《光學》課程教學大綱

《光學教程》課程實施大綱

目錄

1.教學理念..............................................1

2.課程介紹..............................................8

2.1課程的性質

2.2課程在學科專業(yè)結構中的地位、作用

2.3課程的歷史與文化傳統(tǒng)

2.4課程的前沿及發(fā)展趨勢

2.5課程與經濟社會發(fā)展的關系

2.6課程內容可能涉及到的倫理與道德問題

2.7學習本課程的必要性

3.教師簡介...............................................10

3.1教師的職稱、學歷

3.2教育背景

3.3研究興趣（方向）

4.先修課程...............................................11

5.課程目標...............................................11

6.課程內容...............................................11

6.1課程的內容概要

6.2教學重點、難點

6.3學時安排

7.課程實施..............................................14

7.1教學單元一.........................................18

7.1.1教學日期

7.1.2教學目標

7.1.3教學內容（含重點、難點）

7.1.4教學過程

7.1.5教學方法

7.1.6作業(yè)安排及課后反思

7.1.7課前準備情況及其他相關特殊要求

7.1.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）

7.2教學單元二.........................................30

7.2.1教學日期

722教學目標

7.2.3教學內容（含重點、難點）

7.2.4教學過程

7.2.5教學方法

7.2.6作業(yè)安排及課后反思

7.2.7課前準備情況及其他相關特殊要求

7.2.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）

7.3教學單元三......................................39

7.3.1教學日期

732教學目標

7.3.3教學內容（含重點、難點）

7.3.4教學過程

7.3.5教學方法

7.3.6作業(yè)安排及課后反思

7.3.7課前準備情況及其他相關特殊要求

7.3.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）

7.4教學單元四........................................45

7.4.1教學日期

7.4.2教學目標

7.4.3教學內容（含重點、難點）

7.4.4教學過程

7.4.5教學方法

7.4.6作業(yè)安排及課后反思

7.4.7課前準備情況及其他相關特殊要求

7.4.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）

7.5教學單元五.........................................61

7.5.1教學日期

7.5.2教學目標

7.5.3教學內容（含重點、難點）

7.5.4教學過程

7.5.5教學方法

7.5.6作業(yè)安排及課后反思

7.5.7課前準備情況及其他相關特殊要求

7.5.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）

7.6教學單元六.........................................71

7.6.1教學日期

7.6.2教學目標

7.6.3教學內容（含重點、難點）

7.6.4教學過程

7.6.5教學方法

7.6.6作業(yè)安排及課后反思

7.6.7課前準備情況及其他相關特殊要求

768參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）

7?7~j'（羊）LI-J????????????????????????????????????????????????????????????80

7.7.1教學日期

7.7.2教學目標

7.7.3教學內容（含重點、難點）

7.7.4教學過程

7.7.5教學方法

7.7.6作業(yè)安排及課后反思

7.7.7課前準備情況及其他相關特殊要求

778參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）

7.8教學單元八.........................................89

7.8.1教學日期

782教學目標

7.8.3教學內容（含重點、難點）

7.8.4教學過程

7.8.5教學方法

7.8.6作業(yè)安排及課后反思

7.8.7課前準備情況及其他相關特殊要求

7.8.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）

7.9.1教學日期

7.9.2教學目標

7.9.3教學內容（含重點、難點）

7.9.4教學過程

7.9.5教學方法

7.9.6作業(yè)安排及課后反思

7.9.7課前準備情況及其他相關特殊要求

7.9.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）

7.10教學單元十......................................112

7.10.1教學日期

7.10.2教學目標

7.10.3教學內容（含重點、難點）

7.10.4教學過程

7.10.5教學方法

7.10.6作業(yè)安排及課后反思

7.10.7課前準備情況及其他相關特殊要求

7.10.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）

7.11教學單元十一.....................................121

7.11.1教學日期

7.1L2教學目標

7.11.3教學內容（含重點、難點）

