Оптика - Учебно-методические комплексы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Физико-технический институт
Кафедра микро- и нанотехнологий
А.А.Иконников
ОПТИКА
Учебно-методический комплекс.
Рабочая программа для студентов направления подготовки 050100.62
Педагогическое образование: Физическое образование
уровень бакалавриата
очная форма обучения
Иконников Антон Андреевич. Оптика. Учебно-методический комплекс. Рабочая
программа для студентов направления подготовки 050100.62 – «Педагогическое образование: Физическое образование»; очная форма обучения. Тюмень, 2015. 22 стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВО с учетом
рекомендаций и ОП ВО по направлению подготовки.
Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте ТюмГУ: Оптика
[электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.umk3.utmn.ru, свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой микро- и нанотехнологий. Утверждено директором физико-технического института.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: зав. кафедрой микро- и нанотехнологий, д.ф.-м.н.,
профессор Кислицын А.А.
© ФГБОУ ВПО Тюменский государственный университет, 2015.
© А.А. Иконников, 2015.
3
1.
Пояснительная записка, которая содержит:
1.1. Цели и задачи дисциплины (модуля)
Цель дисциплины:
– дать студентам последовательную систему оптических знаний, необходимых для
формирования в сознании физической картины окружающего мира, применения физических понятий и законов к решению конкретных физических задач.
Задачи учебного курса:
– познакомить студентов с основными принципами и законами физики, касающиеся раздела «Оптика» и их математическим выражением;
– познакомить студентов с основными методами наблюдений, измерений, и экспериментирования в области оптических явлений;
– дать представление о методах теоретических исследований в физике;
– дать навык построения математических моделей простейших физических явлений, используя доступный математический аппарат;
– научить соотносить содержание конкретных задач с общими законами физики.
1.2. Место дисциплины в структуре образовательной программы
Дисциплина «Оптика» входит в федеральный компонент естественнонаучного
цикла всех указанных специальностей и направлений.
Требования ГОС: Основы электромагнитной теории света. Модулированные волны. Явление интерференции. Когерентность волн. Многолучевая интерференция. Явление
дифракции. Понятие о теории дифракции Кирхгофа. Дифракция и спектральный анализ.
Дифракция волновых пучков. Дифракция на многомерных структурах. Поляризация света.
Отражение и преломление света на границе раздела изотропных диэлектриков. Световые
волны в анизотропных средах. Интерференция поляризованных волн. Индуцированная
анизотропия оптических свойств. Дисперсия света. Основы оптики металлов. Рассеяние
света в мелкодисперсных и мутных средах. Нелинейные оптические явления. Классические модели излучения разреженных сред. Тепловое излучение конденсированных сред.
Основные представления о квантовой теории излучения света атомами и молекулами.
Усиление и генерация света.
Таблица1.
Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин
Практикум по оптике
Физика атома, ядра и элементарных частиц
Физико-химические методы исследования
ОКГ и нелинейная оптика
Электродинамика
Темы дисциплины необходимые для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1.1 1.2 1.3 1.4 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 3.1 3.2 3.3
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
1.3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения данной
образовательной программы
В результате освоения ОП выпускник должен обладать следующими компетенциями:
– владение культурой мышления, способность к обобщению, анализу, восприятию
информации, постановке цели и выбору путей её достижения (ОК-1);
– способность использовать знания о современной естественнонаучной картине
мира в образовательной и профессиональной деятельности, применять методы
4
математической обработки информации, теоретического и экспериментального
исследования (ОК-4);
– способность реализовывать учебные программы базовых и элективных курсов в
различных образовательных учреждениях (ПК-1);
– готовность применять современные методики и технологии, в том числе и
информационные, для обеспечения качества учебно-воспитательного процесса на
конкретно образовательной ступени конкретного образовательного учреждения (ПК-2);
– способность использовать возможности образовательной среды, в том числе,
информационной, для обеспечения качества учебно-воспитательного процесса (ПК-4);
– готовность к обеспечению охраны жизни и здоровья обучающихся в учебновоспитательном процессе и внеурочной деятельности (ПК-7).
1.4. Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине:
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Разрабатывать планы занятий, которые должны соответствовать школьному учебному плану и основываться на его стратегии; обеспечивать последовательность, поступательность материала, а также междисциплинарную связь своего предмета с другими; способствовать развитию речи и коммуникативных способностей учащихся; демонстрировать
способность отбирать и использовать соответствующие учебные ресурсы, включая информационную технологию; ориентироваться в имеющейся учебно-методической литературе и использовать ее для построения собственного изложения; объяснять приложения
теории к отдельным задачам; анализировать программы, учебники, методическую литературу; организовывать учебную деятельность учащихся, управлять ею и оценивать ее результаты; применять методы диагностики знаний учащихся для выявления сформированности их умений, навыков, а также затруднений в процессе обучения.
Студент должен уметь работать с аудиторией: решать, когда необходима работа в
парах, группах или индивидуально; создавать и поддерживать благоприятную учебную
среду, способствующую достижению целей обучения; разрабатывать и использовать систему поощрения и санкций, чтобы поддерживать эффективность обучения; развивать интерес учащихся и мотивацию обучения; формировать и поддерживать обратную связь.
Студент должен иметь представление о: связях школьных разделов физики с соответствующими вузовскими дисциплинами; методических аспектах физики в целом; методах и приемах составления задач, упражнений, тестов по различным темам; нерешенных
проблемах и перспективах направления и о трудностях в изложении предмета.
2. Структура и трудоемкость дисциплины.
Семестр _4_. Форма промежуточной аттестации _экзамен_. Общая трудоемкость
дисциплины составляет _5_ зачетных единицы, _180_ академических часов, из них
_89,55_ часов, выделенных на контактную работу с преподавателем (в том числе иные виды работ _4,55_ часа), _90,45_ часа, выделенных на самостоятельную работу.
