《光学》课程教学大纲 一、课程基本信息 英文名称Optics 课程代码 PHYS1004 课程性质 专业必修课程 授课对象 物理学 学分4学分 学时 72学时 主讲教师 刘琳 修订日期 2021年9月 指定教材姚启钧，光学教程（第6版）[，北京：高等教育出版社，2019. 二、课程目标 (一)总体目标： 使学生全面、深入地掌握光学的基本概念、基本原理和基本分析计算方法，具备处理光 学基本问题的能力：通过对光学不同发据阶段冬种经典光学现象以及光学前沿问题的过论， 强化学生对光学基本概念和基本原理的理解，建立对光的正确认识，培养科学的世界观、思 维方法和创新能力：引导学生关注光学研究前沿与国家重大战略需求之间的关系，使学生树 立主动科研的意识，具备勇于探索、敢于担当的精神。 (二)课程目标： 课程目标1：通过光学课程的学习，使学生掌握几何光学的基本概念，具有利用光的传 播规律分析光学仪器工作原理的能力：掌握光的干涉、衍射、偏振现象及其规律，对光的波 动性形成深刻的认识：理解光与物质相互作用，为进一步探讨微观世界和宏观世界的联系与 规律打下基础。 课程目标2：在教学中引导学生对光学不同发展阶段的各种经典光学现象建立不同的物 理模型，体会光学理论体系建立过程中的科学思想和研究方法，培养学生提出假想、构建模 型、分析与综合以及实践求证等方面的能力。并进一步通过对光学前沿问题的讨论，培养号 生运用所学知识和方法进行初步科学探素的能力。 课程目标3：通过学习和了解光学发展史、光学研究领域的突破和相关科学家的贡献， 充分认识科学家所且各的科学素养和利学挂神在人类获得对光的本性正确认识过程中所发 挥的重要作用，培养学生勇于探索、追求真理的科学精神， 进 步引导学生关注当前光学 研究前沿与国家重大战略需求之间的关系，从而积极投身科研、勇担重任。 （(三)课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系 表1：课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表
1 《光学》课程教学大纲 一、课程基本信息 英文名称 Optics 课程代码 PHYS1004 课程性质 专业必修课程 授课对象 物理学 学 分 4 学分 学 时 72 学时 主讲教师 刘琳 修订日期 2021 年 9 月 指定教材 姚启钧，光学教程（第 6 版）[M]， 北京：高等教育出版社，2019. 二、课程目标 （一）总体目标： 使学生全面、深入地掌握光学的基本概念、基本原理和基本分析计算方法，具备处理光 学基本问题的能力；通过对光学不同发展阶段各种经典光学现象以及光学前沿问题的讨论， 强化学生对光学基本概念和基本原理的理解，建立对光的正确认识，培养科学的世界观、思 维方法和创新能力；引导学生关注光学研究前沿与国家重大战略需求之间的关系，使学生树 立主动科研的意识，具备勇于探索、敢于担当的精神。 （二）课程目标： 课程目标 1：通过光学课程的学习，使学生掌握几何光学的基本概念，具有利用光的传 播规律分析光学仪器工作原理的能力；掌握光的干涉、衍射、偏振现象及其规律，对光的波 动性形成深刻的认识；理解光与物质相互作用，为进一步探讨微观世界和宏观世界的联系与 规律打下基础。 课程目标 2：在教学中引导学生对光学不同发展阶段的各种经典光学现象建立不同的物 理模型，体会光学理论体系建立过程中的科学思想和研究方法，培养学生提出假想、构建模 型、分析与综合以及实践求证等方面的能力。并进一步通过对光学前沿问题的讨论，培养学 生运用所学知识和方法进行初步科学探索的能力。 课程目标 3：通过学习和了解光学发展史、光学研究领域的突破和相关科学家的贡献， 充分认识科学家所具备的科学素养和科学精神在人类获得对光的本性正确认识过程中所发 挥的重要作用，培养学生勇于探索、追求真理的科学精神，并进一步引导学生关注当前光学 研究前沿与国家重大战略需求之间的关系，从而积极投身科研、勇担重任。 （三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系 表 1：课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表
