Кто читает:: Факультет физики

Статус:: Курс обязательный

Когда читается:: 2-й курс, 3, 4 модуль

Преподаватели

Белых Василий Валерьевич

Тартаковский Илья Иосифович

Шарыкин Иван Николаевич

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

В рамках дисциплины «Оптика» систематически излагаются общие понятия оптики. Цель преподавания дисциплины «Оптика» заключается в изучении комплекса существующих представлений в области оптики, основанных на современных научных данных и в представлении физической теории оптических явлений как обобщение наблюдений, практического опыта и эксперимента.

Цель освоения дисциплины

Целями освоения дисциплины "Оптика" являются: ● формирование у студентов профессиональных компетенций, связанных с использованием современных теоретических концепций в области физической оптики; ● развитие умений, основанных на полученных теоретических знаниях, позволяющих на творческом уровне создавать и применять физические модели для решения и исследования свойств оптических систем и явлений; ● получение студентами навыков самостоятельной работы, предполагающей изучение специфических алгоритмов, инструментов и средств, необходимых для решения задач оптики. Изучение данной дисциплины базируется на знаниях, полученных студентами при освоении учебных дисциплин: ● Математический анализ ● Алгебра ● Механика ● Термодинамика ● Электричество и магнетизм

Планируемые результаты обучения

Умеет: слушать и конспектировать лекции, а также самостоятельно добывать знания по изучаемой дисциплине; излагать и критически анализировать получаемую на семинарских занятиях информацию, пользоваться учебной литературой, Internеt – ресурсами; применять полученные знания при решении задач на выступлениях, на семинарских занятиях. Знает: о методах восприятия информации человеком и стереотипах мышления; история возникновения и развития основных понятий физики
Знает: пользоваться теоретическими основами, основными понятиями, законами и моделями курса физики; умениями использования научной и учебной литературы; физические параметры, характеризующие функциональное состояние органов и тканей: механические, электрические, электромагнитные, оптические.
Умеет: применять полученные теоретические знания при решении конкретных задач по работе с экспериментальной аппаратурой; Владеет: устройством используемых ими приборов и принципов их действия; приобрести навыки выполнения физических измерений; проводить обработку результатов измерений с использованием статистических методов и современной вычислительной техники. методикой и теоретическими основами анализа экспериментальной и теоретической информации в области физики
Знать: теоретические основы, основные понятия, законы оптики; методы обработки и анализа экспериментальной и теоретической информации в области физики; Уметь: понимать, излагать и критически анализировать базовую информацию в области физики; пользоваться теоретическими основами, основными понятиями, законами и моделями курса физики; измерять физические параметры и оценивать физические свойства биологических объектов с помощью механических, электрических и оптических методов.
Владеет: методикой и теоретическими основами анализа экспериментальной и теоретической информации в области физики; методами обработки и анализа экспериментальной и теоретической информации в области физики; способностью эксплуатировать современную аппаратуру и оборудование для выполнения научно-исследовательских и лабораторных работ
Знает: сущности физических явлений; теории, определяющие строение вещества; законы, лежащие в основе современных физических методов исследований дифракции, поляризации, дисперсии, отражения и преломления света, фотоэффекта,.
Умеет: создавать и анализировать на основе физических законов и их следствий теоретические модели явлений природы, получить навыки использования в практике важнейших физических измерительных приборов и приемов. Владеет: устройством используемых ими приборов и принципов их действия, приобрести навыки выполнения физических измерений, проводить обработку результатов измерений с использованием статистических методов и современной вычислительной техники.
Владеет: ● методологией исследования в области оптики; ●системой знаний о фундаментальных физических законах и теориях, физической сущности явлений и процессов в природе и технике; ●системой знаний по организации и постановке физического эксперимента, обладает способностью теоретического анализа результатов наблюдений и экспериментов.
Умеет: ●планировать и осуществлять учебный эксперимент по исследованию оптических явлений; ●решать задачи с соответствующим анализом результатов и полученных выводов по следующим темам: фотометрия, интерференция и дифракция света, законы геометрической оптики, фотоэффект, строения атома и атомного ядра, радиоактивность;
умеет : ●оценивать результаты эксперимента, готовить отчетные материалы о проведенной исследовательской работе; ●объяснить физическую сущность явлений и процессов в природе и технике связанных с оптическими явлениями.