7.11.4教學過程

7.11.5教學方法

7.11.6作業(yè)安排及課后反思

7.11.7課前準備情況及其他相關特殊耍求

7.11.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）

7.12教學單元十二.....................................128

7.12.1教學日期

7.12.2教學目標

7.12.3教學內容（含重點、難點）

7.12.4教學過程

7.12.5教學方法

7.12.6作業(yè)安排及課后反思

7.12.7課前準備情況及其他相關特殊要求

7.12.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）

8.課程要求...............................................137

8.1學生自學要求

8.2課外閱讀要求

8.3課堂討論耍求

8.4課程實踐要求

9.課程考核...............................................137

9.1出勤（遲到、早退等）、作業(yè)、報告等的要求

9.2成績的構成與評分規(guī)則說明

9.3考試形式及說明

10.學術誠信............................................138

10.1考試違規(guī)與作弊處理

10.2杜撰數據、信息處理等

10.3學術剽竊處理等

11.課堂規(guī)范............................................138

11.1課堂紀律

11.2課堂禮儀

12.課程資源............................................139

12.1教材與參考書

12.2專業(yè)學術著作

12.3專業(yè)刊物

12.4網絡課程資源

13.教學合約............................................139

13.1教師作出師德師風承諾

13.2閱讀課程實施大綱，理解其內容

13.2同意遵守課程實施大綱中闡述的標準和期望

14.其他說明............................................139

1.教學理念

《光學》是物理學本科專業(yè)的?門重要的專業(yè)必修基礎課程，是普通物理

學的?個重要組成部分，是研究光的本性、光的傳播及光和物質的相互作用的基

礎學科。通過本門課程的教學，使學生系統(tǒng)地掌握光的基本性質，基本原理和基

本知識，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。本門課程?方面為《原子物理學》、

《電動力學》和《曷子物理學》等后繼課程的學習和專業(yè)訓練提供必要的準備。

另?方面為學生將來從事科學研究,教學和其他工作打下良好的基礎。作為物理

學的基本課程，應著重要求學生掌握物理學的基本概念和基本規(guī)律，使學生建立

起鮮明的物理圖象。

1.1關注學生的發(fā)展

作為一名教師，“教書育人”是我們最本質的工作，但是“教書”不只是教

會學生們書本HI勺知識，還應更關注學生其它各方曲的發(fā)展。教育的本質則在協(xié)

助學生探索自我，并從發(fā)現自我、開啟自我到實現自我，進而能不斷地超越自我。

其目的都是更好地為學生發(fā)展服務，務求可讓學生得到可持續(xù)發(fā)展的能力，從而

提高學生的全面素質。從以下幾點關注學生的發(fā)展：

一、關注學生的“主體地位”。現代教育的特征就是發(fā)展人的主體性，追求

人的全面發(fā)展。如果我們還一直充當“主角”，而學生僅僅充當的是“配角”，剝

奪了他們自主學習的權力，必定對學生的全面發(fā)展造成影響。新課程指出我們的

教師應“以學生的發(fā)展為本”，因此，我們要牢固樹立以學生為主體的教學觀念，

激發(fā)學生參與意識，把主動權歸還學生，相信每一位學生都有發(fā)展，給學生提供

更多的參與機會，給學生搭建一個自主學習的舞臺，培養(yǎng)學生為了適應未來的生

活而努力準備。

二.、關注學生的“學習興趣”學生的學習興趣直接影響一節(jié)課的教學效果，

因為“興趣是最好的教師”，“沒有興趣的學習，無異是一種苦役；沒有興趣的地

方，就沒有智慧和靈感。”入迷才能叩開思維的大門，智力和能力才能得到發(fā)展。

課堂上看學生的學習興趣如何，可從這幾點觀察：教師是否有創(chuàng)設各種情境誘發(fā)

學生的求知欲；教師是否能提出矛盾的問題，引起學生的疑惑；教師是否以生動

的實例，描述枯燥的概念，使比較抽象的內容變得通俗形象；教師是否有利用思

辨問題或實驗結論作引導，這樣既可激發(fā)學生的學習興趣又可啟發(fā)學生的思考。

三、關注學生情感、態(tài)度與價值觀的體現與發(fā)展作為老師，在強調學習基

本知識的過程中，要潛移默化地培養(yǎng)學生積極的人生態(tài)度，正確的價值觀、人生

觀和科學的世界觀，使學生在學習知識的過程中學會正確的價值選擇，逐步具有

社會責任感，努力為人民服務，樹立遠大理想。教師應該在思想觀念上實現重大

轉變，充分利用教材和各種有用信息對學生進行培養(yǎng)。處處注意創(chuàng)設民主、寬松

的課堂教學氛圍，以幽默的話語、尊重和贊賞，正確引導與啟發(fā)學生，使學生在

會心的笑容中輕松掌握知識與方法，并敢于表達自』的情感體驗及對自己、同伴、

或老師作出合理的評價，使每個學生在這方面都能得到更好的發(fā)展。

L2關注教學的有效性

確立學生在教學中的主體地位，可以從以下兩個方面實施：

首先，把學生的學習主動性權交給學生。課程標準中滲透著以人為本和以學

生發(fā)展為本的新理念，以學生發(fā)展為本就是要真正認識學生是學習的主人的觀

點。課堂教學中要把學習的主動性權交給學生，讓他們按自己的愛好選擇學習內

容。

其次，讓學生參與教學活動。讓學生參與教學活動是真正體現學生主體地位

的策略。學生在課堂上不再是旁觀者，被動接受者，他們的智慧得到啟迪，能力

得到發(fā)展，創(chuàng)新意識得到培養(yǎng)。

①學生參與教學設計，

②讓學生參與課堂講解。

1.3關注教學的策略

■以問題為核心驅動學習，問題可以是項目、案例或實際生活中的矛盾，

■強調以學生為中心，各種教學因素，包括教師只是作為一種廣義的學習環(huán)