课程目标 对应课程内容 对应毕业要求 第一章几何光学的基本原理 毕业要求2：堂握数学、物 第二章几何光学仪器 理相关的基础知识、基本物 第三章光的干涉 理实验方法和实验技能 第四章光的衔射 具有运 用物理学理论 课程目标1 法解决问题、解释或理解物 第五章光的偏根 理规律。 第六章光的吸收、散射和色散 毕业要求8：具有自主学习 第七章光的量子性 和终身学习意识和社会适 应能力。 第八章现代光学基础 毕业要求3：了解物理学前 第一章几何光学的基本原理 沿和发展动态，新技术中的 第三章光的干涉 物理思想，熟悉物理学新发 课程目标2 第四章光的衍射 现、新理论、新技术对社会 的影响。 第七章光的量子性 毕业要求8：具有自主学习 第八章现代光学基础 和终身学习意识和补会语 应能力 第二章几何光学仪器 毕业票求7，且右课题调研 第三章光的干涉 设计、数据处理和学术交流 第四章光的衍射 能力。 课程目标3 第五章光的偏振 毕业要求8：具有自主学习 第七章光的量子性 和终身学习意识和社会适 应能力。 第八章现代光学基础 三、教学内容 第一章几何光学的基本原理 1.教学目标 掌握几何光学基本定律，成像的基本概念，掌握作图法和公式法求像。 2.教学重难点 2
2 课程目标 对应课程内容 对应毕业要求 课程目标 1 第一章 几何光学的基本原理 第二章 几何光学仪器 第三章 光的干涉 第四章 光的衍射 第五章 光的偏振 第六章 光的吸收、散射和色散 第七章 光的量子性 第八章 现代光学基础 毕业要求 2：掌握数学、物 理相关的基础知识、基本物 理实验方法和实验技能 , 具有运用物理学理论和方 法解决问题、解释或理解物 理规律。 毕业要求 8：具有自主学习 和终身学习意识和社会适 应能力。 课程目标 2 第一章 几何光学的基本原理 第三章 光的干涉 第四章 光的衍射 第七章 光的量子性 第八章 现代光学基础 毕业要求 3：了解物理学前 沿和发展动态，新技术中的 物理思想，熟悉物理学新发 现、新理论、新技术对社会 的影响。 毕业要求 8：具有自主学习 和终身学习意识和社会适 应能力。 课程目标 3 第二章 几何光学仪器 第三章 光的干涉 第四章 光的衍射 第五章 光的偏振 第七章 光的量子性 第八章 现代光学基础 毕业要求 7：具有课题调研、 设计、数据处理和学术交流 能力。 毕业要求 8：具有自主学习 和终身学习意识和社会适 应能力。 三、教学内容 第一章 几何光学的基本原理 1.教学目标 掌握几何光学基本定律，成像的基本概念，掌握作图法和公式法求像。 2.教学重难点
物和像的概念，符号法则的正确使用，球面折射和反射成像计算，基点、基面的意 义。 3.教学内容 第一节几何光学基本定律 一、光线和波面 教学要点：理解光线的含义及其与波面之间的关系。 二、几何光学基本定律（光的直线传播定律、反射和折射定律） 教学要点：了解折射定律中光线角度大小和位置关系，折射成像的不完善性。 第二节光程费马原理 一、光程 教学要点：掌握光程在非均匀介质中的普遍形式：理解光程的含义。 二、费马原理及其应用 教学要点：理解费马原理和几何光学基本定律的一致性。 第三节棱镜和最小偏向角全内反射和光学纤维 一、棱镜、棱镜最小偏向角 教学要点：了解主截面的定义，最小偏向角发生的条件。 二、全反射及其应用 教学要点：了解全反射发生的条件。 第四节同心光束和像散光束物和像 一、同心光束和像散光束 教学要点：理解象散光束形成的原因！ 二、物和像的概念 教学要点：掌握虚物、虚像的概念。 第五节单球面上的傍轴成像 一、透镜成像的符号法则 教学要点：理解符号规则和公式形式的关系。 二、傍轴成像的条件 教学要点：理解傍轴区的定义，掌握单个球面折射、反射成像公式 第六节薄透镜的成像规律 一、傍轴成像的焦点、焦面
