РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине ОБЩИЙ КУРС ФИЗИКИ. ОПТИКА и АТОМНАЯ ФИЗИКА
для специальностей 200100 Микроэлектроника и твердотельная электроника
550700 Направление электроника и микроэлектроника
Нанотехнологии в электронике
реализуемой на факультете нано- и биомедицинских технологий
Саратов 2006 год
Рабочая программа
составлена в соответствии
с Государственным образовательным
стандартом
по специальностям 200100 Микроэлектроника и твердотельная электроника
550700 Направление электроника и микроэлектроника
Нанотехнологии в электронике
(номер государственной регистрации от)
| ОДОБРЕНО: Председатель учебно-методической комиссии физического факультета, профессор __________________ В.Л.Дербов __________________ 2006 г. | УТВЕРЖДАЮ: Проректор по учебной работе, профессор ______________Е.М. Первушов __________________ 2006 г. |
СОГЛАСОВАНО:
И.о. декана физического факультета,
профессор Д.А.Зимняков
декан факультета нано и биотехнологий С.Б. Вениг
профессор
Заведующий кафедрой оптики и В.В.Тучин
биомедицинской физики
физического факультета, профессор
| Вид учебной работы | Бюджет времени по формам обучения, час | ||||
| очная | заочная | ||||
| полная программа | ускорен-ные сроки | очно- заочная | полная программа | Ускорен-ные сроки | |
| Аудиторные занятия, всего | - | - | - | - | |
| в том числе: лекции – лабораторные (практические) - семинарские | - | - | - | - | |
| Самостоятельная работа студентов | - | - | - | - | |
| Зачеты, +/- | - | - | - | - | - |
| Экзамены, +/- | + | - | - | - | - |
| Контрольные работы, количество | - | - | - | - | - |
| Курсовая работа, + /- | - | - | - | - | - |
Заведующий кафедрой оптики и
биомедицинской физики, профессор, д.ф.-м.н. В.В.Тучин
Автор: профессор кафедры оптики и
биомедицинской физики, профессор, д.ф.-м.н. С.С.Ульянов
Организационно-методическое сопровождение
Оптика и атомная физика являются одними из основных разделов общего курса физики. Вторая половина 20 столетия ознаменовалась крупнейшими научными достижениями в прикладной и физической оптике, которые не только изменили классический облик оптики, но существенным образом повлияли на развитие других разделов физики и смежных с ней научных дисциплин. Поэтому в настоящее время оптике уделяется особое внимание в системе естественнонаучного образования. Оптикой называют учение о физических явлениях, связанных с процессами излучения, распространения и взаимодействия с веществом коротких электромагнитных волн, длина которых лежит в диапазоне 0,001 мкм - 0,1 мм. Столь широкий взгляд на предмет оптики подразумевает включение в нее вполне самостоятельных разделов - квантовую оптику, волновую оптику и геометрическую оптику, которые из-за обширности материала обычно рассматриваются в разных физических курсах. В данном курсе лекций преимущественно изучаются оптические явления, теория которых рассматривается с позиций волновой и геометрической оптики, при этом основы геометрической оптики изучаются только на практических занятиях - семинарах, и в рамках физического практикума по оптике.
Учебный план по курсу раздела оптики включает курс лекций, практические занятия и лабораторный практикум. Последовательность изучения основных разделов курса волновой оптики, в большей степени отвечает построению изложения материала, принятому в учебном пособии Бутиков Е.И. Оптика. - С.-Петербург: Невский Диалект: БХВ-Петербург. 2003. - 480 с. (Бутиков Е.И. Оптика. - М.: Высшая школа, 1986. - 512 с.), которое и принято в качестве одного из основных рекомендуемых учебников для студентов физического факультета специальности «Физика».
Раздел курса лекций, посвященный вопросам атомной физики, соответствует изложению материала, принятому в учебном пособии И.В. Савельева (Савельев И.В. Курс общей физики, т. III. Оптика, атомная физика, физика атомного ядра и элементарных частиц.) Данное учебное пособие предназначено для студентов инженерно-физических специальностей высших учебных заведений.