境支持學習者的自主學習，誘發(fā)學習者的問題并利用它們刺激學習活動，

或確認某一問題，使學習者迅速地將該問題作為自己的問題而接納。

■學習問題必須在真實的情景中展開，必須是一項真實的任務。

■強調學習任務的復雜性，反對兩者必居其一的觀點和二者擇一的環(huán)境。

■強調協(xié)作學習的重要性，要求學習環(huán)境能夠支持協(xié)作學習。

■強調非量化的整體評價，反對過分細化的標準參照評價。

■設計學習任務展開的學習環(huán)境，提供學習資源、認知工具和幫助等，以反

映學習環(huán)境的復雜性。

■應設計多種自主學習策略，使得學習能夠在以學生為主體中順利展開。

1.4關注教學價值觀

注重在傳授知識的同時組織學生的認知活動，掌握自我學習、自我發(fā)展的本

領。

2.課程描述

2.1課程的性質

本課程是應用物理學本科專業(yè)的一門重要的、必修的專業(yè)基礎理論課，光學

(optics)是物理學的重要分支學科。也是與光學工程技術相關的學科。狹義來

說，光學是關于光和視見的科學，optics詞早期只用于跟眼睛和視見相聯系的

事物。而今天常說的光學是廣義的，是研究從微波、紅外線、可見光、紫外線直

到X射線和丫射線的寬廣波段范圍內的電磁輻射的產生、傳播、接收和顯示，以

及與物質相互作用的科學，著重研究的范圍是從紅外到紫外波段。光學是研究光

的本性、傳播和光與物質相互作用的基礎科學。是一門理論與實踐相結合緊密的

專業(yè)核心課程，足物理學的一個重要組成部分。

2.2課程在學科專業(yè)結構中的地位、作用

光學是物理學中最古老的一門基礎學科，又是當前科學領域中最活躍的前沿

陣地之一。本課程在天體物理、激光、材料物理、核物理、電子電氣、無線電通

信、光信息科學和技術等領域有廣泛的應用。由此可見，本課程是學好固體物理、

半導體物理、光電子學等多門課程的基礎，該課程自身體系完整，課程中的基本

理論將在后續(xù)課程中得到應用。

2.3課程的歷史與文化傳統(tǒng)