Таблица 2.
Вид учебной работы
Аудиторные занятия (всего)
В том числе:
Лекции (Л)
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа (всего)
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)
Общая трудоемкость, час
Всего часов
85
34
34
17
95
Э.
180
5
3.
Тематический план.
Таблица 3.
Модули и темы
Лабораторные занятия*
Самостоятельная
работа*
2
Семинарские
(практические) занятия*
1
Лекции*
недели семестра
№
Виды учебной работы и самостоятельная работа, в час.
3
4
5
6
7
Итого
часов
по теме
8
Итого
количество
баллов
9
Модуль 1
1.1
Геометрическая оптика. Линзы, зеркала, призмы. Центрированные системы.
1-2
4
4
3
8
0-6
1.2
Преломление и отражение волн на
плоской границе двух диэлектриков,
на границе с металлом.
3-4
4
4
3
8
0-6
1.3
Основные фотометрические понятия и
величины.
5
2
2
-
8
0-6
1.4
Электромагнитная природа света. Основные характеристики электромагнитных волн. Суперпозиция волн.
Поляризация. Эффект Доплера.
6-7
4
2
-
8
0-6
14
12
6
32
Всего
64
0-44
Модуль 2
2.1
Интерференция света.
8-10
6
6
3
8
0-6
2.2
Дифракция света.
11-12
4
6
3
8
0-6
2.3
Дисперсия света. Излучение и поглощение света.
13
2
2
1
8
0-6
2.4
Анизотропные среды. Поляризационные приборы и приспособления.
11-13
-
-
-
8
-
2.5
Рассеяние света.
14
2
2
-
8
0-6
14
16
7
40
Всего
77
0-44
Модуль 3
3.1
Тепловое излучение.
15
2
4
2
7
0-6
3.2
Фотоэффект.
16
2
2
2
8
0-6
3.3
Квантовые усилители и генераторы.
17
2
-
-
8
-
Всего
6
6
4
23
39
0-12
Итого
34
34
17
95
180
100
6
4.
Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля
Таблица 4.
Устный
Модули и темы
Электронный
практикум
0-6
0-2
0-3
-
0-6
0-1
0-2
0-3
-
0-6
Электромагнитная природа света.
Основные характеристики электромагнитных волн. Суперпозиция волн. Поляризация. Эффект
Доплера.
0-1
0-2
0-3
-
0-6
Всего
0-4
0-8
0-12
-
0-44
Контрольная
работа
-
на семинаре
0-3
Ответ
0-2
Собеседование
Выполнение
домашнего
задания
опрос
Итого
кол-во
баллов
Решение задач
на практическом занятии
№
Письменные работы
Информационные
системы и
технологии
Модуль 1
1.1
Геометрическая оптика. Линзы,
зеркала, призмы. Центрированные системы.
0-1
1.2
Преломление и отражение волн
на плоской границе двух диэлектриков, на границе с металлом.
0-1
1.3
Основные фотометрические понятия и величины.
1.4
0-20
0-20
Модуль 2
2.1
Интерференция света.
0-1
0-2
0-3
-
0-6
2.2
Дифракция света.
0-1
0-2
0-3
-
0-6
2.3
Дисперсия света. Излучение и
поглощение света.
0-1
0-2
0-3
-
0-6
2.4
Анизотропные среды. Поляризационные приборы и приспособления.
-
-
-
-
-
2.5
Рассеяние света.
0-1
0-2
0-3
-
0-6
Всего
0-20
0-4
0-20
0-8
0-12
-
0-44
Модуль 3
3.1
Тепловое излучение.
0-1
-
0-2
0-3
-
0-6
3.2
Фотоэффект.
0-1
-
0-2
0-3
-
0-6
3.3
Квантовые усилители и генераторы.
-
-
-
-
-
-
Всего
0-2
-
0-4
0-6
-
0-12
Итого
0-10
0-40
0-20
0-30
-
0-100
5.
Содержание дисциплины
Тема 1.1. Геометрическая оптика. Законы геометрической оптики. Преломление
на сферической поверхности. Тонкие линзы. Толстые линзы. Центрированные оптические
7
системы. Микроскоп, телескоп. Построение изображений в оптических системах. Аберрации оптических систем.
Тема 1.2. Преломление и отражение волн на плоской границе двух диэлектриков, на границе с металлом. Формулы Френеля. Интенсивность отраженной и преломленной волн. Закон Брюстера. Фазовые соотношения в падающей, отраженной и преломленной волнах. Потеря полуволны при отражении. Полное внутреннее отражение.
Тема 1.3. Основные фотометрические понятия и величины. Энергетическая и
светотехнические характеристики излучения. Соотношение между ними. Абсолютная и
относительная световая эффективность.
Тема 1.4. Электромагнитная природа света. Основные характеристики электромагнитных волн. Структура и характеристики электромагнитных волн: частота, длина волны, волновое число, волновой вектор. Особенности оптического диапазона, видимого диапазона. Волновое уравнение, уравнение плоской бегущей волны. Гауссов пучок.
Сложение электромагнитных волн: биения, стоячая волна. Поляризация электромагнитных волн, виды поляризации.
Тема 2.1. Интерференция света. Условия наблюдения интерференции. Когерентные источники. Оптическая разность хода. Условия интерференционных максимумов и
минимумов. Осуществление когерентных источников в оптике. Интерференция от точечных источников и источников конечного размера. Многолучевая интерференция. Кривые
равного наклона и равной толщины. Кольца Ньютона. Просветление оптики. Интерференционные фильтры и зеркала. Интерферометры Фабри-Перо, Релея, Майкельсона.
