《光學》課程教學大綱

《光學》教學大綱課程名稱：光學英文名稱：Optics課程編號：F047091541學分：3總學時/課內實踐學時：48/0課程性質：必修課程開課單位：數(shù)理科學與工程學院應用物理系基層教學組織適應對象：應用物理學專業(yè)課程簡介《光學》是應用物理學專業(yè)學生開設的一門專業(yè)基礎課。本課程是最早發(fā)展的自然科學之一，與人們生活息息相關。本課程又是物理學的重要組成部分，幾何光學、物理光學、量子光學及現(xiàn)代光學基礎。本課程以理論授課為主，并引導學生深入剖析生活中各種光學現(xiàn)象，進而引導學生應用創(chuàng)新。考核方式包括過程考核和期末考試，其中過程考核包括課上回答問題、課下作業(yè)完成情況等。通過本課程學習，使學生系統(tǒng)掌握光學基本理論和基本應用，培養(yǎng)學生基本的科學思維能力、分析計算能力和科學研究能力，激發(fā)學生科技創(chuàng)新、科技強國的責任感和激情，并為后續(xù)專業(yè)課程學習打下堅實基礎。Opticsisaprofessionalbasiccourseforstudentsmajoringinappliedphysics.Thiscourseisoneoftheearliestdevelopednaturalsciencesandiscloselyrelatedtopeople'slife.Thiscourseisalsoanimportantpartofphysicsandanimportantpartoftheoverallknowledgestructureofoptical-relatedtalents.Themaincontentsincludegeometricoptics,physicaloptics,quantumopticsandmodernoptics.Thiscoursefocusesontheoreticalteaching,andguidesstudentstodeeplyanalyzevariousopticalphenomenainlife,andthenguidestudentstoapplyinnovation.Theassessmentmethodsincludeprocessassessmentandfinalexamination.Theprocessassessmentincludesansweringquestionsinclassandcompletinghomeworkafterclass.Throughthestudyofthiscourse,studentscansystematicallymasterthebasictheoryandapplicationofoptics,cultivatetheirbasicscientificthinkingability,analyticalandcomputationalabilityandscientificresearchability,stimulatetheirsenseofresponsibilityandpassionforscientificandtechnologicalinnovationandpower,andlayasolidfoundationforthestudyofsubsequentprofessionalcourses.課程目標思政目標：強化科學倫理教育，注重科學思維方法訓練和嚴肅認真科學作風培養(yǎng)，提高學生分析和解決實際問題能力，激發(fā)學生科技報國的家國情懷和使命擔當。掌握光學基本概念、基本定律和基本原理，了解光學現(xiàn)象和規(guī)律。掌握光的干涉、衍射、成像、偏振、吸收、色散、散射、波粒二象性等內在機理。熟悉光學專業(yè)知識，具備辨識和表述光學基本原理的能力，具備理論聯(lián)系實際分析解決實際問題的能力。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、課程目標與畢業(yè)要求對應關系本課程的課程目標對應用物理學專業(yè)畢業(yè)要求指標點的支撐情況如表1所示：表1課程目標與畢業(yè)要求對應關系畢業(yè)要求指標點課程目標畢業(yè)要求1：系統(tǒng)掌握光學知識內容和體系。畢業(yè)要求2：能夠綜合應用數(shù)學、電磁學、力學、計算機、光學等相關知識，正確分析解決實際問題。能夠依托所學基本理論知識拓寬和更新認知。1.1具有科學的世界觀，較系統(tǒng)和完整地掌握物理學的基本理論、基本知識和基本技能以及所需的數(shù)學、計算機、電工電子學等方面的基礎知識。對物理學相關專業(yè)方向前沿、發(fā)展動態(tài)、應用前景有所了解；1-4課程教學安排課程共有24項教學內容，具體安排如下。