 |
|
II. Учебная программа раздела «Оптика»
2.1. Пояснительная записка
Оптика представляет собой один из важнейших разделов физики. Несмотря на свою многовековую историю, она до сих пор испытывает интенсивное развитие, обогащаясь все новыми открытиями законов и явлений. Происходит это благодаря тесной связи оптики с основными разделами учения о строении вещества, учениях о строении атомов, атомных ядер, элементарных частиц, кристаллов и т.д. Значительных успехов оптика достигла с изобретением лазеров. Это новый раздел физики – оптика, рожденная лазером, т.е. нелинейная оптика. Особую печать накладывает на современное понимание оптических явлений дуализм волновых и квантовых свойств света. Поэтому современная оптика позволяет получить сведения о строении вещества и свойствах материи.
Учебная программа построена в соответствии с требованиями Государственного стандарта. Раздел «Оптика» дисциплины «Общая и экспериментальная физика» по учебному плану специальности «Физика» 032200.00 изучается в 5 семестре.
Цель раздела «Оптика» - дать более ясное представление о самых важных, наиболее принципиальных положениях учения о световых явлениях, их роли в науке, технике и жизни человека. В процессе изучения раздела необходимо раскрыть три важнейших процесса, определяющих большую часть оптических явлений (излучение света, распространение его и взаимодействие с веществом), а также объяснить общие свойства света с точки зрения электромагнитной (волновой) природы.
По окончании изучения раздела студенты должны знать:
1) современные представления о полевой картине мира;
2) ведущие идеи современной оптики;
3) основные научные факты, термины, понятия, законы, теории и концепции раздела «Оптика» и их формирование в историческом развитии оптики;
4) значение физических абстракций, ограниченность и приближенность наших знаний в каждом отдельном случае;
5) исторический путь развития оптики, перспективы ее дальнейшего развития, вклад выдающихся отечественных и зарубежных ученых в развитие теории света;
6) устройство и принцип действия оптических физико-технических, бытовых и учебно-физических приборов и установок;
7) основные принципы построения хода лучей в оптических системах;
8) основные положения волновой теории света.
По окончании изучения раздела студенты должны уметь:
1) строить ход лучей в оптических системах;
2) определять опытным путем характеристики оптических систем;
3) объяснять явления интерференции, дифракции, поляризации света с точки зрения волновой природы света и поперечности электромагнитных волн, строения вещества;
4) определять экспериментально характеристики светового излучения.
Лекционный курс сопровождается для более наглядного изложения материала демонстрационным и компьютерным экспериментом, а также используются цифровые образовательные ресурсы.
Основными формами проведения занятий являются лекции, семинарские и лабораторно-практические занятия. Соотношение аудиторной и самостоятельной работы – 1,5:1. В рамках аудиторной работы студенты осваивают наиболее сложный теоретический материал и, выполняя лабораторные работы, закрепляют его на практике.
Большое внимание в изучении раздела "Оптика" уделяется организации самостоятельной работы студентов, в рамках которой они изучают некоторые вопросы теоретического курса, готовятся к семинарским занятиям и контрольным работам, осуществляют подготовку к допуску к лабораторной работе и к ее защите, а также выполняют индивидуальные домашние задания.
Введение рейтинговой системы позволяет контролировать самостоятельную работу каждого студента, соответствующим образом оценить ее и активизировать во всех возможных видах деятельности, а именно:
1) при подготовке к семинарским занятиям (изучение теории и решение домашних заданий);
2) при выполнении индивидуальных домашних заданий;
3) при подготовке к выполнению работ лабораторного практикума.
Студенты могут самостоятельно освоить материал раздела по индивидуальной траектории, выполнив все контрольные мероприятия и индивидуальные домашние задания. Тексты заданий они могут взять из учебно-методического комплекса.
Контроль за самостоятельной работой студентов включает проверку:
1) выполнения индивидуальных заданий,
2) подготовки теоретических вопросов, вынесенных на самостоятельное изучение,
3) правильности выполнения всех контрольных мероприятий по основным темам (модулям) раздела,
4) индивидуальную защиту отчетов по лабораторным работам.
Раздел «Оптика» изучается на 3 курсе в 5 семестре:
· лекции – 46 часов;
· семинарские занятия – 26 часов;
· лабораторные работы – 82 часа.
В соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта на нашем факультете была разработана квалификационная характеристика выпускника, некоторые из параметров которой могут быть сформированы при изучении раздела «Оптика».
2.2. Содержание раздела
Введение
Историческая справка. Шкала электромагнитных волн. Электромагнитная теория света Максвелла. Теории Ньютона и Гюйгенса о природе света. Принцип Ферма.
Фотометрия
Кривая видности. Фотометрические величины и способы их измерения. Закон освещенности.
Геометрическая оптика. Оптические приборы
Законы геометрической оптики. Отражение и преломление света на плоской границе сред и полное внутреннее отражение. Построение изображений в плоском зеркале. Ход лучей в призме. Уравнение призмы.
Отражение и преломление света на сферической поверхности. Инвариант Аббе Основное уравнение параксиальной оптики. Сферические зеркала и тонкие линзы. Получение изображений в сферических зеркалах и тонких линзах. Линейное увеличение. Основное уравнение параксиальной оптики.
Центрированная оптическая система. Построение изображений в оптических системах. Толстая линза. Кардинальные точки и плоскости. Построение изображений в толстых линзах.
Оптические приборы. Глаз как оптический прибор. Аберрации оптических систем.
Волновая оптика
Интерференция света.
Когерентные волны, методы получения когерентных волн. Пространственная и временная когерентность. Условия интерференции света. Оптическая разность хода. Бисистемы и условия получения интерференционной картины с помощью бисистем. Интерференция в тонких пленках. Полосы равного наклона и равной толщины. Интерферометры и их применение. Многолучевые интерферометры.
Дифракция света.
Принцип Гюйгенса – Френеля. Метод зон Френеля. Интерференция на круглом отверстии, щели и диске. Дифракция в параллельных лучах на одной щели. Дифракция Фраунгофера. Дифракционная решетка. Дифракция на двумерных и трехмерных структурах. Дифракция рентгеновских лучей, метод Лауэ. Уравнение Вульфа – Брегга.
Разрешающая способность оптических приборов. Теория Релея.
Понятие о голографии. Получение и восстановление голограмм. Дифракционная теория изображений. Запись голограмм в трехмерных средах. Метод Денисюка. Применение голографии.
Поляризация света
Естественный и поляризованный свет.Поляризация света при отражении и преломлении. Степень поляризации. Законы Малюса и Брюстера. Прохождение света через анизотропную среду. Двойное лучепреломление. Оптическая анизотропия одноосных и двуосных кристаллов. Поляризационные приборы. Искусственная оптическая анизотропия. Интерференция линейно поляризованного света. Эллиптическая поляризация. Вращение плоскости поляризации растворами и кристаллами. Эффекты Керра и Поккельса. Элементарная теория магнитооптического явления Фарадея.
Интерференция поляризованного света в параллельных и сходящихся лучах. Практическое применение интерференции поляризованных лучей.