1、光学教学大纲一、说明1、课程的性质、地位和任务光学是一门历史悠久的学科，是普通物理学的一个重要组成部分，是研究光的本性、光的传播和光与物质相互作用的基础学科，它与近代物理、电动力学和量子力学等后继课程有密切的关系。人类认识世界是从感性到理性，而感性认识是客观世界通过眼、耳、鼻、舌、身这五个感官反映到人的头脑中形成的，而人们的信息有 90%是通过视觉来获取的，而视学的产生必须借助于发自物体的光。从原始时代起，人们就注意观察自然界中各种变幻无常的光学现象，并不断总结蕴藏在其中的物理规律；随着生产力的发展和科学技术的进步，光学科学与技术也获得相应的进展。今天，光学在应用技术方面的发展已成为一个国家国
2、民经济建设和军事国防建设中的重要环节，成为衡量这个国家先进程度的主要指标之一。有些科学家还预言，21 世纪的科学技术将以“光电子学”或称“光子学”为主要支柱。可见光学在今后发展中所占有的重要地位。从历史的发展过程来看，光学的发展与物理学其它分支学科的发展相互交织、相互促进，这在近代物理学的发展中尤其明显。在20 世纪初一场物理学发展到近代物理学的重大变革中，光学现象及其规律的研究起了关键性的作用。尤其在 20 世纪 60 年代，激光的出现，推动了光学领域的迅猛发展，光学也渗透到各个领域，并出现许多分支及交叉学科。随着人们对光学现象本质的认识不断深化，光学研究成果在工业、军事及高技术方面的应用也
3、不断发展。课程性质：专业基础课 先修课程：高等数学、电磁学总学时：60 学时 学分：3.5 理论学时： 60 学时 实验或讨论学时：无开课学院： 物理与电子信息学院 适用专业：物理学 大纲执笔人： 冯霞 大纲编写时间： 2006 年 8 月教研室主任审核：钱长炎 教学院长审定：王元航 光学的发展历史也是人类唯物辨证地认识客观世界的过程，因而学习该课程亦有利于培养学生辩证唯物主义的世界观和科学的方法论。光学作为基础性的学科不仅有其本身的学术性，而且还具有极强的应用性，它的进展和成就将在科学进步和国民经济的发展中发挥越来越大的作用。大纲中标有“*”号的章节为略讲、不讲或学生自学内容。2、课程教学的
4、基本要求（1）在保证该课程教学的科学性和系统性的前提下，着重突出光学基本概念、基本知识和基本技能，作为教学的重点内容，要求学生牢固掌握并熟练运用。（2）课堂讲授实行启发式，力求做到少而精，突出重点，并注意将培养和提高学生的分析问题和解决问题的能力放在重要位置。（3）坚持课后练习是教好、学好本门课程的关键。在整个教学过程中，将根据正常教学进度布置一定量的课后作业，要求学生按时完成。3、本课程的重点与难点重点：干涉、衍射现象及其计算方法；光的偏振性。难点：菲涅耳公式及光的偏振性。二、课堂教学时数及课后作业题型分配（含数量）课 后 作 业章 目 教 学 内 容 教 学时 数 教学方式或 手 段 思
5、考 题 练 习 题绪论 1 讲授一 光和光的传播 5 讲授 二 几何光学成像 9 讲授 三 干涉 12 讲授 四 衍射 12 讲授 五 变换光学与全息照相 0六 偏振 10 讲授 七 光与物质的相互作用 光的量子性 4 讲授 主要单元小结 4 讲授 机动 3合 计 60三、本文（一）课程理论教学绪论说明：(1 学时)【教学目的】(1)介绍光学的研究内容及方法；(2)简单介绍光学的发展历史。第一章 光和光的传播1-1 光和光学1-2 光的几何光学传播规律1-3 惠更斯原理1-4 费马原理1-5 光度学的基本概念说明：(约 5 学时)【教学目的】(1)明确光波是一种电磁波，它是电磁波中的一小部分，