2015年距離阿拉伯學者伊本*海賽姆海的五卷本光學著作誕生恰好一千年。

一千年來，光的技術帶給人類文明巨大的進步。1815年菲涅爾提出的光波概念、

1865年麥克斯韋提出的光電磁傳播理論、1905年愛因斯坦的光電效應理論和

1915年通過廣義相對論將光列為宇宙學的內在耍索，以及1965年彭齊亞斯和威

爾遜發(fā)現宇宙微波背景，同年高銀提出光在纖維中的傳輸，以用于光學通信。2015

年是光學界許多里程碑式發(fā)現發(fā)明的周年紀念。聯合國大會已經宣布2015年為

國際光年，希望以此紀念千年來人類在光領域的重大發(fā)現，強調推動可持續(xù)發(fā)展、

解決能源、信息、教育、農業(yè)和衛(wèi)生等世界性問題的光技術的重要性。2015年

國際光年已獲得聯合國全體成員的支持，將由國際上包括IEEE,CIE,SPIE等

50個國際學術科研團體聯合舉辦。中國光學學會也把紀念國際光年的活動列為

2015年的重要議事日程。

2.4課程的前沿及發(fā)展趨勢

當今的光學學科飛速發(fā)展。特別是近30年來，由于激光的問世，光學的面

貌發(fā)生了深刻的變化，光學的研究內容也從傳統(tǒng)的光學與光譜學迅速擴展到光學

與物理其他分支學科的交匯點。諸如激光物理、非線性光學、高分辯率光譜學、

強光光學和量子光學正不斷趨于完善和成熟。有的則正在積累形成新的分支學

科，如光子學、超快光譜和原子光學等。光學與化學、生物學、電子學、材料學、

醫(yī)學及生命科學的交叉也越來越廣泛和深入。光學中的新理論、新概念和新方法

己成為激光、光纖通訊等高技術產業(yè)發(fā)展的重要依托（光學工程）。可以預見，在

21世紀中，光學的研究將會有若干突破性的進展，并對生命科學、生物學等領

域的突破，以及光學、光電子等高技術產業(yè)革命起到關鍵性的先導和推動作用。

2.5課程與經濟社會發(fā)展的關系

2015年是聯合國教科文組織發(fā)起設立的“光和光基技術國際年”（The

InternationalYearofLightandlight-basedTechnologies）,簡稱“國際

光年”。光學在人類健康、通訊、經濟、環(huán)境、人類生活改進等方面都做出巨大

的貢獻。從航空航天到日常的生產和生活，光學無處不在。100年以來，對科學

技術貢獻的標志性「作之一就是諾貝爾獎的獲得。其中15項與光學有關的諾貝

爾獎獲得項目分別是光電效應（1921年）、微波激射器（1964年）、全息照相（1971

年）、宇宙背景射線（1978年）、激光光譜（1980年）、精確原子光譜（1989年）、

激光冷卻（1997年）、飛秒激光化學（1999年）、波色愛因斯坦凝聚（2001年）、

半導體異質結激光器（2002年）、量子光學與頻率光梳（2006年）、發(fā)現熒光蛋

白（2008年）、光纖的發(fā)明（2009年）、量子光學（2012年）、藍光LED超分辨

成像（2014年）。光學對經濟發(fā)展的重大推動作用，在現代信息技術方面，1966

年華裔科學家高餛利用光傳輸全反射原理取得光纖物理學的突破成果，促成光纖

通信系統(tǒng)的問世，為當今互聯網的發(fā)展鋪平了道路；在先進制造領域，激光加工

以其無磨損、高硬度、高熔點等優(yōu)勢正逐步取代傳統(tǒng)機械加工，而飛秒激光加工

則是未來高精度加工的發(fā)展趨勢。比如三維微納加工、眼科手術、3D打印等都

是激光的現代應用；在能源與健康領域，不論是能耗低、安全性高的LED光源，

還是波長短、穿透能力強的X光，都為人類生產生活帶來極大的便利；而安檢時

廣泛運用的太赫茲波與激光武器等則是光學科技運用于國家安全的典型案例。

2.6課程內容可能涉及到的倫理與道德問題

在狹義范圍內，本課程內容不涉及到倫理與道德問題。從廣義范圍來看，教

學過程涉及到的科學技術與倫理道德的關系是辯證統(tǒng)一的關系。一方面,教學過

程的科學求真與倫理道德的求善反映了人類不同的需求，二者在實現的過程中有

時會產生沖突；另一方面，教學過程的科學求真與道德的求善，都是人類追求的

目標，本課程的科學發(fā)展史有助于學生倫理道德水準的提升；倫理道德的進步有

助于培養(yǎng)學生的辯證唯物主義世界觀。

2.7學習本課程的必要性

光學是物理學中最古老的一門基礎學科，乂是當前科學領域中最活躍的前沿

陣地之一。光學課程既能為學生進一步學習原子物理、量子力學、相對論等課程

準備必要的前提條件，乂有助于進一步探討微觀和宏觀世界的聯系與規(guī)律。通過

本門課程的學習，為學習后續(xù)課程以及今后的工作打下基礎。

3.教師簡介

4.先修課程

《高等數學》，《電磁學》，《原子物理學》,

5.課程目標

5.1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。

5.2牢固掌握幾何光學的基本概念、成像規(guī)律和作圖方法。熟悉典型助視光學儀

器的基本結構及原理。

5.3了解現代光學的發(fā)展概況以及現代光學的基本概念、原理，研究的方法、手

段，培養(yǎng)學生學習的興趣，

5.4培養(yǎng)學生的學習能力、科學探究能力和分析解決問題的能力，培養(yǎng)學生實事

求是、勇于探究的科學精神和辯證唯物主義世界觀。

6.課程內容

6.1課程的內容概要

第一章光的干涉

1-1光波的疊加與相干

1-2由單色波疊加所形成的干涉花樣

1-3分波面雙光束干涉，楊氏雙縫干涉

1-4干涉條紋的可見度

1-6分振幅薄膜干涉，等傾干涉

1-7等厚干涉，多光束干涉

1-8干涉儀，牛頓環(huán)

1-9光的干涉應用

第二章光的所射

2-1惠更斯-菲涅耳原理

2-2半波帶法，菲涅耳衍射

2-3夫瑯和費單縫衍射

2-4夫瑯和費H孑I衍射，埃里斑

2-5瑞利判據，衍射光柵

2-6譜線半角寬度與缺級現象，光柵方程及分辨本領

第三章幾何光學

3-1幾個基本概念和定律，光線，光程，費馬原理

3-2光在平面界面上的反射和折射，光導纖維。

3-3球面反射與折射成像，高斯公式牛頓公式，組合透鏡

第四章光學儀器基本原理

第五章光的偏振

5I白然光與偏振光，

5-2線偏振光與部分偏振光

5-3雙折射，布儒斯特定律

5-4馬呂斯定律，

5-5起偏與檢偏,波片，

5-6橢圓偏振光和圓偏振光

5-7偏振態(tài)的實驗檢定

5-8偏振光的干涉.

第七章光的量子性

7-1經典福射定律

7-2普朗克輻射公式

7-4光電效應,.

7-5康普頓效應.

