Основы оптики - Томский политехнический университет

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
УТВЕРЖДАЮ
Проректор-директор ИФВТ
___________ В.В. Лопатин
«___» ____________201__ г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ОСНОВЫ ОПТИКИ
НАПРАВЛЕНИЕ ООП 200400 ОПТОТЕХНИКА
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ) БАКАЛАВР
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА 2010 г.
КУРС_III_СЕМЕСТР_VI__
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ_6_
ПРЕРЕКВИЗИТЫ: «Физика», «Электротехника».
КОРЕКВИЗИТЫ: «Прикладная оптика», «Источники и приемники оптического излучения», «Основы квантовой электроники», «Оптико-электронные
системы», «Лазерная технология и оборудование».
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
Лекции
Лабораторные занятия
Практические занятия
____84_____
____24_____
____46_____
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
ИТОГО
____154_____
____152_____
____306____
Часа(ауд.)
Часов(ауд.)
Часов(ауд.)
Часов
Часов
Часов
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ ОЧНАЯ
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ЭКЗАМЕН
ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ кафедра Лазерной и световой
техники Институт физики высоких технологий
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ:
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП:
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ:
д.ф.-м.н., профессор В.М. Лисицын
к. ф.-м.н, доцент С.С. Вильчинская
к. ф.-м.н., доцент И.Ю. Зыков
2010 г.
1. Цели освоения дисциплины
Данная дисциплина является базовой по отношению ко всем остальным
дисциплинам специальной подготовки.
В результате освоения данной лисциплины студент приобретает базовые специальные знания и навыки, необходимые для освоения последующих
профессиональных дисциплин, а также знания, умения и навыки, обеспечивающие достижение всех целей основной образовательной программы
«Оптотехника»
Дисциплина нацелена на подготовку студентов к:
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Основы оптики» является базовой дисциплиной профессионального цикла ООП. Теоретической базой дисциплины «Основы оптики» служат курсы высшей математики, физики, электротехники. Кореквизитами для дисциплины «Основы оптики» являются дисциплины «Прикладная
оптика», «Источники и приемники оптического излучения», «Основы квантовой электроники», «Оптико-электронные системы», «Лазерная технология
и оборудование».
3. Результаты освоения дисциплины
В результате успешного освоения дисциплины «Основы оптики» студенты должны научиться самостоятельно планировать проведение эксперимента, выбирать оптимальные методики и оборудование для экспериментальных исследований оптических и светотехнических материалов, рационально определять условия и диапазон экспериментов, проводить обработку
полученных результатов.
После изучения данной дисциплины студенты приобретают знания,
умения и опыт, соответствующие результатам основной образовательной
программы: Р1, Р2, Р5 Р9*. Соответствие результатов освоения дисциплины
«Основы оптики» формируемым компетенциям ООП представлено в таблице.
Формируемые
компетенции в
соответствии с
ООП*
З.1.1, З.1.2,
З.3.1, З.3.3,
З.5.1.
Результаты освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен
знать: проявление, физическую суть и простые математические модели основных оптических явлений и схемы
экспериментов для их демонстрации, правила проведения
оптических измерений, принципы построения оптических
схем интерферометров, монохроматоров, микроскопов,
телескопов, проекционных устройств.
У.1.1, У.1.2,
У.3.1, У.5.1,
У.5.2, У.5.3.
В.1.1, В.1.2,
В.1.3, В.3.2,
В.3.3, В.5.1,
В.5.2.
В результате освоения дисциплины студент должен
уметь:базовые задачи в пределах материала курса,
пользоваться типовыми оптическими приборами, производить оптические измерения в относительных единицах
В результате освоения дисциплины студент должен владеть:
Навыками проведения простых оптических экспериментов,
навыками работы с литературой и интернет-источниками
4. Структура и содержание дисциплины
Овладение студентами теоретическими и прикладными знаниями осуществляется как при изучении лекционного курса, так и при выполнении лабораторных работ и решении задач.