3 物和像的概念，符号法则的正确使用，球面折射和反射成像计算，基点、基面的意 义。 3.教学内容 第一节 几何光学基本定律 一、光线和波面 教学要点：理解光线的含义及其与波面之间的关系。 二、几何光学基本定律（光的直线传播定律、反射和折射定律） 教学要点：了解折射定律中光线角度大小和位置关系，折射成像的不完善性。 第二节 光程 费马原理 一、光程 教学要点：掌握光程在非均匀介质中的普遍形式；理解光程的含义。 二、费马原理及其应用 教学要点：理解费马原理和几何光学基本定律的一致性。 第三节 棱镜和最小偏向角 全内反射和光学纤维 一、棱镜、棱镜最小偏向角 教学要点：了解主截面的定义,最小偏向角发生的条件。 二、全反射及其应用 教学要点：了解全反射发生的条件。 第四节 同心光束和像散光束 物和像 一、同心光束和像散光束 教学要点：理解象散光束形成的原因。 二、物和像的概念 教学要点：掌握虚物、虚像的概念。 第五节 单球面上的傍轴成像 一、透镜成像的符号法则 教学要点：理解符号规则和公式形式的关系。 二、傍轴成像的条件 教学要点：理解傍轴区的定义，掌握单个球面折射、反射成像公式。 第六节 薄透镜的成像规律 一、傍轴成像的焦点、焦面
教学要点：明确焦点、焦面所对应的共轭关系 二、薄透镜成像公式 教学要点：明确不同成像公式的应用场合并理解其一致性。 三、熟练利用作图法成像 教学要点：掌握利用焦点、焦平面性质求任意入射光线对应的出射光线。 第七节理想光学系统的基点和基面、共轴球面系统组合的理论 一、共轴理想光具组基点和基面 教学要点：理解基点、基面概念的引入。 二、共轴球面系统的成像规律 教学要点：掌握共轴球面系统基点基面的求解：掌握已知基点、基面作图法和公式法 求像。 4.教学方法 教师讲授，师生讨论等等。 5.教学评价 课后相应习题、补充习题，课堂讨论如何检测虚像。 第二章几何光学仪器 1.教学目标 理解视放大本领的物理含义：掌握放大镜、显微镜、望远镜的工作原理，具有利用光的 传播规律分析光学仪器工作原理的能力：了解光阑在光学仪器中的作用，学会确定已知系统 的有效光阑的方法并计算相应的入射光雕、出射光瞳。 2.教学重难点 显微镜、望远镜的工作原理，有效光阑、入射光瞳、出射光瞳的计算 3.教学内容 第一节人眼 教学要点：了解人眼的结构，调节功能和人眼的视角分辨率。 第二节助视仪器的放大本领放大镜 教学要点：理解视觉放大本领的概念：掌握放大镜的工作原理。 第三节显微镜的放大本领 教学要点：了解显微镜的构造和显微镜工作特点：掌提显微镜的工作原理。 第四节望远镜的放大本领
4 教学要点：明确焦点、焦面所对应的共轭关系。 二、薄透镜成像公式 教学要点：明确不同成像公式的应用场合并理解其一致性。 三、熟练利用作图法成像 教学要点：掌握利用焦点、焦平面性质求任意入射光线对应的出射光线。 第七节 理想光学系统的基点和基面、共轴球面系统组合的理论 一、共轴理想光具组基点和基面 教学要点：理解基点、基面概念的引入。 二、共轴球面系统的成像规律 教学要点：掌握共轴球面系统基点基面的求解；掌握已知基点、基面作图法和公式法 求像。 4.教学方法 教师讲授，师生讨论等等。 5.教学评价 课后相应习题、补充习题，课堂讨论如何检测虚像。 第二章 几何光学仪器 1.教学目标 理解视放大本领的物理含义；掌握放大镜、显微镜、望远镜的工作原理，具有利用光的 传播规律分析光学仪器工作原理的能力；了解光阑在光学仪器中的作用，学会确定已知系统 的有效光阑的方法并计算相应的入射光瞳、出射光瞳。 2.教学重难点 显微镜、望远镜的工作原理，有效光阑、入射光瞳、出射光瞳的计算。 3.教学内容 第一节 人眼 教学要点：了解人眼的结构，调节功能和人眼的视角分辨率。 第二节 助视仪器的放大本领 放大镜 教学要点：理解视觉放大本领的概念；掌握放大镜的工作原理。 第三节 显微镜的放大本领 教学要点：了解显微镜的构造和显微镜工作特点；掌握显微镜的工作原理。 第四节 望远镜的放大本领