7-6光的波粒二象性

期末總復習

6.2教學重點、難點

第一章（含緒論）光的干涉

重點：相干條件，等傾干涉、等厚干涉的特征，邁克爾孫干涉儀基

本原理及其應用

難點；光源與機械波的區(qū)別，光源的線度對干涉條紋的影響，邁克

爾孫干涉儀基本原理及其應用

第二章光的優(yōu)射

重點：惠更斯一菲涅耳原理的物理意義、夫瑯和費單縫衍射，瑞利判

據、光柵方程

難點：半波帶法，缺級現象

第三章幾何光學的基本原理

重點：費馬原理、符號法則，

難點：符號法則的正確使用

第四章光學儀器的基本原理

重點：望遠鏡、顯微鏡的原理、放大本領和分辨本領

難點：區(qū)別角放大率與放大本領，有效光諫和聚

第五章光的偏振

重點：單軸晶體的光軸、主截面和振動面，單軸晶體中的惠更斯作

圖法，布儒斯特定律和馬呂斯定律，偏振光干涉光強的計算光本領

難點：光振動與自然光和偏振光的聯系，晶體的雙折射，產生線偏振

光、圓偏振光和橢圓偏振光的條件，1/4波片和/2波片的功用

第七章光的量子性

重點：黑體輻射，光電效應

難點：普朗克公式，康普頓效應

6.3學時安排

序號主要內容參考學時

1（-）緒論2

2（二）光的T涉8

3（三）光的衍射8

4（四）幾何光學基他8

5（五）光學儀器的基本原理6

6（六）光的偏振9

7（七）光的量子性4

合計45

7.課程實施

7.1教學單元一

7.1.1教學日期

第一周

7.1.2教學目標

1、理解光的迭加原理，掌握光的相干條件。并能分析各種干涉裝置如

何產生相干光？

2、掌握光程差與位相差的關系。

3、對楊氏雙縫要求掌握以下幾點：

A、光程差公式。

B、極大極小條件。

C、干涉條紋的形狀及隨實驗條件變化的變化情況。

7.1.3教學內容（含重點、難點）

重點：相干條件，

難點：光源與機械波的區(qū)別

7.1.4教學過程

緒論

通過時間坐標，簡要敘述國內外光學從古至今的發(fā)展簡歷。

第一章光的干涉

1」光波的疊加與相干（引導法）

提問：根據日?？吹降母缮娆F象，引入問題。

1865年，麥克斯韋建立電磁場理論，預言了也磁波以

光速傳播，得出了光是某一波段的電磁波的結論。

1.1.1電磁波的傳播速度和折射率

真空中光速。=1/廂？

介質中光速u-c/

介質折射率n=C/u=yl

這個公式將光學和電磁學這兩個不同領域中的物理量聯系起來。

1.1.2光的強度

背景知識：橫波、縱波（提問：橫波和縱波是如何定義的？）

橫波：質點的振動方向馬波的傳播方向垂直。

縱波：質點的振動方向馬波的傳播方向平行。

光是橫波

平面電磁波方程

E=EQcos(<c(jt-kr+(p())

<

H=H()cos(6yf-kr+/)

對人眼或感光儀器起作用的是,

電場強度E

光波中的振動矢量通常指的是

可見關：能夠被人眼感受到的電磁波。

波長范圍:390nm760nm

可見光波譜：

紅外線波長長短

紫外線

LL3機械波的獨立性和疊加性（問答法）

提問：兩列水波相遇，如何傳播？

波動的獨立性原理：介質中幾列波同時

傳播，每一列波不會因為其他波的存在

而改變各自傳播屬性的特點；

波動的疊加性原理：在波列相遇的區(qū)域,

介質每一點的振移是各波列單獨存在時

該點振動位移的矢量和。

1.1.4干涉現象是波動的特性

一般情況下，各個波的振動方向和頻率均不同，相位關系不確定，疊加的合成波

較為復雜。

干涉現象：滿足一定條件的兩列波相遇迭加，在迭加

區(qū)域內，有些點的振動始終加強，有些點

始終減弱，呈現出有規(guī)則的穩(wěn)定分布現象,

這種現象就是干涉現象。相應的波稱為相

干波，產生相干波的波源叫相干波源。

波動的特征是能量以振動的形式在物質中依次轉移，物質本身并不隨波移動

1.1.5相干與不相干疊加（引導法）

提問：簡諧振動中兩矢量如何相加？

匕=&cos（6yf+臼）y2=4cosGyl+心

=

y=+y2cos（cot：+。）

其中

222

A=4+A2+24出cos（如一的）

A,sin（p,+A,sin

（p=arctan----------=y----—

4cos（p\4-A2COS（p2

平均振動強度

I=A2=十

2

=/I]+4；+24力2+/COS(Q-5\it

討論

⑴若兩振動不中斷，即也一律=const

T=4；+心+2力出COS(32~^1)

a:若3-e=2"(j=0,123...)

則：心=(4+4y

合振動平均強度達最大值-------干涉相長

b:若僅_9=Qj+1%（j=0,12,3........

則：4in=U-42T

合振動平均強度達最小值-------干涉相消

c：當（Q-e）為任一其它星值時（設4=4）

22

1=2J[[1+COS（92-）]=4力；cos6）°

,,'max--'min

⑵若振動時斷時續(xù)，兩初位相獨立地變化，即：

（p.,-（px=f（t）*const

則：按概率統(tǒng)計理論在觀察時間吶，仍-%幾率均等地

在0f2司可的一切可能值內變化

!jrcos（02—9山1=0=>/=力；+力；

合振動的平均強度為兩分振動強度之和

總結：

A：兩振動的位相差（02-0。在某點始終保持不變，則在較長的觀察時間內可

觀察到整個空間穩(wěn)定的干涉花樣（強度的非均勻分布）。通常稱頻率相同、

振動方向幾乎相同、位相差恒定的兩個振動是相干的。

B：若（02?0/）在觀察時間內無規(guī)則變化，則空間各點強度均等于分振動強度

之和不出現干涉花樣，通常稱這樣的兩個振動是非相干的。

1.2由單色波疊加所形成的干涉圖樣

1.2.1相位差和光程差（詳細板書）

設兩點光源SI、S2的振動可表示為

=41COS（69f+

=4）2COS（M+

同時到達P點時，其振動方程為:

1、相位差~----+（仰2-801）

C

（0=2;zv=

O2

-

△°二彳｛n2r2-〃山)+(夕02>oj

A

2、光程、光程差

光程：介質折射率與光波在該介質中所通過的路程的乘積

\=nr

QQ

由〃=一，得N=一r=ct

vu

光程差：6=n2r2-〃w

討論：

⑴光程具有可加性△=%p7

⑵在真空中n廣山=1A4

△=r3="一百

(3)若光源為相干光源，并假設外?-仍2=0

干涉相長=2力r6=H

干涉相消b(p=(2J+D〃S=(2J+1)2/2

光的干涉問題的討論可以從光程差的討論入手

1.2.2干涉圖樣的形成(詳細推導)

相長：N(p=2j兀4-4=2j-

相消：卜9=(2j+1)乃r2-i\-(2J+1)1

乙

D?d,D1m,d弋10'4m

x

8-r1—rx?dsinf)xdtan0=d—

相長：與一4Hd"X=j匕入j=o,±l,±2…

d

n2

相消：々-4Hdm=（2J+1）］X=(2j+1)-^j=0,±l,±2…

L7乙d2

條紋間距：bx=打+i-xj=-2

632.8nm的氨嵐激光器產生的干涉條紋小

589.3nm的鈉黃光產生的干涉條紋

白光入射的楊氏雙縫干涉照片

綜上所述，干涉條紋具有如下特征：

各級亮條紋強度相等，相鄰條紋（明或暗）間距相等，且與干涉級J無關；

當波長入一定時，條紋間距Ax8D,A1/d；當D、d一定時，Ax0c入。

歷史上第一次測定光波波長就是通過測定Ay來實現的；

當用白光（復色光）作光源時，除j=0的中央條紋仍為白色（復色汐卜，其余各級

條紋均成彩色且內紫外紅；干涉圖樣實質上體現了參與相干疊加的光波間相位差

的空間分布

?若002手001，但外一（Po\=干涉花樣仍然不變不過相對于SR

有一個移動其移動距離和方向由儂-如"J大小和正負來決定

1.3分波面雙光束干涉

1.3.1光源和機械波的區(qū)別（比較法）

機械波源與光波波源特征不同

從波動的角度看，雖然光與機械波和普通電磁振蕩沒有本質的區(qū)別，但是，第一,

我們無法直接觀察或測量光波電矢量周期性變化的情況，第二，普通的光也無法

產生干涉。這到底是為什么？

第一點，光的波長在400?760nm,其頻率約是lO^Hz,這樣短的變化周期不僅

比人眼的響應時間要小得多，也比電子儀器的響應時間小得多，所以，我們無法

直接感受到光的振動情況，（比較容易理解）

由于測量儀器的響應時間比光波的振動周期大許多，光強的測量值實際上是光波

的能流密度在一定時間內（即儀器響應時間內）積累強度的平均值。如果設觀察

時間或儀器響應時間為T（T>>T），則光強

T=刑=十8

設觀察時間為r-至少為儀器或人眼反應時間

（如-四）在觀察時間內不是穩(wěn)定值，而是隨時間作無規(guī)、隨機改變。由于

cos（3-d）在（-1,1）隨機取值，則有

7「COS（Q-四卜1二0

1=1]+/,>+2，]—,—（cos△如I=A+4

兩列光的強度簡單相加，這就是我們通常觀察到的現象。普通的光之間是沒有干

涉的。

1.3.2獲得穩(wěn)定干涉圖樣的條件典型的干涉實驗（描述、比較法）

1、條件：在任何瞬時，到達觀察點的必須是同一批原子發(fā)射的經過不同的光程

的兩列光波。

2、方法：

A、分波面法如楊氏雙縫干涉卜\

波面的各個部分作為發(fā)射次波的光源,

這些次波交疊在一起發(fā)生干涉。

B、分振幅法如等傾干涉、等厚干涉

干涉次波本分被分成兩部分，各自走

過不同的光程后重新疊加并發(fā)生干涉。

C、分振動面如偏振光的干涉（第五章）

3、典型分波面干涉實驗

a、楊氏雙縫實驗

楊氏雙縫干涉實驗原理

sin0?tan0=x/D=d—

D

光程差：hr=r?-r\xdsin0

明暗紋條件

-±kA明

A"A=0,1,2,…

、士（2*“4暗

「土學4明

X=JdZ=0,1,2,…

L(2A+若弓暗

條紋特點：

(1).明暗相間的條紋對稱分布于中心O點兩側。

(2).相鄰明條紋和相鄰暗條紋等間距，與干涉級k無關。

條紋中心間距加=占〃一.=鄉(xiāng)4

a

條紋中心間距變化AxccA.AxacD/teocl/d

(3).若用復色光源，則干涉條紋是彩色的。