Содержание учебной дисциплины

Предмет изучения и разделы оптики
Краткая история развития оптики. Оптика в современной физике. Шкала электромагнитных волн. Оптический диапазон. Фотоны. Система единиц физических величин СГС, внесистемные единицы. Основные понятия фотометрии. Поток лучистой энергии, сила света. Яркость источника, светимость, освещённость. Непрерывные и импульсные источники света. Методы измерения основных параметров излучения.
Геометрическая оптика
Основные понятия геометрической оптики. Оптическая длина пути. Принцип Ферма, понятие таутохронима в оптике. Законы отражения и преломления света. Явление полного внутреннего отражения, его применения. Оптические элементы и приборы, работающие на явлении полного внутреннего отражения. Волоконные и планарные световоды. Преломление на сферической поверхности. Фокусы сферической поверхности. Изображение предмета. Преломление в линзе. Общая формула тонкой линзы. Формула Ньютона. Действительное и мнимое изображения в тонкой линзе. Линейное (поперечное) увеличение. Оптическая сила линз. Построение изображений. Центрированная оптическая система. Кардинальные точки и плоскости центрированной оптической системы. Сложение центрированных оптических систем. Зеркало. Отражение от сферических поверхностей. Фокусное расстояние выпуклого и вогнутого зеркал. Схема построения изображений для зеркал. Аберрации оптических систем. Аберрации, обусловленные широкими пучками лучей (сферическая аберрация, кома, астигматизм, дисторсия). Аберрации, обусловленные зависимостью показателя преломления от длины волны (хроматические аберрации), ахроматизация линз. Оптические инструменты: микроскоп; телескоп.
Электромагнитные волны. Поляризация электромагнитных волн.
Электромагнитные волны в однородных, изотропных диэлектрических средах. Плоская монохроматическая волна. Представление монохроматических волн в комплексном виде. Сферическая и цилиндрическая волны. Плотность потока энергии. Интенсивность света. Стоячие электромагнитные волны. Опыты Айвса и Винера. Поляризация плоской монохроматической электромагнитной волны. Линейно поляризованная волна. Плоскость поляризации. Линейно, циркулярно и эллиптически поляризованный свет. Поляризация естественного света. Степень поляризации. Поляризаторы. Закон Малюса.
Распространение света через границу двух сред. Формулы Френеля. Оптика анизотропных сред.
Оптические явления на границе раздела изотропных диэлектриков. Соотношения амплитуд падающей, отраженной и преломленной волн (формулы Френеля). Изменение фазы волны при отражении. Энергетические коэффициенты отражения и пропускания света. Коэффициент отражения для естественного света. Поляризация отраженной и преломленной волн. Степень поляризации отраженного и преломленного света. Угол Брюстера. Физический смысл закона Брюстера. Распространение света в анизотропной среде. Одноосные и двуосные оптические кристаллы. Обыкновенные и необыкновенные волны в одноосных кристаллах. Двойное лучепреломление. Положительные и отрицательные кристаллы. Поляризационные устройства: кристаллические фазовые пластинки (четвертьволновые и полуволновые пластинки), компенсаторы. Призмы Николя, Глана, Волластона. Дихроичные пластинки, поляроиды. Получение и анализ эллиптически поляризованного света. Вращение плоскости поляризации (оптическая активность). Сахариметрия. Эффект Фарадея. Искусственная анизотропия оптических свойств, индуцированная механической деформацией, электрическим (эффект Керра и Поккельса) и магнитным (эффект Коттона-Муттона) полями.
Интерференция света.
Принцип суперпозиции и интерференция монохроматических волн. Интерференция плоской и сферической волн. Видность полос. Понятие о когерентности. Частично когерентный свет. Основные интерференционные схемы. Интерференция плоских волн, пространственный период полос. Интерференция волн от одного источника. Интерференционные опыты с делением волнового фронта (опыт Поля, бипризма Френеля, зеркала Френеля, билинза Бийе, зеркало Ллойда). Схема Юнга. Временная когерентность. Интерференция немонохроматических волн. Время и длина когерентности. Соотношения между временем когерентности и шириной спектрального интервала. Видность интерференционной картины. Предельная разность хода и полное число наблюдаемых интерференционных полос. Теорема Винера — Хинчина Пространственная когерентность. Интерференция квазимонохроматических волн протяженных источников света. Роль конечных размеров источника света. Интерференционная картина в схеме Юнга. Радиус пространственной когерентности, зависимость радиуса пространственной когерентности от угловых размеров источника света. Степень пространственной когерентности. Звездный интерферометр Майкельсона и его современные модификации. Теорема Ван Циттерта — Цернике. Полосы равной толщины и равного наклона. Интерференция света на тонких пленках. Кольца Ньютона. Двухлучевые интерферометры. Интерферометры Майкельсона, МахаЦендера. Применение интерферометров в научных исследованиях и технике: измерение малых смещений, изучение состояния поверхности, рефрактометрия (изменение показателя преломления). Фурье-спектрометры. Многолучевая интерференция. Интерферометр Фабри-Перо. Формула Эйри. Разрешающая способность интерферометра Фабри-Перо. Пластинка Люммера-Герке. Применение интерферометра Фабри-Перо в высокоразрешающей спектроскопии. Интерферометр Фабри-Перо - лазерный резонатор. Интерференционные фильтры и зеркала. Просветление оптики.
