《普通物理四》课程教学大纲

《普通物理四》课程教学大纲课程编号：0612054课程总学时/学分：64/3.5（其中理论64学时，实验0学时）课程类别：学科基础与专业必修课一、教学目的和任务光学是一门重要的基础科学。本课程是物理与电子科学系的主干基础课，它和原子物理、电动力学、量子力学等后继课程有密切关系。该课程将使学生在普通物理的范畴内系统、全面、深入地掌握光学的基本理论、基本概念、基本现象和基本分析方法，培养学生科学的世界观、思维方法和创新能力，为进一步学习一系列专业课程、以及以后报考研究生或从事光学或光电子学相关工作打下坚实的基础。“教育的主要任务不是积累知识，而是发展思维。”本课程要做到以人为本，以教师为主导，以学生作为一切教学活动的主体、出发点、落脚点和终极目标，加强师生互动与交流，调动课堂内外一切手段，让学生生动、活泼、主动地得到发展，培养学生科学的分析思维能力及创新能力，提高学生的科学文化及专业素质。二、教学基本要求1.要求学生牢固掌握有关光的传播及其本性，包括干涉、衍射、偏振等基本现象、原理和规律，为后继课程奠定必要的基础。并了解它们在科研、生产和实践上的应用。2.要求学生牢固掌握几何光学的基本概念、成象规律和作图方法。熟悉典型助视光学仪器的基本原理。3.使学生在掌握光学的基础理论，基本知识和基本技能的基础上，初步具备分析处理光学教材和实际问题的能力。要求学生具有分析和处理中学物理光学教材问题的能力。4.要求学生了解现代光学发展的趋向，要求对激光产生的原理和激光器及傅立叶光学，光通讯等有初步的了解。5.培养学生在课堂教学、习题课及课外作业中的独立思考能力。三、教学内容及学时分配绪论（2学时）教学要求：介绍光学发展简史时，着重说明人类对光的本性的认识过程及波动说和微粒说对光的本性的认识上的差别。了解本课的学习内容和学习方法，了解光学的发展过程和特点。第一章光的干涉（12学时）教学要求：着重阐明光的相干条件和掌握光程的概念。分析双光束干涉时，应着重分析光强分布的特征。着重阐明等倾干涉和等厚干涉的基本概念及其应用。条纹定域问题不作分析。介绍迈克耳孙干涉仪和法布里-珀罗干涉仪的原理及其应用，分析法布里-珀罗干涉仪时，应突出多光束干涉的特点。扼要介绍薄膜光学的内容。时间相干性和空间相干性的概念，可放在激光的相干性中讨论。半波损失可用菲涅耳公式解释，也可机动处理。关于干涉现象的应用，主要介绍镀膜光学元件和牛顿环。教学内容：1．光的波动性，光束的独立性、叠加性和相干性。2．光程和光程差，实现相干光束的方法。3．半波损失。4．等倾干涉和等厚干涉。5．迈克耳孙干涉仪。6．多光束干涉,法布里-珀罗干涉仪。教学重点：光的干涉教学难点：光程的概念以及光程差和相位差的关系第二章光的衍射（10学时）教学要求：本章围绕惠更斯-菲涅耳原理，讲授菲涅耳积分表式的意义。着重阐明夫琅和费单缝衍射和衍射光栅。运用解析法推导夫琅和费单缝衍射光强公式。着重阐明光栅方程的导出及其意义，扼要介绍闪耀光栅。运用振幅矢量合成图介绍菲涅耳(圆孔、圆屏和直边)衍射中的一种和环状波带片。讲授夫琅和费圆孔衍射强度公式时只提结论，着重说明第一最小值所在位置的重要性。教学内容：1．惠更斯-菲涅耳原理，振幅矢量合成作图法。2．菲涅耳衍射、波带片。3．夫琅禾费单缝衍射。4，夫琅禾费圆孔衍射。5．平面衍射光栅。教学重点：夫琅和费单缝衍射和衍射光栅教学难点：解析法推导夫琅和费单缝衍射光强公式第三章几何光学基本原理（10学时）教学要求：阐明光线、实象、虚象和虚物等概念。由费马原理导出折射定律。着重阐明薄透镜的物象公式和任意光线的成象作图法，这些内容应配合习题课加强基本训练。几何光学的符号法则采用新笛卡儿符号法则。