При изучении курса оптики и атомной физики студенты должны иметь теоретическую подготовку по следующим разделам и темам общего курса физики: механика, электричество и магнетизм, а также математики: математический анализ, аналитическая геометрия. Студенты должны иметь навыки самостоятельной работы с учебными пособиями и монографической учебной литературой, умение решать физические задачи, требующие применения дифференциального и интегрального математического аппарата, умение производить приближенные преобразования аналитических выражений.
2. Тематический план учебной дисциплины
| № п/п | Наименование раздела, подраздела, темы лекции | Бюджет учебного времени | Форма текущ. и итог. контр. | ||||
| Всего | в том числе | ||||||
| лекции | Лабор. и практ. | семинарские занятия | Самост. работа | ||||
| Очная полная программа | |||||||
| Геометрическая оптика | |||||||
| Формулы линзы. Центрированные оптические системы | |||||||
| Электромагнитные волны оптического диапазона. Поляризация света. | |||||||
| Уравнения Максвелла. Уравнение Гельмгольца. Источники и приемники света. Шкала электромагнитных волн. Энергия Эл. Маг. волн. Вектор Умова-Пойтинга. | |||||||
| Отражение и преломление света. Формулы Френеля. | |||||||
| Построения Гюйгенса. Вывод формул Френеля. Закон сохранения энергии при отражении и преломлении. | |||||||
| Интерференция света. Когерентность. | |||||||
| Векторная диаграмма сложения колебаний. Интерференция плоских и сферических волн. Интерференционные опыты с делением волнового фронта. Временная и пространственная когерентность света. |
| Дифракция света | |||||||
| Зонные пластины. Дифракция Френеля на краю плоского экрана. Спираль Корню. Дифракция на круглом отверстии. Дифракционные решетки. | |||||||
| Оптика движущихся тел | |||||||
| Скорость света и методы ее определения. Опыт Майкельсона. Проявление эффекта Доплера в спектральных исследованиях. | |||||||
| Тепловое излучение. | |||||||
| Тепловое излучение и люминесценция. Закон Кирхгофа. Закон Стефана-Больцмана. Закон Вина. Формула Релея-Джинса. Формула Планка. Оптическая пирометрия. | |||||||
| Фотоны. | |||||||
| Тормозное рентгеновское излучение. Фотоэффект. Законы фотоэффекта. Красная граница фотоэффекта. Формула Эйнштейна. Внешний и внутренний фотоэффект. Опыт Боте. Энергия и импульс фотона. Эффект Комптона. | |||||||
| Боровская теория атома. | |||||||
| Закономерности в атомных спектрах. Серии линий спектра испускания атома. Волновые числа. Постоянная Ридберга. Серии Лаймана, Пашена, Брэкета и Пфунда. Модель атома Томпсона. Опыты по рассеянию a-частиц. Формула Резерфорда. Ядерная модель атома. Постулаты Бора. Опыт Франка и Герца. Элементарная теория водородного атома. Главное квантовое число. | |||||||
| Квантово-механическая теория водородного атома. | |||||||
| Гипотеза де-Бройля. Волнвые свойства вещества. Уравнение Шредингера. Квантово-механическое описание движения микрочастиц. Свойства волновой функции. Квантование. Частица в бесконечно глубокой одномерной потенциальной яме. Прохождение частиц через потенциальный барьер. | |||||||
| Экзамен | |||||||
| Итого по всему курсу: |
Содержание учебной дисциплины
| Введение. Оптика и атомная физика в современной физике. Краткая история развития оптики и атомной физике и основные разделы этих наук. Открытия в оптике и в атомной физике в 20-ом столетии. | ||
| Оптика | ||
| Электромагнитные волны оптического диапазона. Поляризация света | ||
| Электромагнитные волны в однородных, изотропных, не поглощающих, диэлектрических средах. Уравнения Максвелла. Волновое уравнение. Уравнение волны. Плоская монохроматическая волна. Основные характеристики колебаний и волн и их физический смысл. (Амплитуда, фаза, частота, круговая частота, волновое число, длина волны, фазовая скорость, фронт волны, волновые поверхности.) Пространственно-временная периодичность волнового поля. Пространственный спектр волны. Пространственные периоды и частоты. Пространственно неоднородная монохроматическая волна. | ||