Дифракция света.
Явление дифракции. Принципы Гюйгенса и Гюйгенса-Френеля. Понятие о теории дифракции Кирхгофа. Дифракция Френеля и дифракция Фраунгофера (ближняя и дальняя зоны дифракции). Волновой параметр. Дифракция Френеля. Простейшие дифракционные задачи. Дифракция на круглом отверстии и круглом экране, спираль Френеля. Пятно Пуассона. Распределение освещенности в дифракционной картине в поперечном направлении и вдоль оси отверстия. Зонные пластинки и линза. Интенсивность света в фокусе зонной пластинки. Идеальная линза. Расчёт поля в фокусе линзы методом зон Френеля. Дифракция Френеля на прямолинейном краю плоского экрана и щели. Зоны Шустера, спираль Корню. Дифракция Фраунгофера. Функция пропускания. Дифракция в дальней зоне как пространственное преобразование Фурье. Дифракция Фраунгофера на пространственных структурах: щели, прямоугольном отверстии, круглом отверстии. Критерий Рэлея. Дифракционная решетка. Амплитудные и фазовые дифракционные решетки. Дифракционная решетка как спектральный прибор. Разрешающая способность дифракционной решетки, критерий Рэлея. Спектральный прибор и его основные характеристики - аппаратная функция, линейная дисперсия, разрешающая способность и область дисперсии. Дисперсионные, дифракционные и интерференционные спектральные приборы. Сравнительный анализ параметров спектральных приборов. Роль спектрального прибора при анализе светового импульса. Роль дифракции в приборах, формирующих изображение. Критерий Рэлея (применительно к формированию изображений). Дифракционный предел разрешения телескопа и микроскопа. Дифракция на многомерных структурах. Дифракция рентгеновских лучей. Формула Брэгга — Вульфа. Дифракция световых волн на ультраакустических волнах. Элементы Фурье-оптики. Метод Рэлея. Фурье-плоскость. Теория Аббе формирования изображений. Принципы пространственной фильтрации (схема Катрона). Физические принципы голографии. Голограмма Габора.
Излучение света.
Тема 7 (I). Тепловое излучение. Излучательная и поглощательная способности вещества и их соотношение. Модель абсолютно черного тела. Закон Кирхгофа. Закон Стефана-Больцмана, формула смещения Вина. Формула Рэлея-Джинса. Ограниченность классической теории излучения. Элементы квантового подхода. Формула Планка. Фотоны. Свойства равновесного теплового излучения. Законы фотоэлектрического эффекта. Уравнение Эйнштейна. Внутренний фотоэффект Фотоэлементы и их применения: фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), CCD, ICCD детектор, streak-камера. Рассеяние фотонов на свободных электронах - эффект Комптона. Излучение атомов и молекул. Классическая модель затухающего дипольного осциллятора. Оценка времени затухания. Лоренцева форма и ширина линии излучения. Эффект Доплера в оптике, проявление в спектральных исследованиях (частотный сдвиг спектральных линий излучения звезд, доплеровское уширение спектральных линий). Модель двухуровневой системы Взаимодействие двухуровневой системы с излучением: спонтанные и вынужденные переходы. Коэффициенты Эйнштейна. Многоуровневые системы. Усиление света при инверсной заселенности энергетических уровней. Методы создания инверсной заселенности в различных средах. Лазеры — устройство и принцип работы. Роль оптического резонатора. Пространственная структура лазерного излучения. Типы лазеров (газовые, твердотельные, полупроводниковые, волоконные, жидкостные). Нелинейная оптика. Генерация второй гармоники, оптическое выпрямление. Генерация третьей гармоники, самофокусировка излучения и автоколлимация. Люминесценция: виды люминесценции. Безызлучательные переходы, квантовый выход люминесценции. Фотолюминесценция жидкостей и твердых тел. Спектральный состав люминесценции. Правило Стокса. Фотолюминесценция в полупроводниках и в полупроводниковых системах с пониженной размерностью.
Дисперсия и абсорбция света
Дисперсия света, методы наблюдения. Фазовая и групповая скорости. Формула Рэлея. Классическая электронная теория дисперсии. Уравнение движения осциллятора во внешнем поле. Дисперсия вдали от линии поглощения. Формула Коши. Поглощение света в среде (закон Бугера), комплексный показатель преломления. Зависимости показателя преломления и коэффициента поглощения от частоты. Дисперсионная формула Зелмеера. Поглощение света в полупроводниках и диэлектриках. Понятие об экситоне - электронном возбуждении в кристаллах.
Рассеяние света.
Зависимость интенсивности рассеянного света от частоты (формула Рэлея) и угловая диаграмма рассеяния. Поляризация рассеянного света. Молекулярное рассеяние света. Упругое и неупругое рассеяния света. Комбинационное рассеяние света (Мандельштама - Рамана). Стоксово и антистоксово КРС. Резонансное КРС. Современные методы спектроскопии КРС и его применение.