b、洛埃鏡

半波損失：入射光在光疏介質中前進，遇到光密介質的界面時，在掠射

或正入射兩種情況下，發(fā)射光的振動方向對于入射光的振動方向都幾乎

相反，光程好像損失(或增加)了半個波長一樣。

(I)反射光與入射光比較

m<n2有半波損失

/：|>nz無半波損失

(2)經介質膜上下界面兩反射光比較

{ni<〃2,〃2>〃3

或n\>my〃2<〃3

nl>n2>n

或nl<n2<n3

例題：（練習式）

例題1楊氏雙縫實驗d=0.2mm,屏到雙縫距離

d'=2.0m,若測得干涉條紋中第三級明條紋到屏

中心的距離為18.9mm,求：（1）此單色光的波長;

（2）相鄰明條紋的間距。

解(1)由明紋公式x=±k--k=0,1,2…

dnf

知n=l,k=3,x=18.9mm,則

丸=J=6.3xIO/"/

（2）兩相鄰明條間距=6.3/TZOT

a

例題2在楊氏實驗裝置中，兩小孔的間距為0.5mm,光屏離小孔的距離為

50cm。當以折射率為1.60的透明薄片貼住小孔S2時：發(fā)現屏上的條紋移動了

1cm,試確定該薄片的厚度。

解：未加薄片前，P點的光程差為

6=r.-r9=—y=—mmx10/TZOT=0.OI/ZZ/T7

rQ500

因為加薄片前，P點的光程差為0

￡="一與十（1一加〃=0

--------y=牌mm=1.67x10-7mm

06

(〃-l)rQ

7.1.5教學方法

課堂講授、案例分析、討論與探究法、自主學習法、實驗與演示法等

7.1.6作業(yè)安排及課后反思

作業(yè)2題

7.1.7課前準備情況及其他相關特殊要求

7.1.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）

光學教程第五版姚啟均原著高等教育出版社

緒論0.1,0.2節(jié)

第一章光的干涉1.1,1.2,1.3節(jié)

應用光學與物理光學.石順祥等編著.西安電子科技大學出版社,2000.8

緒論

第二章光的干涉2.1節(jié)

****>**,*********w*w*>*****,***w*>**w*,**

7.2教學單元二

721教學日期

第二周

7.2.2教學目標

1、了解干涉條紋H勺可見度

2、掌握分振幅法等傾干涉條紋的條紋特征；

3、掌握分振幅等厚干涉的條紋特征；

723教學內容（含重點、難點）

重點：等傾干涉、等厚干涉的特征

難點：光源的線度對干涉條紋的影響

7.2.4教學過程

1.4干涉條紋的可見度

1.4.1干涉條紋的可見度（直觀法）

可見度：描述干涉圖樣中條紋的強弱對比。

■nixnun

max+

II山，

當lmin=O時，V=l,條紋對比最清楚，可見度最好

當Imin^Imax時，V00,條紋不可見

雙光束的振幅比對干涉條紋可視度的影響

I=力：+團+24出cosN(p

cos\(()=1znax=(4+4)2

COS\(p=-1/nin=(4-力2)2

v=244=2(4/4)

1+(4/4)?

I=(4;+4)(1+Pcos△*)

令/()=/]+=4/+42

I=/0(1+VcosAp)

142、光源的非單色性對干涉條紋的影響(圖示直觀法)

1.理想的單色光

2.準單色光、譜線寬度

準單色光：在某個中心波長(頻率)附近有

一定波長(頻率)范圍的光。實際使用的單

色光源都有一定的光譜寬度ZU

設：A為光源的波長，以為譜線的寬度

當+的第k級條紋和1的第k+1級條紋重合時，條紋不可分辨

設能分辨的干涉明紋最大級次為kM

e,/-AZ\Z.1、/I△%、4>>AAA

bmax=k”(4+—)=(kq+1)(4——)^=—

與對應的光程

./-△/、△/\

k，九+——)=—U+——)

2AZ2

黑x

（小。（"放=號十小號）A2

相干長度；由光源的單色性決定的、產生可見度不為零的、干涉條紋的最大光程

差也可定義兩列波能發(fā)生干涉的最大光程差叫相干長度。

力

相干長度一冊=k”入=4：中心波長

1.4.4、光源的線度對干涉條紋的影響

當光源寬度d增大到某個寬度面時，干涉條紋剛好消失:

S.到5和S2的光程差：

§=弓f=daxd!