Тема 2.2. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля.
Дифракция на круглом отверстии, экране. Зонная пластинка. Дифракция на прямоугольном крае экрана. Дифракция на щели. Распределение интенсивности в дифракционной
картине. Дифракционная решетка. Характеристики дифракционных решеток. Критерий
Релея.
Тема 2.3. Дисперсия света. Излучение и поглощение света. Фазовая и групповая
скорости. Нормальная и аномальная дисперсии. Электронная теория дисперсии. Закон Бугера-Ламберта-Бера.
Тема 2.4. Анизотропные среды. Поляризационные приборы и приспособления.
Двойное лучепреломление. Обыкновенный и необыкновенный лучи. Поляризация при
двойном лучепреломлении. Тензор диэлектрической проницаемости. Эллипсоид лучевых
скоростей. Поляризационные призмы. Интерференция поляризованных волн. Пластинка в
четверть волны. Вращение плоскости поляризации. Оптические изомеры. Эффект Фарадея. Искусственная анизотропия.
Тема 2.5. Рассеяние света. Релеевское рассеяние. Законы рассеяния света для среды Тиндаля. Молекулярное рассеяние. Комбинационное рассеяние. Его использование для
исследования структуры молекул.
Тема 3.1. Тепловое излучение. Излучение абсолютно черного тела. Закон
Кирхгофа. Законы Стефана-Больцмана, Вина. Кризис классической теории излучения.
Формула Планка. Оптическая пирометрия.
Тема 3.2. Фотоэффект. Виды фотоэффекта. Экспериментальные законы Столетова. Объяснение фотоэффекта с волновой и с квантовой точек зрения. Фотоэлементы, фотодиоды.
Тема 3.3. Квантовые усилители и генераторы. Спонтанные и вынужденные переходы. Коэффициенты Эйнштейна. Инверсная заселенность. Оптические резонаторы.
Оптические квантовые генераторы (лазеры). Свойства лазерного излучения. Основные
типы лазеров: твердотельные, газоразрядные, лазеры на красителях.
8
6.
Планы семинарских занятий.
Тема 1.1. Решение задач на нахождение фокусных расстояний линз и оптических
инструментов, построения в тонких и толстых линзах, определение линейного и углового
увеличения оптических систем (4 часов).
Тема 1.2. Решение задач о преломлении и отражении света, нахождении коэффициентов отражения и пропускания (4 часов).
Тема 1.3. Решение задач о нахождении фотометрических величин, освещенности
поверхностей, яркости источников (2 часов).
Тема 1.4. Решение задач на применение эффекта Доплера (2 часа).
Тема 2.1. Решение задач на нахождение масштаба интерференционных картин,
условий максимумов-минимумов, определения параметров интерферометров (6 часов).
Тема 2.2. Решение задач о дифракции на одной и многих щелях, дифракции на отверстии, разрешающей способности оптических приборов (6 часов).
Тема 2.3. Решение задач о нахождении дисперсии призм и призменных систем (2
часа).
Тема 2.4. Решение задач на применение закона Малюса, нахождения хода лучей
при двойном лучепреломлении и угла вращения плоскости поляризации (2 часа).
Тема 3.1. Решение задач на применение законов Стефана-Больцмана, Вина, Планка, определение температуры тел по параметрам их излучения (4 часа).
Тема 3.2. Решение задач о нахождении работы выхода электрона, величины фототока насыщения (2 часа).
7.
Темы лабораторных работ
Лабораторная работ 1. Преломление и отражение волн на плоской границе двух
диэлектриков. Определение угла Брюстера. Закон Малюса.
Лабораторная работ 2. Интерференция света. Определение длинны волны падающего света.
Лабораторная работ 4. Дифракция света. Расчет ширины щели и параметров дифракционной решетки.
Лабораторная работ 5. Законы теплового излучение. Закон Стефана-Больцмана.
Лабораторная работ 6. Изучение внешнего фотоэффект.
8.
Примерная тематика курсовых работ
1. Физические основы голографии.
2. «Просветленная» оптика и ее применение.
3. Дифракция рентгеновских лучей и ее применение в кристаллографии.
4. Обнаружение и анализ эллиптически- и циркулярно-поляризованного света.
5. Оптический дихроизм и его использование в физических исследованиях.
6. Изотропные и анизотропные среды. Оптика кристаллов.
7. Искусственная оптическая анизотропия. Эффект Керра.
8. Модель абсолютно черного тела и Солнце.
9. Оптическая пирометрия.
10. Спектрофотометрический анализ и его практическое приложение.
11. Полное внутреннее отражение. Световоды. Оптоволокно.
12. Явление фотоэффекта и его применение.
13. Эффект Доплера и его использование в астрофизике.
14. Электронный микроскоп.
15. Применение лазеров в медицине.
16. Глаз как оптическая система и оптические дефекты глаза. Оптические иллюзии.
17. Природные оптические эффекты и их физическое объяснение.
18. Восприятие света. Прибор «ночного видения».
9
19. Оптические телескопы и их разрешающая способность.
20. Оптические навигационные системы.
9. Учебно-методическое обеспечение и планирование самостоятельной работы студентов
Таблица 5.
Виды СРС
№
Модули и темы
обязательные
Неделя семестра
Объем часов
Кол-во
баллов
дополнительные
Модуль 1
1.1
Геометрическая оптика.
Линзы, зеркала, призмы. Центрированные
системы.
1. Работа с учебной
литературой.
1-2
0-3
Докладпрезентация
3-4
0-3
Докладпрезентация
5
0-3
6-7
0-3
2. Выполнение домашнего задания
3. Проработка лекций
1.2
Преломление и отражение волн на плоской
границе двух диэлектриков, на границе с
металлом.