表2：課程教學安排表序號教學內容思政元素課堂教學學時實驗/實踐教學學時學時小計1緒論；Chp3幾何光學的基本原理§3-1幾個基本概念和定律費馬原理職業(yè)教育和愛國教育223Chp3幾何光學的基本原理§3-1幾個基本概念和定律費馬原理（續(xù)）；§3-2光在平面界面上的反射和折射光導纖維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近軸物點近軸光線成象的條件225Chp1光的干涉§1-1波動的獨立性、疊加性和相干性；補充：光波數(shù)學描述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光的干涉應用舉例牛頓環(huán)解決實際問題能力培養(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夫瑯禾費單縫衍射§2-4夫瑯禾費圓孔衍射科學精神培養(yǎng)2213§2-5平面衍射光柵2214Chp4光學儀器的基本原理§4-1人眼；§4-2助視儀器的放大本領；§4-3目鏡；解決實際問題能力培養(yǎng)2215§4-4顯微鏡的放大本領§4-5望遠鏡的放大本領2216§4-6光闌光瞳§4-7光度學概要-光能量傳播§4-8物鏡的聚光本領2217§4-10助視儀器的像分辨本領解決實際問題能力培養(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)的實驗檢驗；§5-9偏振光的干涉2222Chp6光的吸收、散射和色散科學精神培養(yǎng)2223Chp7光的量子性§7-1光速的‘米’的定義§7-2經典輻射定律§7-3普朗克輻射公式科學精神培養(yǎng)2224§7-4光電效應§7-5愛因斯坦的量子解釋Chp8現(xiàn)代光學基礎科學精神培養(yǎng)22合計4848教學安排1.緒論教學要求：（1）重點掌握光學的研究內容以及光學的研究方法；（2）了解從五個時期來了解光學的發(fā)展史，并從中進一步體會光學的研究方法。重點難點：光學的研究內容和方法。思政元素：講授光學研究方法，不同時期中外科學家對各種光學現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、機理研究和應用的努力過程，培養(yǎng)學生敏銳觀察力和科學精神，激發(fā)學生愛國情懷。教學內容：（1）光學的研究內容和方法；（2）光學發(fā)展簡史：萌芽時期、幾何光學時期、波動光學時期、量子光學時期、現(xiàn)代光學時期。2.幾何光學的基本原理教學要求：理解幾何光學的實驗定律、費馬原理、幾個主要的基本概念（單心光束、物、虛物、實象、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，近軸光線的成象條件；掌握理想光具組的基點、基面的性質和作圖求象法。重點難點：面折射和反射、薄透鏡、逐次成象法、象的虛實判斷、薄透鏡成像的幾何作圖。教學內容：（1）幾個基本概念和定律；（2）費馬原理；（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)在幾個球面界面上的折射虛物的概念；（6）薄透鏡。3.光的干涉教學要求：了解光的電磁理論；理解光波的獨立性、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用；理解邁克爾遜干涉儀，了解法布里——玻羅干涉儀。重點難點：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：講授光的干涉在計量學中的應用，引導學生勇于創(chuàng)新，通過大膽創(chuàng)新使其應用于更多領域。教學內容：（1）波動的獨立性、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）光的干涉應用舉例牛頓環(huán)。4.光的衍射教學要求：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（單縫，圓孔，雙縫，光柵）衍射；理解光柵方程式；了解閃耀光柵。重點難點：相干與不相干、惠更斯-菲涅耳原理、菲涅耳圓孔衍射、夫瑯和費單縫衍射、平面衍射光柵；思政元素：講授普通光源實現(xiàn)干涉的困難，以及楊氏雙縫干涉實驗巧妙的設計，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。教學內容：（1）惠更斯—菲涅耳原理；（2）菲涅耳半波帶；（3）菲涅耳衍射；（4）夫瑯和費單縫衍射；（5）夫瑯和費圓孔衍射；（6）平面衍射光柵。5.光學儀器的基本原理教學要求：理解光學儀器的放大、分辨及聚光本領；理解實際光學系統(tǒng)的光闌；理解望遠鏡、顯微鏡等助視儀器的基本原理；了解光度學的基本概念。重點難點：光度學概念、放大本領、分辨本領。思政元素：引導學生思考、嘗試設計復雜光學系統(tǒng)，培養(yǎng)學生科學精神。教學內容：（1）助視儀器的放大本領；（2）顯微鏡的放大本領；（3）望遠鏡的放大本領；（4）光闌光瞳；（5）光度學概要---光能量的傳播；（6）物鏡的聚光本領；（7）助視儀器的像分辨本領；（8）分光儀器的色分辨本領。6.光的偏振教學要求：掌握自然光與偏振光概念、偏振光的實驗檢測；理解反射和折射時的偏振、光通過晶體時的雙折射現(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。重點難點：布儒斯特定律、馬呂斯定律、晶體的雙折射、波片及應用、圓偏振光和橢圓偏振光的產生。思政元素：講授偏振光在現(xiàn)代光通信、傳感設計、微光學等領域的應用，培養(yǎng)學生科學精神。教學內容：（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)的實驗檢驗。7.光的吸收、色散和散射教學要求：理解光的吸收、色散、散射的經典解釋。重點難點：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在聯(lián)系，引導學生根據光強變化來定性或定量判斷空氣污染程度，培養(yǎng)學生科學精神。教學內容：（1）光的吸收；（2）光的散射；（3）光的色散。8.光的量子性教學要求：了解熱輻射、基爾霍夫定律；理解黑