光線的成象作圖法，這些內容應配合習題課加強基本訓練。幾何光學的符號法則采用新笛卡兒符號法則。扼要介紹光學纖維的構造及其應用。教學內容：1．光線的概念，幾何光學的應用范圍，費馬原理。2．單心光束和像散光束，實像和虛像。3．幾何光學的基本定律。4．平面反射和折射,棱鏡的最小偏向角,光學纖維。5．符號法則，球面反射和折射。6．虛物的概念，薄透鏡。7．理想成像的條件，橫向放大率和光束會聚比教學重點：薄透鏡的物象公式教學難點：費馬原理第四章光學儀器（8學時）教學要求：本章圍繞衡量光學儀器特性的三個本領進行教學，其中著重闡明放大本領和分辨本領，扼要介紹聚光本領。在典型的光學儀器中，著重介紹望遠鏡和顯微鏡。并敘述數(shù)值孔徑和相對孔徑的意義。光度學中主要介紹光通量、亮度和照度的概念。象差概論中主要介紹球差和色差及其矯正方法。教學內容：1．理想光具組的放大本領。2．入射光瞳和出射光瞳，光度學和基本概念及其單位，像的亮度和照度，物鏡的聚光本領。3．像差概論。4．助視儀器的成像分辨本領，分光儀器的色分辨本領。5．典型的光學儀器（放大鏡、顯微鏡、望遠鏡和投影儀等）。教學重點：放大本領、分辨本領和聚光本領教學難點：數(shù)值孔徑和相對孔徑的意義第五章光的偏振（8學時）教學要求：闡明惠更斯作圖法，說明光在單軸晶體中傳播的規(guī)律。介紹布儒斯特定律和馬呂斯定律。闡明自然光、平面偏振光、部分偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光的概念及其檢定方法。介紹1/4波晶片的功用。教學內容：1．自然光和偏振光，光是橫波，偏振度和部分偏振光。2．反射和折射時的偏振現(xiàn)象。3．布儒斯特定律，馬呂斯定律。4．光通過單軸晶體時的雙折射現(xiàn)象，光軸與主截面，o光和e光。5．偏振儀器。6．橢圓偏振光和圓偏振光，波晶片，偏振光的檢定法。7．偏振光的干涉。8．在應力、電場作用下所引起的雙折射。9．旋光現(xiàn)象，振動面的磁致旋轉。教學重點：自然光、平面偏振光、部分偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光的概念及其檢定方法教學難點：光在單軸晶體中傳播的規(guī)律第六章光的吸收、散射和色散（2學時）教學要求：定性介紹吸收、散射和色散的經典解釋。教學內容：1．光的吸收。比爾定律。2．光的散射，散射光的強度和波長之間的關系，散射光的偏振度,受激散射。3．正常色散和反常色散，色散方程。教學重點：吸收、散射和色散的經典解釋教學難點：散射和色散第七章光的量子性（6學時）教學要求：簡單介紹光速的測定方法，著重討論光的相速度和群速度。概括介紹量子論的早期發(fā)展過程。著重講述光的量子性和主要實驗證據(jù)——光電效應和康普頓效應。教學內容：1．熱輻射，基爾霍夫定律。2．絕對黑體，絕對黑體輻射定律。3．普朗克公式。4．光電效應，光子，愛因斯坦方程。5．康普頓效應。6．光的波粒二象性。教學重點：光的量子性和主要實驗證據(jù)——光電效應和康普頓效應教學難點：光的相速度和群速度第八章現(xiàn)代光學簡介（4學時）教學要求：重點講述亞穩(wěn)態(tài)能級，受激發(fā)射光激勵，粒子數(shù)反轉，光振蕩等基本概念。在激光器的種類這一節(jié)中，簡單介紹紅寶石激光器，He-Ne激光器和可調諧染料激光器。結合電極化矢量扼要地介紹非線性光學及其應用。定性解釋全息照相的基本原理。結合實際適當介紹科研前沿的知識。教學內容：1．激光的基本原理。2．激光的特點及其應用。3．激光器的種類。4．非線性光學概述。5．全息照相。6．信息光學簡介。教學重點：亞穩(wěn)態(tài)能級，受激發(fā)射光激勵，粒子數(shù)反轉，光振蕩教學難點：全息照相的基本原理四、推薦教材及參考書目[1]姚啟鈞原著華東師大《光學》教材編寫組改編.《光學教程》4版.—北京：高等教育出版社，2008.5[2]母國光，戰(zhàn)元令.《光學》第一