Контроль работы студентов над курсом «Основы оптики» осуществляется,
наряду с экзаменами, путем проведения теоретических коллоквиумов, контрольных работ, решения задач, защит отчетов по лабораторным работам.
При контроле оценки знаний используется рейтинговая система оценки знаний, разработанная на кафедре ЛИСТ на базе университетской рейтинговой
системы.
Дисциплина построена по модульному принципу. Каждый модуль является автономной частью дисциплины и содержит элементы теоретического, практического обучения, самостоятельную работу по изучению дисциплины. Трудоемкость освоения каждого модуля оценивается в кредитах. Общая трудоемкость дисциплины составляет 6 кредитов. Дисциплина состоит
из 7 модулей:
Таблица 1.
Структура дисциплины
№
Наименование модуля
1
Электромагнитные
волны.
Элементы фотометрии
2
Трудоемкость
модуля
в кредитах
Виды занятий и их трудоемкость в
часах
Лекции ПракЛабоСамотичератор- стояские
ные за- тельная
занятия нятия
работа
4
0
0
4
0.5
4
2
4
10
Интерференция и
дифракция.
Взаимодействие излучения с веществом
2.5
24
8
4
36
3
24
6
12
42
5.
Элементы квантовой
оптики.
0.5
6
4
0
10
6.
Геометрическая оптика с элементами
прикладной оптики
2.5
22
10
4
36
7
Решение комплексных и межтематических задач
1
16
0
14
46
24
152
3
4
Итого
10
84
4.1. Электромагнитные волны.
Введение, понятие колебаний и волн, векторы электрического и магнитного поля, уравнения Максвелла.
4.2. Элементы фотометрии.
Понятие измерений.
Энергетические величины, энергия излучения, мощность излучения,
энергетическая светимость и энергетическая освещенность, сила излучения,
энергетическая яркость, специальные величины (плотность мощности и
энергетическая экспозиция).
Световые величины, связь световых и энергетических величин, кривая
спектральной чувствительности глаза, световой поток, светимость и освещенность, сила света, яркость, блеск.
Поток от излучателей различной формы ( точечный источник, плоский и
сферический ламбертовский излучатели)
4.3. Интерференция и дифракция.
Интерференция света
Сложение колебаний. Алгебраический, векторный метод сложения колебаний. Сложение с помощью комплексных величин. Стоячие волны. Опыт
Айвса, Винера. Дипольный излучатель. Временная, пространственная когерентность. Двухлучевая интерференция. Условие максимума, минимума в
интерференционной картине. Интерференция с разделением световой волны
по фронту. Опыт Юнга. Зеркала Френеля, бипризма Френеля. Зеркало Ллойда. Интерференция при разделении световой волны по амплитуде. Интерференция в плоскопараллельной пластинке. Полосы равной толщины. Кольца
Ньютона. Полосы равного наклона. Практическое применение интерференции. Интерферометры Физо, Майкельсона, Фабри-Перо. Просветляющие покрытия. Интерференционные светофильтры. Покрытия повышающие коэффициент отражения
Дифракция света
Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии.
Зонная пластинка Френеля. Дифракция Фраунгофера на щели. Распределение
освещенности в дифракционном изображении. Кружок Эйри. Разрешающая
способность оптической системы. Контроль по виду дифракционного изображения. Дифракционная решетка. Дифракция Френеля и Фраунгофера. Физические основы голографии.
4.4.Взаимодействие излучения с веществом.
Распространение света через границу двух сред
Отражение и преломление на границах двух диэлектриков. Формулы Френеля. Закон Брюстера. Зависимость коэффициента отражения от угла падения.
Физический смысл закона Брюстера. Полное внутренне
Рассеяние и поглощение света .
Рассеяние света. Формула Релея. Молекулярное рассеяние света. Поляризация света при рассеянии. Спектр молекулярного рассеяния света. Компоненты Мандельштема-Бриллюена. Комбинационное рассеяние, поглощение света, закон Бугера-Ламберта-Бера.