21|SF|

其中|AS21=9+/，并約去d的平方項

d'd

bc?-r

A

若光程差等于4Z2時，光譜的可見度降為0,此時

擴展光源的臨界寬度為：

2d

1.6分振幅薄膜干涉（一）一一等傾干涉

161、單色點光源引起的干涉現象（詳細推導）

利用薄膜上、下兩個表面對入射光的反射和折射，可在反射方向（或透射方向）獲

得相干光束。

*5

(1)光線路徑不同所產生的光程差為：

3=〃廊+麗-nJC'

由拓二而二djcos1,

nxAC=nxACsin/)

=(24tani2)/?2sini2

22

=sin&/cosi2=2〃2do(1-cos22)/cosi2

6=2%4cosi2

22

n.,cosi2=sini2=-n；sinJ1折射定律

B=2d]6-〃:sin24

(2)反射光

當n2>m時，A點的反射光有半波損失，兩反射光間的光程差為:

鼠牝=24J避一/sin?i、-A

(3)透射光

B、C點的反射光都不造成半波損失，兩透射光間的光程差為：

九二雙荷一si"

(4)干涉相長和相消的條件

k入k=1,2,???

(2八若k=1,2,...

\乙

(5)反射率對干涉條紋的影響

反射率P書

由菲涅爾公式得：

tan2(j\-i)

tan2。；+J2)

iji：=勾/4

一

P=Ps=Pp=

J2+4

根據光程差公式的變量定義等厚干涉和等傾干涉

2

A=2/?2</Vl-sinr--

若入、i一定：d~*對應△（等厚干涉）

若入、d一定：i~*對應-*△（等傾干涉）

常見的兩種等厚薄膜干涉

1.劈尖干涉

（1）圖示G1下表面和G2上

表面形成劈尖中間為空氣（n=1）

—空氣劈尖

（2）干涉條紋

光線垂直入射，反射光（1）（2）的干涉，

光程差（提問？）

A0〃^加強

△=一丁=?

1（24+1）4減弱

2

討論；

（I）等厚干涉條紋：平行棱邊的明暗直條紋；

（2）棱邊處d=0,即為暗條紋（提問：為什么？）

（3）條紋間距（圖示）

厚度差：加Y=

間距：Asin<9=-

2

（4）條紋變化

o\條紋變密nt條紋變密

對于厚度均勻的平面薄膜而言，光程差決定于傾角，相同入射角的入射光有相同

光程差，具有相同干涉加強和減弱的情況，因而，在焦平面上同一干涉條紋上各

亮點（暗點）對應相同的入射角，因而稱為等傾干涉。

等傾圓環(huán)條紋的分析

1.條紋級次變化

正入射中心點

7=7”=0

中心干涉級次j0=4='竺-1

422

，。不一定為整數一設為整數一中央為級亮紋（不影響條紋性質）

中心向外一而增大6減小，干涉級次降低（/減小）

2、第N個亮環(huán)半徑

接近正入弓丫X0

透鏡焦距為/,第N個亮環(huán)半徑:

3、相鄰圓環(huán)的間距

相鄰圓環(huán)角間距

西“

條紋間距Si\=f-bi、、

A、條紋間距和條紋角間距都正比于1/J獷-從中心向外M八逐漸加大-

條紋級數/減小，間距逐漸減小一條紋逐漸密集

B、薄膜厚度do越大，條紋間距越小，越不易分辨

等傾條紋特征：

(1)干涉花樣是一些明暗相間的同心圓環(huán)，

條紋觀察面上一點對應一個入(出)射方向，一個條紋對應一個/玲等傾圓條

紋；

(2)厚度一定時，干涉級數/越高，相當于入射角力越小，越靠近中央，因而中

央級次最高；

(3)條紋間距中央大，邊緣小，內疏外密；

(4)當加增大時，/增大，在圓環(huán)中心(SO)處有圓環(huán)冒出；當加減小時，j減

小，在圓環(huán)中心處有圓環(huán)吞入。每冒出或吞入一個圓環(huán)，薄膜厚度的改變

為：=y-

（5）光源的大小對等傾干涉條紋的可見度并無影響。

（6）光源的大小對等傾干涉條紋的可見度并無影響。

（7）若光垂直入射，既是當i為0時的特殊情況。

24Z{k=1,2,max

2ndH-----=*.、）/

2Q4+1）%（〃=0,1,2min

單色光垂直入射，在薄膜表面上：

或全亮或全暗、或一片均勻的光亮，沒有干涉條紋。

復色光垂直入射，在薄膜表面上：

有的顏色亮，有的消失，沒有干涉條紋。

7.2.5教學方法

課堂講授、案例分析、討論與探究法、自主學習法、實驗與演示法等

7.2.6作業(yè)安排及課后反思

作業(yè)：2題

7.2.7課前準備情況及其他相關特殊要求

728參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）

光學教程第五版姚啟均原著高等教育出版社

第二章光的干涉1.4,1.6,1.7節(jié)

應用光學與物理光學.石順祥等編著.西安電子科技大學出版社,2000.8

第二章光的干涉2.2節(jié)

7.3教學單元三

7.3.1教學日期

第3周2016年3月140,160

7.3.2教學目標

1、理解牛頓環(huán)產生的基本原理，鞏固干涉概念。

2、理解利用牛頓環(huán)測定凸透鏡的曲率半徑的基本原理。

3、掌握邁克爾孫干涉儀基本原理及其應用。

7.3.3教學內容（含重點、難點）

重點、