Учебно-методический комплекс по дисциплине Оптика для специальности 010701 "Физика"
| Вид материала | Учебно-методический комплекс |
- Учебно-методический комплекс по дисциплине Молекулярная физика для специальности 010701, 480.43kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Конденсированного Состояния Для специальности, 322.8kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине Электричество и магнетизм для специальности, 430.57kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине Квантовая теория Для специальности 010701, 319.56kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика атомного ядра и частиц Для направления/специальности, 743.68kb.
- Учебно- методический комплекс по дисциплине опд. Ф 02. Методы математической физики, 340.98kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине опд. Р. 01 Программные средства измерительных, 504.75kb.
- Учебно-методический комплекс специализации «Физическое материаловедение» Обсужден, 1976.76kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине «Физика атома и атомных явлений», 803.75kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплина «физика» Кафедра общей и экспериментальной, 611.05kb.
ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»
Кафедра общей физики
Учебно-методический комплекс по дисциплине
Оптика
для специальности 010701 "Физика"
Кемерово 2007
| СОГЛАСОВАНО: | СОГЛАСОВАНО: |
| Декан физического факультета Ю.Н. Журавлев______________________ «____»__________________ 200__г. | Первый проректор КемГУ Б.П.Невзоров___ _________________ «____»__________________ 200__г. |
| УМК обсужден и одобрен Ученым советом физического факультета Протокол №___ от «___»_________200__г. Председатель Ученого совета факультета, Декан физического факультета Ю.Н.Журавлев _________________________ «_____»__________________ 200__г. | УМК обсужден и одобрен Научно-методическим советом КемГУ Протокол №___ от «___»_________200__г. Председатель НМС, первый проректор КемГУ Б.П.Невзоров ___________________ «____»__________________ 200__г. |
| ОБСУЖДЕНО: | РАССМОТРЕНО: |
| Зав.кафедрой общей физики Ю.И. Полыгалов «____»__________________ 200__г. | Председатель методической комиссии М.Л. Золотарев ___________________ «____»__________________ 200__г. |
| УМК обсужден и одобрен На заседании кафедры общей физики Протокол №___ от «___»_________200__г. Зав.кафедрой общей физики Ю.И. Полыгалов «_____»__________________ 200__г. | УМК обсужден и одобрен Методической комиссией физического факультета Протокол №___ от «___»_________200__г. |
СОДЕРЖАНИЕ
I. Требования государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (специальность 010701 "Физика") к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы и к уровню подготовки выпускника по разделу "Оптика".
II. Примерная учебная программа курса, рекомендуемая УМО «Физика».
1. Программа курса.
2. Темы семинаров по курсу «Оптика»
3. Основная тематика задач общего физического практикума
(лабораторные работы)
4. Учебно-методическое обеспечение раздела «Оптика»
III. Рабочая программа по курсу «Оптика» для специальности 010701 «Физика», ОПД, факультет физический
1. Пояснительная записка
2. Тематический план по курсу «Оптика»
IV. Методические рекомендации по изучению курса для студентов
V. Учебно-методические материалы
1. Содержание дисциплины
2. Лабораторные занятия, их наименования
3. Дополнительные лабораторные работы – экспериментальные задачи
4. Лекционные демонстрации
5. Тематический перечень работ лабораторного практикума и лекционных демонстраций с использований объекта МОЛ-01
6. Тематический перечень работ лабораторного практикума и лекционных демонстраций с использованием объекта МОЛ-02
7. Перечень учебных кинофильмов и видеоматериалов
8. Литература (основная и дополнительная)
VI. Формы текущего, промежуточного и рубежного контроля
1. Примерные темы рефератов
2. Перечень вариантов контрольных работ
3. Контрольная работа № 1
4. Контрольная работа № 2
5. Перечень вопросов по курсу «Оптика», выносимых на летнюю экзаменационную сессию для II курса физического факультета КемГУ
VII. Электронные варианты УМК, АСТ теста.
I. ТРЕБОВАНИЯ ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО СТАНДАРТА ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ (Специальность 010701 – ФИЗИКА) К ОБЯЗАТЕЛЬНОМУ МИНИМУМУ СОДЕРЖАНИЯ ОСНОВНОЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ ПОДГОТОВКИ ВЫПУСНИКА ПО КУРСУ "Оптика".