6、即其中的可见光部分；(2)认识光的本性；明确光强的概念。(3)掌握几何光学三定律及惠更斯原理。(4)理解光程的意义和费马原理的物理意义，能由费马原理导出几何光学三定律。(5)了解光度学的基本概念；(6)掌握光度学的基本单位。【重点难点】认识光的本性，明确光强的概念。第二章 几何光学成像2-1 成像2-2 共轴球面组傍轴成像2-3 薄透镜2-4 理想光具组理论2-5 光学仪器*2-6 光阑*2-7 像差*2-8 像的亮度、照度和主观亮度说明：(约 9 学时)【教学目的】(1)明确光线的概念，了解几何光学的应用范围；阐明光线、物、像等概念。(2)掌握几何光学的基本实验定律，了解单心光束和像散光束、
7、实像和虚像、物像的概念；(4)掌握几何光学的符号法则，并会正确运用；(5)会用费马原理导出在近轴条件下光在单球面上的反射和折射成像公式，并会运用公式进行正确的运算及解决相应的问题；(6)会用费马原理导出在近轴、近物条件下光在单球面上的反射和折射成像公式，并会运用公式进行正确的运算及解决相应的问题；弄清横向放大率的概念；(7)阐明薄透镜的物象公式和任意光线作图求像法；(8)掌握基点、基面的物理意义，能用作图法求出复合光具组成象；初步了解理想光具组理论；(9)会应用几何光学及物理光学的知识求解光学仪器的放大本领及分辨本领；(10)了解光阑及像差的概念。(11)初步了解成像的光度学问题。【重点难点】
8、重点：（1）几何光学的符号法则，并会正确运用；(2)会用费马原理导出在近轴、近物条件下光在单球面上的反射和折射成像公式，并会运用公式进行正确的运算及解决相应的问题；难点：复合光具组基点、基面的物理意义及作图法。第三章 干涉3-1 波的叠加与干涉3-2 杨氏实验 光场的空间相干性3-3 薄膜干涉（一）等厚条纹3-4 薄膜干涉（二）等倾条纹3-5 迈克耳逊干涉仪 光场的时间相干性3-6 多光束干涉 法布里砶罗干涉仪说明：(约 12 学时)【教学目的】(1)明确波的叠加与光的干涉现象；(2)明确产生干涉现象的条件；(3)掌握光的独立性、叠加性和相干性；明确获得相干光源方法的特殊性及原因；(4)掌握分
9、波振面法干涉，掌握双光束干涉及其典型实验装置；并能熟练掌握其应用方法来解决实验问题。(5)掌握分振幅法干涉，区分等倾干涉和等厚干涉；(6)掌握等厚干涉的应用，熟练掌握薄膜干涉、劈尖干涉、牛顿环；(7)掌握等倾干涉的应用，掌握迈克尔逊干涉仪的原理及运用方法；(8)理解光源的时间相干性和空间相干性的含义及定量分析；(9)明确多光束干涉的基本原理及其应用法布里砶罗干涉仪装置。【重点难点】重点：(1)光的独立性、叠加性和相干性；获得相干光源方法的特殊性及原因；(2)双光束干涉及其典型实验装置；并能熟练掌握其应用方法来解决实验问题。(3)区分等倾干涉和等厚干涉及其应用。难点：(1)光源的时间相干性和空间
10、相干性的含义及定量分析；(2)多光束干涉的基本原理及其应用；(3) 等倾干涉和等厚干涉区别。第四章 衍射4-1 光的衍射现象和惠更斯菲涅耳原理4-2 菲涅耳圆孔衍射和圆屏衍射4-3 夫琅和费单缝衍射和矩孔衍射4-4 光学仪器的像分辨本领4-5 多缝夫琅禾费衍射和光栅4-6 光栅光谱仪4-7 三维光栅X 射线在晶体上的衍射说明：(约 12 学时)【教学目的】(1)明确光的衍射现象及其分类；(2)通过演示实验或图片手段对光的衍射有一主观的认识，了解菲涅耳衍射和夫琅和费衍射的区别；(3)熟练掌握惠更斯菲涅耳原理，学会运用这一原理分析说明光的衍射现象；(4)掌握半波带的概念及其划分方法；(5)能运用半