1. Работа с учебной
литературой.
2. Выполнение домашнего задания
3. Проработка лекций
1.3
Основные фотометрические понятия и величины.
1. Работа с учебной
литературой.
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
1.4
Электромагнитная природа света. Основные
характеристики
электромагнитных
волн.
Суперпозиция
волн.
Поляризация. Эффект
Доплера.
1. Работа с учебной
литературой.
2. Выполнение домашнего задания
3. Проработка лекций
Всего по модулю 1:
0-12
Модуль 2
2.1
Интерференция света.
1. Работа с учебной
литературой.
8-10
0-3
11-12
0-3
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
2.2
Дифракция света.
1. Работа с учебной
литературой.
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
10
2.3
Дисперсия света. Излучение и поглощение
света.
1. Работа с учебной
литературой.
Докладпрезентация
13
0-3
Докладпрезентация
11-13
-
Докладпрезентация
14
0-3
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
2.4
Анизотропные среды.
Поляризационные приборы и приспособления.
1. Работа с учебной
литературой.
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
2.5
Рассеяние света.
1. Работа с учебной
литературой.
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
Всего по модулю 2:
0-12
Модуль 3
3.1
Тепловое излучение.
1. Работа с учебной
литературой.
15
0-3
Докладпрезентация
16
0-3
Докладпрезентация
17
0
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
3.2
Фотоэффект.
1. Работа с учебной
литературой.
2. Выполнение домашнего задания.
3. Проработка лекций
3.3
Квантовые усилители и
генераторы.
Всего по модулю 3:
0-6
ИТОГО:
0-30
10. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации по
итогам освоения дисциплины (модуля)
Примерные вопросы к аттестации
1. Электромагнитная природа света. Характеристика оптического диапазона
электромагнитных волн. Особенности видимого диапазона.
2. Структура плоской электромагнитной волны и ее представление в комплексной
форме. Сферические волны. Сходящиеся и расходящиеся сферические волны.
3. Плотность потока энергии и импульса электромагнитных волн. Распределение
плотности потока энергии по сечению пучка. Гауссов пучок.
4. Плотность импульса электромагнитной волны. Давление света, его открытие,
проявление, приложения.
5. Стоячие волны. Биения. Экспериментальное доказательство электромагнитной
природы света.
6. Поляризация электромагнитных волн. Виды поляризации. Число независимых
поляризаций.
11
7. Основные фотометрические понятия и величины. Соотношения между энергетическими и световыми характеристиками.
8. Преломление и отражение света на плоской границе двух диэлектриков. Формулы Френеля.
9. Интенсивность отраженной и преломленной волн. Коэффициент отражения и
пропускания.
10. Закон Брюстера. Степень поляризации отраженной и преломленной волн.
11. Фазовые соотношения в падающей, отраженной и преломленной волнах. Потеря полуволны при отражении.
12. Полное внутреннее отражение. Световоды. Диффузное отражение.
13. Распространение электромагнитных волн в проводящих средах. Комплексный
показатель преломления. Отражение от металлических поверхностей.
14. Геометрическая оптика как предельный случай волновой оптики. Преломление
на сферической поверхности. Тонкие линзы. Зеркала.
15. Центрированная оптическая система и ее кардинальные элементы.
16. Построение изображений в оптических системах. Аберрации оптических систем (астигматизм, кома, сферическая и хроматическая аберрации, дисторсия). Простейшие оптические приборы (микроскопы, телескопы, лупа).
17. Интерференция света. Необходимые и достаточные условия для ее наблюдения.
18. Интерференция от двух когерентных источников. Оптическая разность хода,
расстояние между интерференционными максимумами.
19. Осуществление когерентных источников в оптике. Основные характеристики
интерференционных схем.
20. Кривые равной толщины и равного наклона (интерференция на плоскопараллельной пластинке и клине).
21. Кольца Ньютона в отраженном и проходящем свете.
22. Просветление оптики. Интерференционные фильтры, зеркала.
23. Интерферометр Майкельсона, интерферометр Релея. Применение интерферометров.
24. Интерференция от источников конечного размера.
25. Интерферометр Фабри-Перо. Разрешающая способность. Область свободной
дисперсии.
26. Метод зон Френеля. Зонная пластинка. Графическое вычисление амплитуды.
27. Дифракция на круглом отверстии, экране. Разрешающая способность микроскопа и телескопа.
28. Дифракция на прямоугольном крае экрана. Спираль Корню.
29. Дифракция Фраунгофера на щели. Распределение интенсивности в дифракционной картине.
30. Дифракционная решетка, дифракционный спектр. Интенсивность в спектре
дифракционной решетки.
31. Угловая и линейная дисперсии решетки. Критерий Релея. Разрешающая способность решетки.
32. Дифракция на многомерных решетках. Дифракция рентгеновских лучей. на
кристаллической решетке. Рентгеноструктурный анализ.
33. Сравнение характеристик спектральных аппаратов.
34. Двойное лучепреломление. Обыкновенный и необыкновенный лучи. Двуосные
и одноосные кристаллы.
35. Анизотропные среды. Тензор диэлектрической проницаемости. Распространение плоской волны в анизотропной среде.
36. Построения Гюйгенса для различных случаев преломления лучей на поверхности одноосного кристалла.
12
37. Поляризация при двойном лучепреломлении. Поляроиды. Поляризационные и
двоякопреломляющие призмы. Плеохроизм.
38. Интерференция поляризованных волн при прохождении через кристаллы. Пластинка в четверть, половину и целую волну. Анализ состояния поляризации света. Цвета
кристаллических пластинок. Явления в сходящих лучах.
39. Вращение плоскости поляризации в оптически активных веществах. Элементарная феноменологическая теория вращения плоскости поляризации.