Основы электромагнитной теории света. Модулированные волны. Явление интерференции. Когерентность волн. Многолучевая интерференция. Явление дифракции. Понятие о дифракции Кирхгофа. Дифракция и спектральный анализ. Дифракция волновых пучков. Дифракция на многомерных структурах. Поляризация света. Отражение и преломление света на границе раздела изотропных диэлектриков. Световые волны в анизотропных средах. Дисперсия света. Основы оптики металлов. Рассеяние света в мелкодисперсных и мутных средах. Нелинейные оптические явления. Классические модели излучения разреженных сред. Тепловое излучение конденсированных сред. Основные представления о квантовой теории излучения света атомами и молекулами. Усиление и генерация света.
II. Примерная учебная программа курса «Электричество и магнетизм», рекомендуемая УМО «Физика»
1. Программа курса
1.1.Введение. Основные проблемы и направления в современной оптике. Классическая электромагнитная теория света. Классификация электромагнитных волн. Шкала электромагнитных волн. Источники света, их характеристики. Ограниченность классической теории. Корпускулярно - волновой дуализм.
1.2. Основы электромагнитной теории света. Уравнения Максвелла. Волновое уравнение. Бегущие электромагнитные волны. Скорость света в однородных изотропных диэлектриках. Плотность энергии и импульса электромагнитных волн. Вектор Умова-Пойнтинга. Интенсивность света. Давление света. Опыты Лебедева.
1.3. Модулированные волны. Модели оптического излучения. Волновые пучки и волновые пакеты. Монохроматические и квазимонохроматические волны, широкополосное излучение. Фурье-анализ и Фурье-синтез волновых полей. Спектральная плотность мощности. Соотношение между длительностью импульса и шириной спектра..
1.4. Явление интерференции. Интерференция монохроматических волн. Интерференция квазимонохроматического света. Функция видности. Основные интерференционные схемы. Получение интерференционных картин делением волнового фронта (метод Юнга) и делением амплитуды (метод Френеля). Полосы равной толщины и равного наклона. Интерферометр Майкельсона.
1.5. Когерентность волн. Временная когерентность, время и длина когерентности; спектральное и временное рассмотрение. Взаимосвязь спектра и корреляционной функции. Понятие о Фурье-спектроскопии. Пространственная когерентность. Интерферометр Юнга. Звездный интерферометр Майкельсона. Радиус и степень пространственной когерентности, их оценка для полей тепловых источников и лазеров. Методы повышения степени когерентности. Пространственные фильтры.
1.6. Многолучевая интерференция. Суперпозиция многих волн с равными амплитудами. Интерферометр Фабри-Перо. Формула Эйри. Пластинка Люммера-Герке. Стоячие световые волны. Опыты Винера. Применение интерферометров в науке и технике: измерение малых смещений, рефрактометрия. Интерференционные фильтры и зеркала.
1.7. Явление дифракции. Принцип Гюйгенса-Френеля, его интегральная запись и трактовка. Зоны Френеля. Применение векторных диаграмм для анализа дифракционных картин. Зонные пластинки. Дифракция на круглом отверстии и экране. Принцип Бабине. Ближняя и дальняя зоны дифракции. Дифракционная длина. Дифракция на краю полубесконечного экрана. Спираль Корню.
1.8. Понятие о теории дифракции Кирхгофа. Приближение Френеля и приближение Фраунгофера. Пространственное преобразование Фурье. Дифракционная картина в дальней зоне как Фурье-образ дифракционного объекта. Угловой спектр, связь его ширины с размерами отверстия. Дифракция Фраунгофера на щели, на прямоугольном и круглом отверстиях. Амплитудные и фазовые дифракционные решетки. Дифракция на акустических волнах. Акустооптические модуляторы.
1.9. Дифракция и спектральный анализ. Спектральный анализ в оптике. Спектроскопия с пространственным разложением спектров. Призменные, дифракционные и интерференционные спектральные приборы и их основные характеристики: аппаратная функция, угловая и линейная дисперсия, разрешающая способность, область дисперсии.
1.10. Дифракция волновых пучков. Дифракционная теория формирования изображений. Роль дифракции в приборах формирующих изображение: линзе, телескопе, микроскопе. Специальные методы наблюдения фазовых объектов: метод фазового контраста, метод темного поля.
1.11. Дисперсия света. Микроскопическая картина распространения света в веществе. Линейный оптический осциллятор. Классическая электронная теория дисперсии. Зависимости показателей преломления и поглощения от частоты. Фазовая и групповая скорости, их соотношение (Формула Релея). Нормальная и аномальная дисперсия показателя преломления. Дисперсионное расплывание волновых пакетов.. Поглощение света. Закон Бугера- Ламберта- Бэра. Особенности распространения света в металлах. Критическая частота. Отражение света поверхностью металла.
