《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-Wesley Publishing Company，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是缝间干涉因子的主极强条件,而asin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?