教学要点：掌握望远镜的视放大工作原理：了解开普勒和伽利略两类望远镜的不同特 点：理解激光扩束的基本原理以及两类望远系统作为扩束系统使用时的优缺点。 第五节光阑和光 教学要点：理解光阑和光瞳的基本概念，掌握有效光阑、入射和出射光瞳的计算。 4.教学方法 教师讲授，师生讨论，指导学生自主学习等。 5.教学评价 课后相应习题，补充习题，开放课题研究测距机的工作原理以及光路仿真。 第三章光的干涉 1.教学目标 理解光波的时空特性，分析光波的叠加性和相干性，重点掌握光的相干条件及其实现的 方法。能够分析各种分波面和分振幅的双光束干涉现象的规律。理解光的空间相干性和时间 相干性。了解多光束干涉光强分布的特点以及法布里一珀罗干涉仪的构造、原理和应用。引 导学生体会对波动光学理论建立有重要意义的经典相干实验中蕴含的研究思想和方法，培养 提出假想、构建模型、分析与综合以及实践求证等方面的能力， 2.教学重难点 光的相干条件：影响条纹可见度的因素：光的空间相干性和时间相干性：半波损失：分 波面和分振幅的双光束干涉现象的规律。 3.教学内容 第一节光的电磁理论 教学要点：理解光是电磁波，了解光的频段和光的颜色。 第二节波的叠加和相干条件 教学要点：了解机械波的叠加原理：理解由波动方程决定的光波的独立性和叠加性： 掌握光波的相干条件和补充条件。 第三节干涉花样干涉条纹的可见度 教学要点：掌握位相差和光程差的概念：掌握干涉花样的形成的空间规律：理解时间 相干性和空间相干性对干涉条纹的影响 第四节分波面双光束干涉 教学要点：理解分波面和分振幅干涉的区别：掌握杨氏双缝干涉、菲涅尔双面镜、洛 艾镜的干涉机理及干涉条纹的特点。 第五节光在两种介质分界面上的反射和折射 教学要点：了解菲涅耳公式：理解半波损失产生的原因。 第六节分振幅薄膜干涉（一）一一等倾干涉条纹
5 教学要点：掌握望远镜的视放大工作原理；了解开普勒和伽利略两类望远镜的不同特 点；理解激光扩束的基本原理以及两类望远系统作为扩束系统使用时的优缺点。 第五节 光阑和光瞳 教学要点：理解光阑和光瞳的基本概念，掌握有效光阑、入射和出射光瞳的计算。 4.教学方法 教师讲授，师生讨论，指导学生自主学习等。 5.教学评价 课后相应习题，补充习题，开放课题研究测距机的工作原理以及光路仿真。 第三章 光的干涉 1.教学目标 理解光波的时空特性，分析光波的叠加性和相干性，重点掌握光的相干条件及其实现的 方法。能够分析各种分波面和分振幅的双光束干涉现象的规律。理解光的空间相干性和时间 相干性。了解多光束干涉光强分布的特点以及法布里-珀罗干涉仪的构造、原理和应用。引 导学生体会对波动光学理论建立有重要意义的经典相干实验中蕴含的研究思想和方法，培养 提出假想、构建模型、分析与综合以及实践求证等方面的能力。 2.教学重难点 光的相干条件；影响条纹可见度的因素；光的空间相干性和时间相干性；半波损失；分 波面和分振幅的双光束干涉现象的规律。 3.教学内容 第一节 光的电磁理论 教学要点：理解光是电磁波，了解光的频段和光的颜色。 第二节 波的叠加和相干条件 教学要点：了解机械波的叠加原理；理解由波动方程决定的光波的独立性和叠加性； 掌握光波的相干条件和补充条件。 第三节 干涉花样 干涉条纹的可见度 教学要点：掌握位相差和光程差的概念；掌握干涉花样的形成的空间规律；理解时间 相干性和空间相干性对干涉条纹的影响。 第四节 分波面双光束干涉 教学要点：理解分波面和分振幅干涉的区别；掌握杨氏双缝干涉、菲涅尔双面镜、洛 艾镜的干涉机理及干涉条纹的特点。 第五节 光在两种介质分界面上的反射和折射 教学要点：了解菲涅耳公式；理解半波损失产生的原因。 第六节 分振幅薄膜干涉（一）——等倾干涉条纹