• A
  • A
  • A
  • АБB
  • АБB
  • АБB
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта
Бакалавриат 2020/2021

Оптика

Лучший по критерию «Полезность курса для расширения кругозора и разностороннего развития»
Статус: Курс обязательный (Физика)
Направление: 03.03.02. Физика
Кто читает: Факультет физики
Где читается: Факультет физики
Когда читается: 2-й курс, 3, 4 модуль
Формат изучения: без онлайн-курса
Преподаватели: Думин Юрий Викторович, Копнин Сергей Игоревич, Попель Сергей Игоревич
Язык: русский
Кредиты: 4
Контактные часы: 80

Программа 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

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

Планируемые результаты обучения

  • Умение решать задачи по темам курса
  • Знает принципы работы основных оптических приборов и проведения измерений
  • Знает волновую природу света
  • Знает понятия дифракции и интерференции волн. Умеет применять эти знания при решении задач волновой оптики и связанных разделов физики
  • Знает основные принципы фурье-оптики и голографии и принципиальные основы применения этих явлений в измерительных приборах
  • Знает о дисперсии световых волн, поляризации и рассеянии световых волн, а также о возможных нелинейных эффектах при распространении света
  • Знает основные квантовые свойства света и вещества, явления в которых они проявляются
Содержание учебной дисциплины

Содержание учебной дисциплины

  • Геометрическая оптика
    Принцип Ферма и законы геометрической оптики. Оптические инструменты: телескоп, микроскоп. Элементы фотометрии. Яркость и освещённость изображения.
  • Начала волновой оптики
    Волновое уравнение как следствие уравнений Максвелла. Монохроматические волны, комплексная амплитуда, уравнение Гельмгольца . Плоские и сферические волны.
  • Суперпозиция волн. Когерентность излучения
    Принцип суперпозиции и интерференция волн. Интерференция волн, ширина интерференционных полос. Статистическая природа излучения. Пространственная и временная когерентность, связь с видностью интерференционных полос. Интерференционные схемы. Лазеры как источники когерентного излучения.
  • Дифракция волн
    Дифракция волн. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция на тонком экране. Граничные условия Кирхгофа. Дифракционные задачи с осевой симметрией. Зоны Френеля. Зонные пластинки. Линза. Дифракция на одномерных структурах. Дифракционные явления при различных значениях волнового параметра. Волновой параметр, границы применимости геометрической оптики. Дифракция Френеля и дифракция Фраунгофера. Дифракция Фраунгофера на щели и на круглом отверстии. Поле в фокальной плоскости линзы. Дифракционный предел разрешения телескопа и микроскопа.
  • Спектральные приборы
    Спектральные приборы: дифракционная решётка, интерферометр Фабри-Перо, призма. Характеристики спектральных приборов: разрешающая способность, область дисперсии.
  • Фурье-оптика
    Принципы фурье-оптики. Волновое поле как суперпозиция плоских волн разных направлений (пространственное фурье-разложение). Соотношение неопределённостей. Дифракция на синусоидальных решётках. Теория Аббе формирования оптического изображения (принцип двойной дифракции). Методы наблюдения фазовых структур: метод тёмного поля и метод фазового контраста. Представление о Фурье-спектроскопии.
  • Голография
    Принципы голографии. Голограмма Габора. Голограмма с наклонным опорным пучком. Действительные и мнимые изображения. Разрешающая способность голограммы. Понятие об объёмных голограммах.
  • Дисперсия света
    Дисперсия света. Фазовая и групповая скорости. Формула Рэлея. Классическая теория дисперсии. Нормальная и аномальная дисперсии. Диэлектрическая проницаемость плазмы. Радиоволны в ионосфере.
  • Поляризация света
    Поляризация света. Естественный свет. Поляризация при отражении и преломлении (формулы Френеля). Явление Брюстера. Дихроизм. Поляроиды. Закон Малюса. Двойное лучепреломление. Оптические явления в одноосных кристаллах. Интерференционные явления в кристаллических пластинках. Искусственная анизотропия. Экзотические волны. Явление Керра.
  • Рассеяние света
    Рассеяние света. Рэлеевское рассеяние. Поляризация рассеянного света. Зависимость интенсивности рассеянного света от частоты.
  • Нелинейные явления
    Нелинейные оптические явления. Нелинейная поляризация среды. Самофокусировка. Генерация гармоник.
  • Квантовая природа света
    Квантовая природа света. Фотоэффект. Уравнение Эйнштейна. Многоквантовый фотоэффект. Эффект Комптона, комптоновская длина волны.
  • Равновесное тепловое излучение
    Формула Планка для равновесного излучения абсолютно черного тела. Закон смещения Вина. Анализ формулы Планка в предельных случаях больших частот (квантовый предел) и малых частот (формула Рэлея-Джинса). Классическая интерпретация формулы Рэлея-Джинса, плотность энергии равновесного излучения.
  • Водородоподобный атом
    Атом Бора. Водородоподобные атомы. Уровни энергии. Спектры атомов и молекул.
  • Спонтанное и индуцированное излучение. Лазер.
    Двухуровневая квантовая система в поле равновесного излучения, принцип детального равновесия, спонтанные и индуцированные переходы. Прохождение излучения через среду, условие усиления (инверсная заселенность уровней). Лазеры.
Элементы контроля

Элементы контроля

  • неблокирующий Контрольная работа
    Выполняется одна контрольная работа в течение семестра
  • неблокирующий 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.
  • неблокирующий Экзамен
    В конце курса проводится устный экзамен в формате беседы и решения задач по программе курса. В билете на экзамене содержатся 1 устный вопрос и задача.
  • неблокирующий Коллоквиум
    На коллоквиуме студент представляет в форме доклада заранее подготовленный вопрос (задачу), тема которого заранее согласуется с преподавателем, ведущим семинары, иди с лектором.
Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация

  • Промежуточная аттестация (4 модуль)
    Накопленная (Н) оценка вычисляется по формуле Н=0.35*Кр+0.4*Дз+0.25*Кол, где Кр — оценка за контрольную работу, Дз — итоговая оценка за домашние задания, Кол — оценка за коллоквиум. Оценка округляется по арифметическим правилам (оценка ниже 0.5 округляется в меньшую сторону). Накопленная оценка 8, 9 и 10 может быть зачтена в качестве итоговой без экзамена. Формула оценивания: Итог=0.75*Н+0.25*Экз, где Экз — оценка, полученная на экзамене. Оценка округляется по арифметическим правилам (оценка ниже 0.5 округляется в меньшую сторону).
Список литературы

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

  • Кингсеп А.С., Локшин Г.Р., Ольхов О.А. - Основы физики.Курс общей физики. Том 1. Механика,электричество и магнетизм,колебания и волны,волновая оптика - Издательство "Физматлит" - 2007 - 704с. - ISBN: 978-5-9221-0753-2 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/2200
  • Сивухин Д.В. - Общий курс физики. Том 4. Оптика - Издательство "Физматлит" - 2002 - 792с. - ISBN: 5-9221-0228-1 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/2314
  • Сивухин Д.В. - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика - Издательство "Физматлит" - 2002 - 784с. - ISBN: 5-9221-0230-3 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/2315

Рекомендуемая дополнительная литература

  • Квантовая физика : вводный курс, Гольдин, Л. Л., 2016
  • Курс общей физики. Основы физики. Т.1: Механика. Электричество и магнетизм. Колебания и волны. Волновая оптика, Кингсеп, А. С., 2007
  • Общий курс физики. Т.4: Оптика, Сивухин, Д. В., 2013