扼要介绍光学纤维的构造及其应用。教学内容：1．光线的概念，几何光学的应用范围，费马原理。2．单心光束和像散光束，实像和虚像。3．几何光学的基本定律。4．平面反射和折射,棱镜的最小偏向角,光学纤维。5．符号法则，球面反射和折射。6．虚物的概念，薄透镜。7．理想成像的条件，横向放大率和光束会聚比教学重点：薄透镜的物象公式教学难点：费马原理第四章光学仪器（8学时）教学要求：本章围绕衡量光学仪器特性的三个本领进行教学，其中着重阐明放大本领和分辨本领，扼要介绍聚光本领。在典型的光学仪器中，着重介绍望远镜和显微镜。并叙述数值孔径和相对孔径的意义。光度学中主要介绍光通量、亮度和照度的概念。象差概论中主要介绍球差和色差及其矫正方法。教学内容：1．理想光具组的放大本领。2．入射光瞳和出射光瞳，光度学和基本概念及其单位，像的亮度和照度，物镜的聚光本领。3．像差概论。4．助视仪器的成像分辨本领，分光仪器的色分辨本领。5．典型的光学仪器（放大镜、显微镜、望远镜和投影仪等）。教学重点：放大本领、分辨本领和聚光本领教学难点：数值孔径和相对孔径的意义第五章光的偏振（8学时）教学要求：阐明惠更斯作图法，说明光在单轴晶体中传播的规律。介绍布儒斯特定律和马吕斯定律。阐明自然光、平面偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光的概念及其检定方法。介绍1/4波晶片的功用。教学内容：1．自然光和偏振光，光是横波，偏振度和部分偏振光。2．反射和折射时的偏振现象。3．布儒斯特定律，马吕斯定律。4．光通过单轴晶体时的双折射现象，光轴与主截面，o光和e光。5．偏振仪器。6．椭圆偏振光和圆偏振光，波晶片，偏振光的检定法。7．偏振光的干涉。8．在应力、电场作用下所引起的双折射。9．旋光现象，振动面的磁致旋转。教学重点：自然光、平面偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光的概念及其检定方法教学难点：光在单轴晶体中传播的规律第六章光的吸收、散射和色散（2学时）教学要求：定性介绍吸收、散射和色散的经典解释。教学内容：1．光的吸收。比尔定律。2．光的散射，散射光的强度和波长之间的关系，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。教学重点：吸收、散射和色散的经典解释教学难点：散射和色散第七章光的量子性（6学时）教学要求：简单介绍光速的测定方法，着重讨论光的相速度和群速度。概括介绍量子论的早期发展过程。着重讲述光的量子性和主要实验证据——光电效应和康普顿效应。教学内容：1．热辐射，基尔霍夫定律。2．绝对黑体，绝对黑体辐射定律。3．普朗克公式。4．光电效应，光子，爱因斯坦方程。5．康普顿效应。6．光的波粒二象性。教学重点：光的量子性和主要实验证据——光电效应和康普顿效应教学难点：光的相速度和群速度第八章现代光学简介（4学时）教学要求：重点讲述亚稳态能级，受激发射光激励，粒子数反转，光振荡等基本概念。在激光器的种类这一节中，简单介绍红宝石激光器，He-Ne激光器和可调谐染料激光器。结合电极化矢量扼要地介绍非线性光学及其应用。定性解释全息照相的基本原理。结合实际适当介绍科研前沿的知识。教学内容：1．激光的基本原理。2．激光的特点及其应用。3．激光器的种类。4．非线性光学概述。5．全息照相。6．信息光学简介。教学重点：亚稳态能级，受激发射光激励，粒子数反转，光振荡教学难点：全息照相的基本原理四、推荐教材及参考书目[1]姚启钧原著华东师大《光学》教材编写组改编.《光学教程》4版.—北京：高等教育出版社，2008.5[2]母国光，战元令.《光学》第一