Дисперсия света.
Трудности электромагнитной теории Максвелла. Дисперсия света. Наблюдение дисперсии. Основы теории дисперсии
Оптика анизотропных сред .
Поляризация света. Поперечность световых волн. Естественный
и поляризованный света. Закон Малюса. Прохождение света через
Турмалиновую пластину. Анизотропия кристаллов. Двойное лучепреломление. Обыкновенный и необыкновенный луч. Волновые поверхности в одноосном кристалле. Положительные и отрицательные кристаллы. Нахождение
обыкновенного и необыкновенного лучей в одноосных кристаллах. Поляризационные приборы. Призма Николя. Поляроиды. Интерференция поляризованных лучей. Эллиптическая и круговая поляризация. Четвертьволновая
пластинка. Компенсаторы.
Индуцированная оптическая анизотропия.
Электрооптический эффект Керра. Эффект Поккельса или линейный электрооптический эффект. Эффект Фарадея. Двойное лучепреломление, вызванное напряжениями. Отклонение и модуляция светового пучка.
Элементы нелинейной оптики.
Распространение группы волн в нелинейной среде. Основы теории нелинейной дисперсии света. Генерация кратных, суммарных и разностных гармоник. Параметрическая люминесценция. Параметрический генератор света.
Самофокусировка. Вынужденное комбинационное рассеяние света. Рассея-
ние оптических лучей акустическими волнами, вынужденное рассеяние
Мандельштама-Бриллюэна. Доплеровское описание рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Классическая теория рассеяния. Вынужденное рассеяние
Мандельштама-Бриллюэна. Квантовомеханический анализ рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Преобразование частоты в результате когерентного
рассеяния света на звуковой волне.
4.5. Элементы квантовой оптика
Фотоэффект. Формула Эйнштейна и ее экспериментальная проверка. Корпускулярные свойства света. Эффект Комптона. Тепловое излучение и люминесценция Законы теплового излучения. Виды люминесценции.
4.6. Элементы геометрической и прикладной оптики..
Геометрическая оптика.
Связь геометрической оптики с волновой. Основные положения геометрической оптики. Уравнение эйконала. Принцип Ферма. Закон Малюса. Отражение и преломление у плоской поверхности. Преломление у одной сферической поверхности. Параксиальные лучи. Фокусы. Формула Ньютона. Фокальные плоскости. Увеличение даваемое одной преломляющей сферической поверхностью. Инвариан Лагранжа- Гельмгольца Тонкие линзы.
Оптические системы.
Система центрированных поверхностей. Главные плоскости.
Положение главных фокусов и главных плоскостей системы. Телескопическая система. Погрешности оптических систем и методы их устранения.
Сферическая аберрация. Кома. Астигматизм. Дисторсия. Хроматическая
аберрация. Световой поток, проходящий через оптическую систему. Светосила. Освещенность изображения. Зрачки входа и выхода. Оптическая система глаза. Визуальные приборы. Лупа. Зрительная труба. Отражательный телескоп Ньютона. Микроскоп. Разрешающая сила оптических приборов.
4.7. Решение комплексных задач по курсу.
Решение задач, содержащих материал из различных частей курса. Раздел
направлен на уяснение взаимосвязи между физическими явлениями (оптическими, электрическими, тепловыми).
4.8 ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ.
В процессе выполнения лабораторных работ студенты приобретают навыки
и умение по проведению элементарных оптических экспериментов.
Лабораторные занятия по дисциплине проводятся в III семестре и охватывают все основные разделы курса. Перед каждой работой проводится устный
контроль знаний студентов. Знания оцениваются по зачетной системе (до-
пуск-недопуск). Итоги выполнения работ оформляются студентами в виде
отчетов, защищаемых перед получением допуска к следующему занятию.
При подготовке к лабораторным работам студенты используют конспекты лекций и методические указания, содержащие теоретический материал в
достаточно полном объеме.
