北京理工大学

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课程概述

        物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式、相互作用的自然科学,它具有完整的科学体系、独特有效的研究方法、丰富的知识,所有这些对于培养21世纪的科学研究工作者及工程技术人员都是必不可少的。因此以物理学基础为内容的大学物理课程是理、工、经、管、文等本科各非物理专业必修的一门基础课。大学物理课程根据高素质创新人才的培养目标,在保证对学生物理知识传授和基本技能培养、打好物理基础的同时,进一步强化对学生的科学思维方法、创新意识和综合应用能力的培养,为提高学生的科学素质发挥积极作用。在大学物理课的各个教学环节中,一方面可以培养学生独立解决问题的能力、理论联系实际的能力和创新能力;使他们了解物理学的发展历史、新进展及前沿物理中的新知识。另一方面可以提高学生树立正确的辩证唯物主义世界观和科学素质。本课程所讲授的振动、波动与光学是大学物理的一部分。
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证书要求

完成课程学习并考核合格(>60分)的可获得合格证书,成绩优秀(>85分)的可获得优秀证书。

预备知识

高等数学

授课大纲

《大学物理-振动波动与光学》

(编写:北京理工大学大学物理教研室)

 

 

一、         目的与任务

    振动和波动是很普遍的运动,是物理学研究的基本运动形式之一。波动理论是研究机械波、电磁波、光波、物质波等波动的基础,在工程技术和医学等领域有着广泛地应用。光学是物理学的一个重要分支,尽管它很古老,但目前该领域的研究仍然十分活跃,是物理学的前沿领域。本模块中主要讲授波动光学部分的知识。

通过此模块的学习,掌握振动、波动的基本特点和研究方法,掌握波动光学的基础理论。包括描述振动和波动所用的基本参量、基本方程、振动与波动的叠加方法、光的本质、光的干涉与衍射以及偏振现象的实验与理论解释。能够熟练地研究典型的振动和波动,如简谐振动、简谐振动的叠加、简谐波、驻波等。熟练地分析典型的干涉和衍射现象,如杨氏双缝干涉、等厚干涉、单缝衍射、光栅衍射等。此模块注重培养学生理论联系实际的能力,训练学生应用所学的知识解释一些生活和自然界中的相关现象。

二、教学内容

 

第1章  振动

1.1 简谐运动的基本特征及其描述

  1.1.1 简谐运动

  1.1.2 简谐运动的描述方法

  1.1.3 相位差

  1.1.4 简谐运动的研究

1.2 简谐运动的能量

  1.2.1 简谐运动的能量特征

  1.2.2 能量平均值

1.3 简谐运动的合成

  1.3.1 同方向简谐运动的合成

  5.3.2 相互垂直简谐运动的合成

1.4 阻尼振动  受迫振动  共振

  1.4.1 阻尼振动

  1.4.2 受迫振动

  1.4.3 共振

 

第2章  波动

2.1 波动的基本特征  平面简谐波的波函数

  2.1.1 波的产生与传播

  2.1.2 横波与纵波

  2.1.3 波动的几何描述

  2.1.4 描述波动的特征量

  2.1.5 惠更斯原理  波的衍射

  2.1.6 简谐波

  2.1.7 平面简谐波的波函数

  2.1.8 波动方程

2.2 波的能量

  2.2.1 波的能量传播特征

  2.2.2 波的能流与能流密度

2.3 波的叠加

  2.3.1 波的叠加原理

  2.3.2 波的干涉

  2.3.3 驻波

  2.3.4 半波损失

  2.3.5 振动的简正模式

2.4 多普勒效应

 

第3章  波动光学

3.1 光源的发光机制  光地相干性

  3.1.1 光源的发光机制

  3.1.2 光的相干性

  3.1.3 光程与光程差

  3.1.4 透镜等光程性 额外光程差

3.2 分波阵面干涉

  3.2.1 杨氏双缝干涉

  3.2.2 劳埃德镜与半波损失的验证

  3.2.3 干涉条纹的变动

3.3 分振幅干涉

  3.3.1 等倾干涉

  3.3.2 等厚干涉

  3.3.3 牛顿环

  3.3.4 迈克尔逊干涉仪

3.4 光的衍射

  3.4.1 光的衍射现象

  3.4.2 惠更斯-费涅耳原理

  3.4.3 费涅耳衍射 夫琅和费衍射

3.5 夫琅和费单缝衍射

  3.5.1 夫琅和费单缝衍射实验装置

  3.5.2 用费涅耳半波带分析夫琅和费单缝衍射图样

  3.5.3 单缝衍射图样特点

3.6夫琅和费圆孔衍射和光学仪器的分辨本领

  3.6.1 夫琅和费圆孔衍射

  3.6.2 光学仪器的分辨本领

3.7 光栅衍射

  3.7.1 光栅

  3.7.2 光栅衍射条纹特点

  3.7.3 光栅光谱

  3.7.4 光栅的分辨本领

3.8 晶体对X射线的衍射

  3.8.1 X射线的衍射实验

  3.8.2 布拉格公式

3.9 光的偏振性 

  3.9.1 光的5种偏振态

  3.9.2 起偏和检偏 马吕斯定律

  3.9.3 反射和折射   布儒斯特定律

  3.9.4 双折射

 

 

三、大纲说明

1.本大纲根据国家教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会物理基础课程教学指导分委员会于2008年颁布的《理工科类大学物理课程教学基本要求》,参照国际相应课程的教学内容编制而成。

    2.本大纲面向工科学生和非物理专业的理科学生。

    3.通过本课程的学习,应使学生初步具备以下能力:

1)       根据物理学的理论、观点、方法,利用矢量代数、矢量分析和微积分等数学工具,分析研究计算一般难度的物理问题;

2)       掌握基本物理模型,了解物理学中建立模型的意义;根据具体情况,进行简单、合理的模型设计

 

参考资料

选用教材:

[1] 苟秉聪,胡海云主编. 《大学物理学》(上册) (第2版) [M]. 北京:国防工业出版社,2011.

[2] 张三慧主编. 大学物理学(一、二、五册) [M]. 北京:清华大学出版社,1999.

[3] 程守诛,江之永编. 普通物理学(上、下册)[M]. 北京:高等教育出版社,2006.

[4] 钟锡华,陈熙谋主编,陈熙谋编著.光学[M]. 北京:北京大学出版社,2011.

[5] 刘兆龙改编. Alan Giambattista,Betty McCarthy Richardson and Robert C. Richardson原著. College Physics, with an integrated approach to forces and kinematics.Vol.2. [M].北京:机械工业出版社2013.

 

常见问题

要注意的问题:

    振动是波动的基础,只有掌握了振动的基本概念和知识,如相位、旋转矢量等,才能顺利地学好波动的相关知识。同样,波动光学是基于波动的基本理论之上的。振动、波动和波动光学环环相扣,一定要循序渐进,稳步提高。