1.12. Поляризация света. Линейно-, циркулярно- и эллиптически- поляризованный свет. Математическое описание состояния поляризации. Поляризация естественного света. Оптические явления на границе раздела изотропных диэлектриков. Формулы Френеля. Поляризация отраженной и преломленной волн. Угол Брюстера. Явление полного внутреннего отражения света и его применение.
1.13. Оптика анизотропных сред. Распространение световых волн в анизотропных средах: экспериментальные факты и элементы теории. Уравнение волновых нормалей Френеля. Фазовая и лучевая скорости. Одноосные и двухосные кристаллы. Двойное лучепреломление света. Качественный анализ распространения света с помощью построения Гюйгенса. Интерференция поляризованных волн. Поляризационные приборы, четвертьволновые и полуволновые пластинки. Получение и анализ эллиптически поляризованного света. Понятие о гиротропных средах. Естественная оптическая активность. Сахарометрия. Анизотропия оптических свойств, индуцированная механической деформацией, электрическим (эффекты Поккельса и Керра), магнитным (эффекты Фарадея и Коттона-Муттона) полями. Эффект Зеемана.
1.14. Рассеяние света. Молекулярное рассеяние света. Зависимость интенсивности рассеянного света от частоты света (формула Рэлея) и угловая диаграмма рассеяния. Поляризация рассеянного света, его спектральный состав. Спонтанное рассеяние Мандельштама-Бриллюена и комбинационное рассеяние, крыло линии Рэлея. Рассеяние света в мелкодисперсных и мутных средах.
1.15. Классические модели излучения света. Классическая модель затухающего дипольного осциллятора. Оценка времени затухания. Лоренцева форма и ширина линии излучения. Естественная ширина линии излучения. Излучение ансамбля статистически независимых осциляторов. Ударное (столкновительное) и доплеровское уширение спектральной линии. Понятие об однородном и неоднородном уширении.
Тепловое излучение. Излучательная и поглощательная способности вещества их соотношение. Модель абсолютно чёрного тела. Закон Стефана- Больцмана, формула смещения Вина. Формула Рэлея-Джинса. Ограниченность классической теории излучения. Элементы квантового подхода. Формула Планка.
1.16. Основные представления о квантовой теории излучения света атомами и молекулами. Модель двухуровневой системы. Взаимодействие двухуровневой системы с излучением: спонтанные и вынужденные переходы. Коэффициенты Эйнштейна. Многоуровневые системы. Явление люминесценции: основные закономерности, спектральные и временные характеристики, интерпретация в рамках квантовых представлений. Резонансное усиление света при инверсной заселенности энергетических уровней. Методы создания инверсной заселенности в различных средах. Факторы определяющие ширину линии усиления.
Лазеры - устройство и принцип работы. Роль оптического резонатора. Условия стационарной генерации (баланс фаз и баланс амплитуд). Продольные и поперечные моды. Спектральный состав излучения лазеров. Синхронизация мод, генерация сверхкоротких импульсов. Энергетические характеристики лазерных систем.
1.17. Нелинейные оптические явления. Поляризация среды в поле высокоинтенсивного
лазерного излучения. Среды с квадратичной нелинейностью. Генерация гармоник, оптическое детектирование. Фазовый синхронизм и его реализация. Среды с кубической нелинейностью. Самофокусировка волновых пучков. Вынужденное комбинационное рассеяние света.
2. Темы семинаров по курсу Оптика.
2.1. Уравнения Максвелла. Волновое уравнение. Электромагнитные волны, их основные свойства, комплексная запись. Плотность потока энергии и импульса электромагнитных волн. Давление света. Волновые пучки.
2.2. Фурье-анализ и Фурье-синтез в оптике. Комплексная запись интеграла Фурье. Спектры модулированных волн, импульсных последовательностей и уединенных импульсов. Спектральная плотность мощности. Соотношение между длительностью импульса и шириной спектра.
2.3. Двухволновая интерференция. Интерференция плоских, сферических и цилиндрических монохроматических волн. Анализ основных интерференционных схем (бипризма, билинза, зеркало Ллойда).
2.4. Интерференция квазимонохроматического света. Функция видности. Временная когерентность. Спектральное и временное рассмотрение. Корреляционная функция поля.
2.5. Интерференция от протяженных квазимонохроматических источников. Интерферометр Юнга. Пространственная когерентность. Интерференция в тонких пленках. Полосы равного наклона и полосы равной толщины, их локализация.
2.6. Многолучевая интерференция. Интерферометр Фабри-Перо. Формула Эйри. Интерференционные фильтры и зеркала.