40. Оптические изомеры. Вращение плоскости поляризации в магнитном поле
(эффект Фарадея).
41. Искусственная анизотропия при механических деформациях, в электрическом
и магнитном полях.
42. Рассеяние света. Релеевское рассеяние. Зависимость интенсивности света от
угла рассеяния. Поляризация света при рассеянии. Комбинационное рассеяние света.
43. Излучение абсолютно черного тела. Закон Стефана-Больцмана. Закон Вина.
Трудности классической теории. Элементарная квантовая теория излучения. Формула
Планка.
44. Дисперсия света. Фазовая и групповая скорости. Нормальная и аномальная
дисперсия.
45. Поглощение света. Закон Ламберта-Бугера-Бера.
46. Спонтанные и вынужденные переходы. Коэффициенты Эйнштейна. Создание
инверсной зависимости.
47. Лазеры. Принципиальная схема работы лазера. Свойства лазерного луча. Характеристики некоторых типов лазеров: рубинового, гелий-неонового. Газодинамические
лазеры. Лазеры с перестраиваемой частотой.
48. Физические основы голографии. Схема записи и восстановления изображения
тонкослойных голограмм. Особенности голограмм как носителей информации. Применение голограмм.
49. Фотоэффект. Основные экспериментальные закономерности и их истолкование. Определение постоянной Планка из фотоэффекта. Фотоэлектрические приемники
света (фотоэлементы, фотоумножители, фотодиоды, электронно-оптические преобразователи).
50. Оптика движущихся сред. Эффект Доплера. Красные смещения в спектрах Галактик.
10.1. Перечень компетенций с указанием этапов их формирования в процессе
усвоения образовательной программы (выдержка из матрицы компетенций):
Циклы/
компетенции
ОК-1
ОК-4
ПК-1
ПК-2
ПК-4
ПК-7
1семестр
Механика
+
+
+
+
+
+
2семестр
Молекулярная
физика
+
+
+
+
+
+
3семестр
Электричество и
магнетизм
4семестр
Оптика
5семестр
Физика атома, ядра и
элементарных частиц
6семестр
Термодинамика
7семестр
Квантовая теория
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
8семестр
Статистическая
физика.
Физическая
кинетика
+
+
+
+
+
+
13
10.2. Описание показателей и критериев оценивания компетенций на различных этапах их формирования, описание шкал оценивания.
Таблица 6.
Знать:
Способы
ния
Уметь:
Анализировать информацию
Уметь:
Использовать полученную информацию
Уметь:
Разрабатывать пути
достижения цели
Владеть:
Логическими приемами
дедукции, индукции
Владеть:
Методами
синтеза
и
Владеть:
Навыками обобщения
и систематизации
Знать:
архитектуру
физической картины мира
Знать:
архитектуру естественнонаучной
картины
мира
Знать:
архитектуру синергетической
картины
мира
Уметь:
использовать математический аппарат для
обработки
экспериментальных знаний
Уметь:
использовать
математический аппарат для
интерпретации теоретических гипотез
Владеть:
навыками сбора первичных данных исследований
Владеть:
навыками проведения
опытов и наблюдений
Знать:
особенности преподавания в средних школах
Знать:
особенности преподавания в колледжах
Уметь:
использовать
математический аппарат
для обработки комплексного теоре-тикоэксперимен-тальных
исследо-ваний
Владеть:
навыками обра-ботки
и
теорети-ческого
осмыления экспериментальных данных
Знать:
особенности преподавания в гимназиях
Уметь:
преподавать физику и
её углублённые разделы в школе
Уметь:
преподавать физику в
колледжах
(технических медиумах и др.)
Уметь:
преподавать физику в
гимназиях
Владеть:
навыками работы с
учебными
базовыми
программами
Владеть:
навыками работы с
программами элективных курсов
Владеть:
навыками разработки
факультативных курсов
целеполага-
анализа
Знать:
Структуру
мышления
процесса
Лекции,
семинары,
самостоятельная работа
Лекции,
семинары,
самостоятельная работа
Лекции,
семинары,
самостоятельная работа
Лекции,
семинары,
самостоятельная работа
Лекции,
семинары,
самостоятельная работа
Лекции,
семинары,
самостоятельная работа
Оценочные
средства
Контрольная работа, тесты
Знать:
Основы планирования
деятельности
Виды занятий (лекции, семинар
ские, практические,
лабораторные)
Лекции,
семинары,
самостоятельная работа
Лекции,
семинары,
самостоятельная работа
Лекции,
семинары,
самостоятельная работа
Контрольная работа, тесты
Критерии в соответствии с уровнем освоения ОП
Пороговый
Базовый
Повышенный
(удовл.)
(хор.)
(отл.)