Элементы контроля

Контрольные работы
В 2019-2020 году проводится три контрольные работы в течение семестра. Итоговая оценка за контрольные работы выставляется как арифметически округлённое среднее за три работы.
Домашнее задание
Домашнее задание включает в себя набор задач, самостоятельно решаемых студентами. Оценка за домашние задания является усреднённой оценкой за все предлагавшиеся в ходе семестра домашние задания. По домашнему заданию оформляется отчет в письменном виде, кроме того, преподаватель имеет право при приеме ДЗ опросить студента по решению одной или нескольких задач. В случае, если студент не может ответить устно, оценка за письменный отчет снижается вдвое. Отчет должен включать решения задач, оформленные студентами. Оценка за домашнее задание выставляется с учетом полноты выполнения задания, оформления результатов, а также знания теоретических положений, включенных в программу курса. График сдачи домашних заданий устанавливается преподавателем, ведущим семинар. В случае несвоевременной сдачи домашнего задания оценка за него снижается вдвое. При задержке по уважительной причине баллы не снижаются.
Экзамен
в билете на экзамене содержатся 1 теоретический вопрос и задача по теме курса

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (4 модуль)
Накопленная оценка складывается из усредненной оценки за три контрольные работы (КР) и усредненной оценки за домашние задания (ДЗ): Н=(ДЗ+КР)/2. Если Н>=8, то накопленная оценка засчитывается за итоговую оценку по курсу. Если Н<8, то сдаётся устный экзамен по курсу и итоговая оценка вычисляется по формуле: ИО=0.3ДЗ+0.5КР+0.2Э, здесь Э - оценка за экзамен

Бакалаврская программа «Физика»

Контакты

Оптика

Преподаватели

Программа дисциплины

Аннотация

Цель освоения дисциплины

Планируемые результаты обучения

Содержание учебной дисциплины

Элементы контроля

Промежуточная аттестация

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

Рекомендуемая дополнительная литература