华东师范大学

波动光学

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课程概述

  物理专业的本科骨干课程包括普通物理课程的力学、热学、电磁学、光学、原子物理,以及理论物理的理论力学、统计力学、电动力学、量子力学。光学作为物理学科的重要基础课,不仅是学生建立完整的物理知识体系中不可或缺的一环,而且还是学生进一步学习原子物理、电动力学、量子力学、激光、量子光学等课程的必要前提。本课程讲授光的经典波动理论,包括干涉、衍射、偏振、光的吸收、色散和散射、以及光的量子性等,通过理论与应用、经典与前沿相结合,使学生掌握光学的基本知识、理论和方法,为日后进一步深造或从事相关的工作打下坚实的基础。

本课程介绍光学中经典的波动理论,以“正确理解物理规律、建立物理图像、训练学生分析和解决问题”为宗旨,内容设计上充分考虑了MOOC“整体完整、化整为零”的教学特点,体现了“学生主体、教师组织、增强互动、共同开展”的理念, 带领大家踏上神奇奥妙、瑰丽多彩的光学之旅。

本课程的具体教学目标包括:(1)理解知识:较全面和深入地学习波动光学的基本理论,广泛了解光学的应用和现代光学研究中的一些前沿问题;(2)训练方法:掌握波动光学的基本原理和解决光学问题的基本方法;(3)提升认识:学习人们对光的本性探索的历史,认识物理理论发展的一般规律、理论与实验相互促进的关系,培养唯物史观;(4)培养能力:培养学生自主学习模式,促进学生逻辑思维的发展。同时课件以双语设计,提高学生的专业外语能力。

本课程要求学生在老师的指导下,加强自主学习,充分掌握波动光学的基本知识、建立清晰物理图像、深入认识光学的基本概念和基本规律、切实提高独立分析和解决问题的能力。



证书要求

  本课程的学习环节包含:观看讲课视频、阅读老师指定的英文教材章节、完成习题、参与课程讨论、完成单元测验和期末考试。       


 

  课程学习成绩由四部分构成: 

1.讨论区发言:参与课后思考题讨论,发言总次数大于10次(无论回答对错),可得10分,占总评的10%

2.平时作业:每周布置有习题,完成后互评,成绩计入总评,占10%

3.单元测验:每周有一次单元测验,题目为5道选择题,占总评5%10周的单元测验分数共占总评的50%

4.课程考试:全部课程结束后,学生可以参加期末考试,期末考试只考干涉、衍射和偏振三章的内容,题型为选择题,成绩占总成绩的30% 


 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(>80分)的可获得优秀证书。



 


预备知识

高等数学、力学、电磁学

授课大纲


第一章 绪论和准备知识

1.1 什么是物理理论?

1.2 光学发展简史:经典光学

1.3 光学发展简史:现代光学

1.4 简谐振动

1.5

1.6 复数的基本运算、复振幅

1.7 振动合成的三种方法;干涉相长和干涉相消

1.8 光的电磁本性:电磁波谱、可见光范围

1.9 折射率和光强

1.10 光程和光程差

 

第二章 光的干涉

2.1 两个点光源的相干、相干条件

2.2 相干和非相干、普通光源的发光特点

2.3 杨氏双缝实验

2.4 衬比度

2.5 其它分波面干涉

2.6 光场的时间相干性

2.7 光场的空间相干性

2.8 半波损失和额外光程差

2.9 分振幅干涉:等倾干涉条纹

2.10 等倾干涉条纹的分析

2.11 等厚干涉条纹:劈尖

2.12 牛顿环

2.13 迈克尔逊干涉仪

2.14 法布里-珀罗干涉仪光强分布公式的推导

2.15 法布里-珀罗干涉仪光强分布公式的理解

2.16 等振幅多光束干涉光强分布公式的推导

2.17 等振幅多光束干涉光强分布公式的物理图像

 

第三章 光的衍射

教学内容

3.1 光的衍射现象

3.2 惠更斯-菲涅尔原理、基尔霍夫衍射理论

3.3 半波带法、菲涅耳圆孔衍射

3.4 泊松亮斑:菲涅耳圆盘衍射

3.5 半波带法物理图像、任意波带划分

3.6 波带片

3.7 夫琅禾费单缝衍射

3.8 单缝衍射物理图像

3.9 夫琅禾费圆孔衍射

3.10 光学仪器的分辨本领

3.11 光栅

3.12 光栅衍射

3.13 光栅衍射的物理图像

3.14 光栅光谱

3.15 晶体对X射线的衍射、布拉格公式

3.16 X射线衍射在生物和生命科学中的应用

3.17 傅里叶变换

3.18 阿贝成像原理

3.19 光学空间滤波

 

第四章 光的偏振

4.1 光的偏振态、线偏振光、自然光、部分偏振光

4.2 圆偏振光和椭圆偏振光

4.3 马吕斯定律

4.4 布儒斯特角

4.5 双折射

4.6 单轴晶体

4.7 双折射的物理机制

4.8 双折射的波面作图法

4.9 偏振棱镜

4.10 波片

4.11 椭圆偏振光的获得

4.12 检偏

4.13 偏振光干涉

4.14 其它偏振现象:场致双折射、旋光、液晶等

 

第五章 光的吸收、色散和散射

5.1 经典色散理论:求解受迫振动方程、复折射率

5.2 光的吸收:一般吸收、选择吸收、透光极限、吸收光谱

5.3 光的散射:瑞利散射、米氏散射、分子散射

5.4 光的色散:正常色散、反常色散

5.5 群速和相速

 

第六章 光的量子性

6.1 相对论和量子力学的兴起

6.2 黑体辐射

6.3 光电效应

6.4 康普顿散射

6.5 光子模型、波粒二象性

6.6 结束语


 

参考资料

1.《光学教程》第五版以及《光学教程学习指导书》,姚启钧原著,华师大编著,高等教育出版社

推荐理由:最有影响的经典光学教材,已发行五版,逾60余万册,几代学子从中受益,是本课程主要参考书。


2The Feynman Lectures on Physics, Feynman

推荐理由:首屈一指的物理教材,经典中的经典,没有之一。强力推荐英文版,阅读时如同和费曼面对面,听大师娓娓道来。


3Optics, Fourth EditionEugene Hecht,张存林改编,高等教育出版社

推荐理由:系统而全面,国外主流光学教材。


4. 《现代光学基础》,钟锡华编著,北京大学出版社

推荐理由:北大钟锡华先生的扛鼎之作,其对波动光学研究之精深,可谓一骑绝尘。


5. 新概念物理教程《光学》,赵凯华编著,高等教育出版社

推荐理由:北大赵凯华先生的力作,结合经典与前沿,独领风骚。