61-75 баллов
76-90 баллов
91-100 баллов
Контрольная работа, тесты
ПК-1
ОК- 4
ОК - 1
Код
компетенции
Карта критериев оценивания компетенций
14
Уметь:
применять
современные методики и технологии
в
школьном
учебно-воспитательном
процессе
Владеть:
знаниями по педагогике
и психологии
Уметь:
применять
современные методики и технологии в учебном процессе в гимназии
Знать:
Основные информационные ресурсы по основному курсу физики
Знать:
Информационнообразовательные ресурсы
межпредметного
содержания
Уметь:
Использовать информационнообразовательные ресурсы в курсе физики основной школы
Уметь:
Использовать информационнообразовательные ресурсы в курсе физики в
профильных классах
Владеть:
Навыками работы с
информационными образовательными
программами
Владеть:
Навыками анализа, мониторинга информационно-образовательных
ресурсов
Знать:
санитарногигиенические нормы
для кабинета физики
Знать:
санитарногигиенические нормы
для школьных помещений
Уметь:
организовывать внутришкольные мероприятия безопасные для
школьников
Владеть:
навыками научной организации педагогического труда
Уметь:
применять современные методики и технологии в учебновоспитательном процессе вуза
Владеть:
навыками использования
современных
информационнообразовательных ресурсов
Знать:
Информационнообразовательные ресурсы
профессионального (профильного) уровня
Уметь:
Использовать информационнообразовательные ресурсы
профессионального (профильного) уровня
Владеть:
Техникой внедрения
информационных
ресурсов в учебновоспитательном
прцессе
Знать:
правовые нормати-вы
организации учебновоспита-тельного
процесса
Уметь:
организовывать мероприятия вне школы
безопасные
для
школьников
Владеть:
навыками организации безопасной жизнедеятельности
Уметь:
правильно
оформить
учебный кабинет и
поддерживать в нём
порядок
Владеть:
навыками научной организации
рабочего
места
Владеть:
знаниями об информационных образовательных ресурсах
Лекции,
семинары,
самостоятельная работа
Лекции,
семинары,
самостоятельная работа
Лекции,
семинары,
самостоятельная работа
Лекции,
семинары,
самостоятельная работа
Лекции,
семинары,
самостоятельная работа
Лекции,
семинары,
самостоятельная работа
Лекции,
семинары,
самостоятельная работа
Лекции,
семинары,
самостоятельная работа
Лекции,
семинары,
самостоятельная работа
Контрольная работа, тесты
Знать:
основы
методики
преподавания физики
в вузе
Контрольная работа, тесты
Знать:
методики преподавания
физики в колледжах и
гимназиях
Контрольная работа, тесты
ПК- 2
ПК- 4
ПК-7
Знать:
современную методику
преподавания физики в
школе
10.3 Типовые контрольные задания или иные материалы, необходимые для
оценки знаний, умений, навыков и (или) опыта деятельности, характеризующей этапы формирования компетенций в процессе освоения образовательной программы.
Примерные задания для контрольной работы
1. Какую силу тока J покажет гальванометр, присоединенный к селеновому фотоэлементу, если на расстоянии r = 75 см от него поместить лампочку, полный световой по15
ток которой равен Ф0 = 1200 лм? Рабочая поверхность фотоэлемента S = 10 см2, чувствительность i = 300мкА/лм.
2. Линза, расположенная на оптической скамье между лампочкой и экраном, дает
на экране резкое увеличенное изображение лампочки. Когда линзу передвинули на 40 см
ближе к экрану, на нем появилось резкое уменьшенное изображение лампочки. Определить фокусное расстояние f линзы, если расстояние от лампочки до экрана ровно 80 см.
3. Собирающую линзу сложили вплотную с рассеивающей и полученную систему
линз поместили на оптической скамье между лампочкой и экраном. Определить фокусное
расстояние f рассеивающей линзы, если расстояние от предмета до системы линз a = 60
см, от системы линз до экрана b = 40 см и фокусное расстояние собирающей линзы f1 =8
см.
4. Преломляющий угол призмы A = 600. Угол наименьшего отклонения луча от
первоначального направления δ =300. Определить показатель преломления стекла, из которого изготовлена призма?
5. Расстояние между двумя когерентными источниками света (λ = 0,5 мкм) равно
0,1 мм. Расстояние между светлыми полосами на экране в средней части интерференционной картины ровно 1 см. Определить расстояние от источников до экрана.
6. Пучок параллельных лучей (λ = 0,6 мкм) падает под углом i = 300 на мыльную
пленку (показатель преломления принять равным 1,3). При какой наименьшей толщине
пленки отраженные лучи будут максимально ослаблены? Максимально усилены?
7. Между двумя плоскопараллельными стеклянными пластинами положили очень
тоненькую проволочку. Проволочка находится на расстоянии l = 75 мм от линии соприкосновения пластинок и ей параллельна. В отраженном свете (λ = 0,5 мкм) на верхней
пластинке видны интерференционные полосы. Определить толщину проволочки, если на
протяжении d = 30 мм насчитывается m = 16 светлых полос.
8. На круглое отверстие диаметром d = 4 мм падает нормально параллельный пучок
лучей (λ = 0,5 мкм). Точка наблюдения находится на оси отверстия на расстоянии l = 1м
от него. Сколько зон Френеля укладывается в отверстии? Темное или светлое пятно получится в центре дифракционной картины, если в месте наблюдения поместить экран?
9. Период дифракционной решетки a + b = 0,01 мм. Какое наименьшее число штрихов должна содержать решетка, чтобы две составляющие желтой линии натрия (λ = 5890
Å и λ = 5896 Å) можно было видеть раздельно в спектре первого порядка? Определить
наименьшую длину l решетки.
10. Предельный угол полного внутреннего отражения луча на границе жидкости с
воздухом равен 430. Каков должен быть угол падения луча из воздуха на поверхность
жидкости, чтобы отраженный луч был максимально поляризован?
11. Раствор глюкозы с концентрацией C1 = 0,28 г/см3, налитый в стеклянную трубку, поворачивает плоскость поляризации монохроматического света, проходящего через
раствор, на угол φ1 = 320. Определить концентрацию C2 раствора в другой трубке такой
же длины, если он вращает плоскость поляризации на угол φ2 = 240.
12. В фотометре одновременно рассматривают две половины поля зрения: в одной
видна эталонная светящаяся поверхность с яркостью 5 ккд/м2, в другой – испытуемая поверхность, свет от которой проходит через два николя. Граница между обеими половинами поля зрения исчезает, если второй николь повернуть относительно первого на угол 450.
Найти яркость испытуемой поверхности, если известно, что в каждом из николей теряется
8% падающего на него света.