11、波带法和振幅矢量合成法解释菲涅耳圆孔和圆屏衍射现象。了解环状波带片的原理和应用；(6)着重阐明夫琅和费圆孔衍射和单缝衍射，了解解析法推导夫琅和费单缝衍射光强公式；掌握圆孔衍射中央亮斑的运算公式，明确爱里斑的性质及重要性，掌握瑞利判据的运用；(6)熟练掌握单缝衍射方程及应用；(7)掌握目视光学仪器的像的分辨本领或最小分辨角；(8)阐明光栅方程的导出及其物理意义，能熟练运用光栅方程解决实际问题；掌握光栅光谱的产生及光栅光谱分辨率的计算。(9) 了解 X 光晶体衍射；(10)通过对干涉和衍射的学习，了解干涉和衍射的联系、区别。【重点难点】重点：(1)惠更斯 菲涅耳原理，运用这一原理分析说明光的衍射现
12、象；(2)半波带的概念及其划分方法；(3)夫琅和费圆孔衍射和单缝衍射，单缝衍射方程及应用；(4)目视光学仪器的像的分辨本领或最小分辨角；(5)光栅方程的导出及其物理意义，光栅光谱的产生及光栅光谱分辨率的计算。难点：(1)半波带的概念及其划分方法；(2)利用惠更斯菲涅耳积分定量计算衍射问题。*第五章 变换光学与全息照相(略)第六章 偏振6-1 光的横波性与五种偏振光6-2 光在电介质表面的反射和折射 菲涅耳公式6-3 双折射6-4 晶体光学器件 圆偏振光和椭圆偏振光的获得与检验基础6-5 偏振光的干涉及其应用*6-6 旋光说明：(约 10 学时)【教学目的】(1)掌握自然光与偏振光的特点和性质；
13、明确光的横波性与五种偏振光；(2)了解菲涅耳公式的推导及公式形式，会运用菲涅耳公式解释光在界面上的反射和折射的性质；(3)熟练掌握马吕斯定律及其应用；(4)正确理解单轴晶体的性质，明确光通过单轴晶体时的双折射现象；(5)会运用惠更斯原理，用作图法描述出光在晶体中传播的规律并确定光有晶体中的传播方向；(6)了解偏振元件的制作方法及其原理；(7)了解波晶片的含义，明确椭圆偏振光、圆偏振光的产生、特点及性质；掌握 1/4 波片的性质及作用；(8)初步掌握偏振光的干涉，了解美丽的干涉色；(9)了解旋光特性及旋光物质。【重点难点】重点：(1)自然光与偏振光的特点和性质；(2)运用菲涅耳公式解释光在界面上
14、的反射和折射的性质；(3)马吕斯定律及其应用；(4)单轴晶体的性质，明确光通过单轴晶体时的双折射现象；(5)运用惠更斯原理，用作图法描述出光在晶体中传播的规律并确定光有晶体中的传播方向；(6)椭圆偏振光、圆偏振光的产生、特点及性质；以及 1/4 波片的性质及作用；(7)偏振光的干涉。难点：(1)运用菲涅耳公式解释光在界面上的反射和折射的性质；(2)运用惠更斯原理，用作图法描述出光在晶体中传播的规律并确定光有晶体中的传播方向；(3)椭圆偏振光、圆偏振光的产生、特点及性质；以及 1/4 波片的性质及作用；(4)偏振光的干涉。*第七章 光和物质相互作用 光的量子性说明：(约 4 学时)由于课时所限，
15、本篇内容将不按照书中章节一一讲解，只作概要的介绍。具体内容为：【教学目的】（1）介绍量子论的发展过程； （2）了解热辐射、基尔霍夫定律；了解绝对黑体及其辐射定律； （3）正确理解普朗克假说及普朗克公式；正确理解爱因斯坦的光量子假说，掌握光电效应、康普顿效应及应用；（4）认识光的波、粒二象性。（5）简单介绍现代光学中激光、全息光学及非线性光学的形成和发展；（6）简单介绍光学在现代科技发展中的应用及光学最新发展。【课程考试】本课程考核方法为理论考试，形式为笔试(闭卷) 。四、使用教材及教学参考书目【使用教材】赵凯华， 光学 ，高等教育出版社，2004 年 11 月第一版。【教学参考书目】易明， 光学 ，高等教育出版社，1999 年 10 月第一版。章志鸣 沈元华等， 光学 ，高等教育出版社，2000 年 5 月第二版。姚启钧， 光学 ，高等教育出版社，1989 年 10 月第二版。母国光， 光学 ，人民教育出版社，1987 年 9 月第一版。赵凯华 钟锡华， 光学(上、下册)，北京大学出版社，1984 年 5 月第一版。