Лабораторные работы выполняются на базе учебной лаборатории основ
оптики.
Перечень лабораторных работ по дисциплине:
1. Интерференция и дифракция света.
2. Рассеяние света.
3. Закон Малюса.
4. Исследование амплитудной характеристики фотоэлемента.
5. Поглощение света.
6. Микроскоп.
7. Телескоп Ньютона и труба Кеплера.
8. Исследование тонкой линзы..
Обработка результатов и расчеты с использованием программы Microsoft
Excel.
5. Образовательные технологии
При освоении дисциплины используются следующие сочетания видов
учебной работы с методами и формами активизации познавательной деятельности магистрантов для достижения запланированных результатов обучения и формирования компетенций.
Методы и формы активизации деятельности
Дискуссия
IT-методы
Командная работа
Опережающая СРС
Индивидуальное обучение
Проблемное обучение
Обучение на основе опыта
ЛК
х
х
х
Виды учебной деятельности
ЛБ
х
х
х
х
х
х
СРС
х
х
х
х
х
х
Для достижения поставленных целей преподавания дисциплины реализуются следующие средства, способы и организационные мероприятия:
 изучение теоретического материала дисциплины на лекциях с использованием компьютерных технологий;
 самостоятельное изучение теоретического материала дисциплины с использованием Internet-ресурсов, информационных баз, методических разработок, специальной учебной и научной литературы;
 закрепление теоретического материала при проведении лабораторных работ с использованием учебного и научного оборудования и приборов, выполнения проблемно-ориентированных, поисковых, творческих заданий.
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов (CРC)
6.1 Текущая и опережающая СРС, направленная на углубление и
закрепление знаний, а также развитие практических умений заключается в:
 работе студентов с лекционным материалом, поиск и анализ литературы и
электронных источников информации по заданной проблеме,
 выполнении домашних заданий,
 переводе материалов из тематических информационных ресурсов с иностранных языков,
 изучении тем, вынесенных на самостоятельную проработку,
 изучении теоретического материала к лабораторным занятиям,
 изучении инструкций к приборам и подготовке к выполнению лабораторных работ,
 подготовке к экзамену.
6.1.1. Темы, выносимые на самостоятельную проработку:
 Законы внешнего фотоэффекта.
 Тонкая линза.
 Материалы и конструкции фотоэлементов и фотоумножителей.
 Интерференционные покрытия.
 Интерферометры, основные схемы и принцип работы
 Поляризационные призмы.
7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины
(фонд оценочных средств)
Оценка успеваемости студентов осуществляется по результатам:
- выполнения лабораторной работы,
- взаимного рецензирования студентами работ друг друга,
- решения задач на практических занятиях,
- устного опроса при сдаче выполненных индивидуальных заданий, защите
отчетов по лабораторным работам и во время экзамена в шестом семестре
(для выявления знания и понимания теоретического материала дисциплины).
7.1. Требования к содержанию экзаменационных вопросов
Экзаменационные билеты включают три типа заданий:
1. Теоретический вопрос.
2. Проблемный вопрос или расчетная задача.
3. Творческое проблемно-ориентированное задание.
7.2. Примеры экзаменационных вопросов
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ №2
по дисциплине: Основы оптики
факультет: ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЙ
курс: 2.
1. Векторы электрического поля.
2. Коэффициент отражения от границы раздела. Формула Френеля
3. Спектральная характеристика фотоэффекта.
Составил преподаватель:
Утверждаю: Зав. каф. ЛиСТ
Зыков И.Ю..
Лисицын В.М.
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ №3
по дисциплине: Основы оптики
факультет: ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЙ
курс: 2.
1. Векторы магнитного поля.
2. Рассеяние в чистом веществе, флуктуации давления и температуры
3. Фотоприемники на основе внешнего фотоэффекта.
Составил преподаватель:
Утверждаю: Зав. каф. ЛиСТ
Зыков И.Ю..
Лисицын В.М.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Основная:
1. Г.С. Ландсберг. Оптика. М., Наука, 1967.