16
13. Солнечная постоянная C = 1,4 кДж/(м2с). Угол, под которым с Земли виден радиус Солнца, равен 16’. Определить по этим данным энергетическую светимость Солнца.
Принимая, что Солнце излучает как абсолютно черное тело, вычислить температуру его
поверхности.
14. Поток монохроматического излучения (λ = 5000 Å) падает нормально на плоскую зеркальную поверхность и давит на нее с силой 10-8 Н. Определить число фотонов,
ежесекундно падающих на эту поверхность.
15. На платиновую пластинку падают ультрафиолетовые лучи. Для прекращения
фотоэффекта нужно приложить задерживающую разность потенциалов 3,7 В. Если платиновую пластинку заменить пластинкой из другого металла, то задерживающую разность
потенциалов нужно увеличить до 6 В. Определить работу выхода электронов с поверхности этой пластины.
Примерные вопросы к экзамену
1. Электромагнитная природа света. Характеристика оптического диапазона
электромагнитных волн. Особенности видимого диапазона.
2. Структура плоской электромагнитной волны и ее представление в комплексной
форме. Сферические волны. Сходящиеся и расходящиеся сферические волны.
3. Плотность потока энергии и импульса электромагнитных волн. Распределение
плотности потока энергии по сечению пучка. Гауссов пучок.
4. Плотность импульса электромагнитной волны. Давление света, его открытие,
проявление, приложения.
5. Стоячие волны. Биения. Экспериментальное доказательство электромагнитной
природы света.
6. Поляризация электромагнитных волн. Виды поляризации. Число независимых
поляризаций.
7. Основные фотометрические понятия и величины. Соотношения между энергетическими и световыми характеристиками.
8. Преломление и отражение света на плоской границе двух диэлектриков. Формулы Френеля.
9. Интенсивность отраженной и преломленной волн. Коэффициент отражения и
пропускания.
10. Закон Брюстера. Степень поляризации отраженной и преломленной волн.
11. Фазовые соотношения в падающей, отраженной и преломленной волнах. Потеря полуволны при отражении.
12. Полное внутреннее отражение. Световоды. Диффузное отражение.
13. Распространение электромагнитных волн в проводящих средах. Комплексный
показатель преломления. Отражение от металлических поверхностей.
14. Геометрическая оптика как предельный случай волновой оптики. Преломление
на сферической поверхности. Тонкие линзы. Зеркала.
15. Центрированная оптическая система и ее кардинальные элементы.
16. Построение изображений в оптических системах. Аберрации оптических систем (астигматизм, кома, сферическая и хроматическая аберрации, дисторсия). Простейшие оптические приборы (микроскопы, телескопы, лупа).
17
17. Интерференция света. Необходимые и достаточные условия для ее наблюдения.
18. Интерференция от двух когерентных источников. Оптическая разность хода,
расстояние между интерференционными максимумами.
19. Осуществление когерентных источников в оптике. Основные характеристики
интерференционных схем.
20. Кривые равной толщины и равного наклона (интерференция на плоскопараллельной пластинке и клине).
21. Кольца Ньютона в отраженном и проходящем свете.
22. Просветление оптики. Интерференционные фильтры, зеркала.
23. Интерферометр Майкельсона, интерферометр Релея. Применение интерферометров.
24. Интерференция от источников конечного размера.
25. Интерферометр Фабри-Перо. Разрешающая способность. Область свободной
дисперсии.
26. Метод зон Френеля. Зонная пластинка. Графическое вычисление амплитуды.
27. Дифракция на круглом отверстии, экране. Разрешающая способность микроскопа и телескопа.
28. Дифракция на прямоугольном крае экрана. Спираль Корню.
29. Дифракция Фраунгофера на щели. Распределение интенсивности в дифракционной картине.
30. Дифракционная решетка, дифракционный спектр. Интенсивность в спектре
дифракционной решетки.
31. Угловая и линейная дисперсии решетки. Критерий Релея. Разрешающая способность решетки.
32. Дифракция на многомерных решетках. Дифракция рентгеновских лучей. на
кристаллической решетке. Рентгеноструктурный анализ.
33. Сравнение характеристик спектральных аппаратов.
34. Двойное лучепреломление. Обыкновенный и необыкновенный лучи. Двуосные
и одноосные кристаллы.
35. Анизотропные среды. Тензор диэлектрической проницаемости. Распространение плоской волны в анизотропной среде.
36. Построения Гюйгенса для различных случаев преломления лучей на поверхности одноосного кристалла.
37. Поляризация при двойном лучепреломлении. Поляроиды. Поляризационные и
двоякопреломляющие призмы. Плеохроизм.
38. Интерференция поляризованных волн при прохождении через кристаллы. Пластинка в четверть, половину и целую волну. Анализ состояния поляризации света. Цвета
кристаллических пластинок. Явления в сходящих лучах.
39. Вращение плоскости поляризации в оптически активных веществах. Элементарная феноменологическая теория вращения плоскости поляризации.
18
40. Оптические изомеры. Вращение плоскости поляризации в магнитном поле
(эффект Фарадея).
41. Искусственная анизотропия при механических деформациях, в электрическом
и магнитном полях.
42. Рассеяние света. Релеевское рассеяние. Зависимость интенсивности света от
угла рассеяния. Поляризация света при рассеянии. Комбинационное рассеяние света.
43. Излучение абсолютно черного тела. Закон Стефана-Больцмана. Закон Вина.
Трудности классической теории. Элементарная квантовая теория излучения. Формула
Планка.
44. Дисперсия света. Фазовая и групповая скорости. Нормальная и аномальная
дисперсия.
45. Поглощение света. Закон Ламберта-Бугера-Бера.
46. Спонтанные и вынужденные переходы. Коэффициенты Эйнштейна. Создание
инверсной зависимости.