2.7. Дифракция света. Принцип Гюйгенса - Френеля. Использование зон Френеля и векторных диаграмм для качественного анализа дифракционных картин. Зонная пластинка. Дифракционный интеграл Френеля-Кирхгофа; приближения Френеля и Фраунгофера.
2.8. Дифракция Фраунгофера. Дифракция на прямоугольном и круглом отверстиях. Дифракция Фраунгофера как пространственное преобразование Фурье. Угловой спектр, его ширина. Дифракционные решетки.
2.9. Спектральные приборы и их основные характеристики (аппаратная функция, угловая и линейная дисперсия, разрешающая сила, область дисперсии. Дифракционные ограничения на разрешающую способность линзы, телескопа и микроскопа.
2.10. Дисперсия света. Зависимость показателя преломления от частоты. Фазовая и групповая скорости света. Формула Рэлея. Дисперсионное расплывание волновых пакетов.
2.11. Оптические явления на границе раздела изотропных диэлектриков. Формулы Френеля. Угол Брюстера. Полное внутреннее отражение.
2.12. Распространение света в анизотропных средах . Фазовая и лучевая скорости света. Одноосные кристаллы. Двойное лучепреломление. Качественный анализ распространения волн с помощью построения Гюйгенса.
2.13. Интерференция поляризованного света. Поляризационные приборы. Четвертьволновая и полуволновая пластинки. Получение и анализ эллиптически поляризованного света.
3. Основная тематика задач Общего Физического Практикума (Лабораторные работы).
3.1. Исследование сложных оптических систем.
3.2. Определение показателя преломления, дисперсии и разрешающей способности призмы спектрометром.
3.3. Определение показателей преломления жидких и твердых тел рефрактометрами.
3.4. Определение радиуса кривизны линзы и длины световой волны с помощью колец Ньютона.
3.5. Изучение основных интерференционных явлений с помощью интерферометра Майкельсона.
3.6. Изучение дифракционной решетки и определение длины волны света.
3.7. Изучение роли дифракционных явлений в формировании оптического изображения.
3.8. Получение и исследование поляризованного света.
3.9. Изучение явления естественного вращения плоскости поляризации света.
3.10. Ознакомление с работой интерференционного спектроскопа Фабри-Перо.
3.11. Дифракция рентгеновских лучей на моно- и поликристаллах.
3.12. Измерение коэффициентов отражения света на границе двух диэлектриков и проверка формул Френеля.
3.13. Ознакомление с работой оптического квантового усилителя и генератора (лазера) света.
3.14. Дифракция в ближней зоне (дифракция Френеля).
3.15. Дифракция в дальней зоне (Дифракция Фраунгофера).
3.16. Измерение скорости света.
3.17. Изучение работы фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).
3.18. Основы спектрального анализа.
3.19. Изучение молекулярных спектров поглощения.
4. Учебно-методическое обеспечение раздела Оптика.
4.1. Основная литература.
4.1.1. Г.С.Ландсберг. Оптика. М.; Наука, 1976.
4.1.2. А.Н.Матвеев. Оптика. М.; Высшая школа. 1985.
4.1.3. Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Т.4. Оптика. М.; Наука, 1985.
4.1.4. В.Л.Гинзбург. Л.М.Левин, Д.В.Сивухин, Е.С.Четверикова, И.А.Яковлев. Сборник задач по общему курсу физики. Оптика. Под ред. Д.В.Сивухина. М.; Наука, 1977.
4.1.5. И.Е.Иродов. Задачи по общей физике. М.; Наука, 1988.
4.1.6. Физический практикум. Электричество и оптика. Под редакцией В.И.Ивероновой. М.; Наука, 1968.
4.2. Дополнительная литература.
4.2.1. М.Борн, Э.Вольф. Основы оптики. М.; Наука, 1973
4.2.2. С.А.Ахманов, С.Ю.Никитин. Физическая оптика. Изд. Мос. Университета, 1998.
4.2.3. Р.Фейман и др. Феймановские лекции по физике. Вып.3. М.; Мир, 1977.
4.2.4. Р.Дитчберн. Физическая оптика. М.; Наука, 1965.
4.2.5. Ф.Крауфорд. Волны. М.; Наука, 1984.
4.2.6. Н.М.Годжаев. Оптика. М.; Высшая школа, 1977.
4.2.7. Е.И.Бутиков. Оптика.М.; Высшая школа, 1986.
4.2.8. М.Русо, Ж.П.Матье. Задачи по оптике. М.; Мир, !976.
Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»
Кафедра общей физики
«Утверждаю»
Декан физического факультета
_______________________
(подпись)
«___» ___________ 200_ г.