2. И.В. Савельев. Курс общей физики, т. III. М., Наука, 1971.
3. Е.И. Бутиков, Оптика. М., Изд-во "Высшая школа", 1986, 512 с.
4. Р.В. Поль, Оптика и атомная физика. М., Изд-во "Наука", 1966, 552 с.
5 Физический энциклопедический словарь. М., Изд-во "Советская энциклопедия", 1984, 944 с.
6. М. Борон, Э. Вольф, Основы оптики. М., Изд-во "Наука", 1978, 720 с.
7. Д.В. Сивухин, Курс общей физики, т. IV. Оптика, М. Физматлит МФТИ,
2002, 791 с.
Дополнительная:
1.В.И. Вольман, Ю.В. Пименов. Техническая электродинамика. М. Изд-во
«Связь», 1971, 487с.
2. Дитчберн Р., Физическая оптика, М, Наука, 1979, 215 с.
3. И.Е. Иродов., Волновые процессы. М. Лаборатория базовых знаний, 2001256 с.
4.Прикладная физическая оптика. Под ред. В.А. Москалева. СПб. Политехника 1995.-258с.
5. Апенко М.И., Гвоздева Н.П. Физическая оптика, М, Машиностроение,
1979, 215 с.
6. Фриш С.Э., Тиморева А.В., Курс общей физики, т. 3., М,
Физматгиз, 1961, 608 с.
7. Китайгородский А.И., Введение в физику, М, Наука, 1973,
689 с.
Интернет-ресурсы:
http://www.lomo.ru - сайт оптического предприятия ОАО «ЛОМО».
http://lzos.ru - сайт оптического предприятия ОАО «Лыткаринский завод оптического стекла».
http://www.szd.rusglass.ru - сайт оптического предприятия «Гусевский стекольный завод».
http://purequartz.ru - сайт компании ОАО "Особо чистое кварцевое стекло".
www.zomz.ru - сайт оптического предприятия ОАО «Загорский оптикомеханический завод».
www.jupiter-optics.com - сайт оптического предприятия ЗАО «Завод Юпитер».
www.npooptica.ru - сайт оптического предприятия ФГУП «Научнопроизводственное объединение «Оптика».
http://portal.tpu.ru/SHARED/s/SVETVIL - образовательный сайт
http://faculty.ifmo.ru - образовательный сайт.
http://physics.nad.ru - научно-образовательный сайт.
http://www.labotech.ru – сайт компании "Милаформ-Сервис", поставщика лабораторного оборудования различного назначения.
http://www.td-real.ru - сайт компании ООО «Торговый дом РЕАЛ», поставщика алмазного инструмента и различных материалов для шлифования и полирования.
http://mysopromat.ru/uchebnye_kursy/sopromat/ - электронный курс «Сопротивления материалов».
http://www.eltechmed.ru - сайт компании «Альта», поставщика микроскопов
различного назначения.
9.
Материально-техническое обеспечение дисциплины
При изучении основных разделов дисциплины, выполнении лабораторных работ студенты используют оборудование, оснащенное автоматизированными системами с выводом данных на персональные компьютеры (импульсная оптическая спектрометрия, оптическая микроскопия), применяя
навыки компьютерной обработки экспериментальных результатов.
При освоении дисциплины используются следующие технические
средства и лабораторное оборудование: Комплект лабораторных стендов для
проведения лабораторных работ по темам: «Поглощение света», «Рассеяние
света», «Закон Малюса», «Дифракция и интерференция света», два многофункциональных комплекта для лабораторных работ, микроскопы МБС-2,
Люмам И-1, Биолам, телескоп ТАЛ-1.
* приложение – Рейтинг-план освоения дисциплины в течение семестра.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС-2010 по
направлению «Оптотехника».
Авторы: Вильчинская С.С.
Программа одобрена на заседании кафедры ЛИСТ ИФВТ
(протокол № ____ от «___» _______ 2010 г.).