47. Лазеры. Принципиальная схема работы лазера. Свойства лазерного луча. Характеристики некоторых типов лазеров: рубинового, гелий-неонового. Газодинамические
лазеры. Лазеры с перестраиваемой частотой.
48. Физические основы голографии. Схема записи и восстановления изображения
тонкослойных голограмм. Особенности голограмм как носителей информации. Применение голограмм.
49. Фотоэффект. Основные экспериментальные закономерности и их истолкование. Определение постоянной Планка из фотоэффекта. Фотоэлектрические приемники
света (фотоэлементы, фотоумножители, фотодиоды, электронно-оптические преобразователи).
50. Оптика движущихся сред. Эффект Доплера. Красные смещения в спектрах Галактик.
11. Образовательные технологии.
В соответствии с требованиями ФГОС при реализации различных видов учебной
работы в процессе изучения дисциплины «Оптика» предусматривается использование в
учебном процессе следующих активных и интерактивных форм проведения занятий:
 лекции;
 практические занятия;
 лабораторный практикум;
 работа в малых группах.
12. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.
12.1. Основная литература:
1. Савельев, И. В. Курс общей физики : в 4 т. : учебное пособие / И. В. Савельев. 2-е изд., стереотип. - Москва : КноРус. Т. 2: Электричество и магнетизм. Волны. Оптика/
И. В. Савельев. - 2012. - 576 с. - ISBN 978-5-406-02589-5
19
2. Грабовский, Р. И.. Курс физики: учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по естественнонаучным и техническим направлениям и специальностям / Р. И.
Грабовский. - 12-е изд., стер.. - Санкт-Петербург: Лань, 2012. - 608 с - ISBN 978-5-81140466-7.
12.2. Дополнительная литература:
1. Трофимова, Т. И..
Москва, 2013. - 404 с.
Сборник задач по курсу физики/ Т. И. Трофимова. -
2. Фриш, Сергей Эдуардович Курс общей физики: в 3 т. : учеб./ Сергей Эдуардович Фриш; С. Э. Фриш, А. В. Тиморева. - 2-е изд., стер. - Санкт-Петербург: Лань. - (Классическая учебная литература по физике). - ISBN 5-8114-0662-2 Т. 3: Оптика; Атомная физика. - 2006. - 656 с.
3. Якушенков, Ю.Г. Основы оптико-электронного приборостроения : учебник /
Ю.Г. Якушенков. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Логос, 2013. - 376 с. - (Новая университетская библиотека). - ISBN 978-5-98704-652-4 ; То же [Электронный ресурс]. URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=234010
4. Сборник вопросов и задач по общей физике. Раздел 3. Оптика. Раздел 4. Квантовая физика / . - М. : Прометей, 2013. - 194 с. - ISBN 978-5-7042-2414-3 ; То же [Электронный ресурс]. - URL:http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=240525
5. Волновая оптика и квантовая физика : учебное пособие / О.И. Кондратьева,
И.А. Старостина, С.А. Казанцев, Е.В. Бурдова ; Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный технологический университет», Федеральное агентство по образованию. - Казань : КГТУ, 2010. 160 с. : ил.,табл., схем. - ISBN 978-5-7882-0996-8 ; То же [Электронный ресурс]. URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=258948
6. Элементы квантовой оптики и квантовой механики : учебное пособие / . - Новосибирск : Новосибирский государственный аграрный университет, 2012. - 89 с. ; То же
[Электронный ресурс]. - URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=230501
7. Гершензон, Е. М..
Оптика и атомная физика: учеб. пособие для студ. пед. вузов по спец. 032200 - физика/ Е. М. Гершензон, H.H. Малов, А.H. Мансуров. - Москва:
Академия, 2000. - 408 с
12.3. Программное обеспечение и Интернет – ресурсы:
1. www.e.lanbook.com
2. www.elibrary.ru
13. Перечень информационных технологий, используемых при осуществлении образовательного процесса по дисциплине (модулю), включая перечень программного обеспечения и информационных справочных систем
1. Ильин В.И.Физика в формулах. Дрофа. Москва, 2002.
2. Трофимова Т.И. Физика в таблицах и формулах. АКАДЕМИЯ. Москва, 2009.
14. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля).
Лекционная аудитория с мультимедийным оборудованием, аудитория для практических занятий, лаборатория оптики с необходимыми лабораторными стендами.
20
15.
Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины.
Для более эффективного освоения и усвоения материала, рекомендуется знакомиться с теоретическим материалом по той или иной теме до проведения семинарского
занятия. Работу с теоретическим материалом по теме с использованием учебника или конспекта лекций можно проводить по следующей схеме:
 название темы;
 цели и задачи изучения темы;
 основные вопросы темы;
 характеристика основных понятий и определений, необходимых для усвоения
данной темы;
 список рекомендуемой литературы;
 наиболее важные фрагменты текстов рекомендуемых источников, в том числе
таблицы, рисунки, схемы и т.п.;
 краткие выводы, ориентирующие на определенную совокупность сведений, основных идей, ключевых положений, систему доказательств, которые необходимо усвоить.
В ходе работы над теоретическим материалом достигается
 понимание понятийного аппарата рассматриваемой темы;
 воспроизведение фактического материала;
 раскрытие причинно-следственных, временных и других связей;
 обобщение и систематизация знаний по теме.
Дополнения и изменения к рабочей программе на 201
/ 201
учебный год
В рабочую программу вносятся следующие изменения:
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
Рабочая
программа
пересмотрена
и
одобрена
____________________ «___»_______________201 г.
на
заседании
кафедры
Заведующий кафедрой ___________________/___________________/
21
Подпись
Ф.И.О.
22