| 3. | Сферическая и цилиндрическая волны. Уравнение параксиальной сферической волны. Гауссов пучок света. Пространственно неоднородные монохроматические волны. Представление монохроматических волн в комплексном виде. Комплексная амплитуда волнового поля. Уравнение Гельмгольца. Поперечность электромагнитной волны. Взаимная ориентация волнового вектора, векторов электрического и магнитного полей в плоской волне. Фазовая скорость волны. | |
| 4. | Поляризация плоской монохроматической электромагнитной волны. Типы поляризации электромагнитных волн. Линейно (плоско) поляризованная волна. Плоскость поляризации. Круговая (циркулярная) и эллиптическая поляризации. Суперпозиция ортогонально поляризованных волн с различными частотами, с изменяющимися во времени начальными фазами. Естественный и частично поляризованный свет. Степень поляризации. Источники света. Приемники света. Шкала электромагнитных волн. Оптический диапазон. Энергия электромагнитных волн. Плотность потока энергии. Вектор Умова-Пойтинга. Интенсивность света. | |
| 5. | Стоячие электромагнитные волны. Уравнение стоячей волны. Оптический резонатор. Поляризация стоячих электромагнитных волн. Линейная, круговая поляризации. Регистрация стоячих электромагнитных волн. Опыт Винера. | |
| 6. | Квазимонохроматические волны. Излучение дипольного осциллятора. Разложение по гармоническим составляющим. Временной спектр. Модулированные волны. Амплитудная и фазовая модуляции. Волновой цуг конечной длительности. Соотношение между длиной цуга и шириной спектрального интервала. Суперпозиция двух плоских монохроматических волн различной частоты. Биения. Групповая скорость. Формула Рэлея. Дисперсия света. | |
| Отражение и преломление света | ||
| 7. | Отражение и преломление света на плоской границе раздела двух изотропных диэлектриков. Вывод законов отражения и преломления. Соотношения амплитуд падающей, отраженной и преломленной волн. Вывод формул Френеля. Следствия из формул Френеля. | |
| 8. | Изменение параметров волны при отражении и преломлении. Изменение фазы волны при отражении. Зависимость коэффициента отражения от угла падения. Изменение азимута колебаний линейно поляризованной волны при отражении и преломлении. Поляризация света при отражении под углом Брюстера. Полное внутреннее отражение. Изменение состояния поляризации света при полном внутреннем отражении Степень поляризации отраженного и преломленного света. Энергетические коэффициенты отражения и пропускания. Закон сохранения энергии. Коэффициент отражения при произвольном азимуте линейной поляризации. Коэффициент отражения для естественного света. | |
| Интерференция света | ||
| Условия формирования интерференционных картин. Взаимная когерентность волновых процессов. Интенсивность результирующего поля при суперпозиции двух световых волн. Интерференционное уравнение. Условия образования максимумов и минимумов интенсивности. Интерференционные полосы. | ||
| Интерференция монохроматических волн точечных источников. Основное уравнение интерференции монохроматических волн (вывод уравнения с использованием векторной диаграммы и комплексной формы записи для уравнения световой волны). Пространственное распределение интенсивности в интерференционной картине. Контраст (видность) интерференционных полос. Интерференция плоских волн. Пространственный период полос. | ||
| Интерференция сферических волн. Схема наблюдения полос Юнга и схема наблюдения колец Ньютона. Оптический путь, оптическая разность хода. Связь разности фаз волн с их оптической разностью хода. Условия формирования светлых и темных интерференционных полос. Общая схема интерференции волн точечных источников. Интерференция гауссовых пучков света. Интерференция монохроматических волн различной частоты. Зависимость наблюдаемой картины от постоянной времени фотоприемника. | ||
| Интерференция квазимонохроматических волн. Функция взаимной когерентности. световых волн. Интерферометр Майкельсона. Временная когерентность световых волн. Длина волнового цуга. Время и длина временной когерентности. Соотношения между временем когерентности и шириной спектрального интервала. | ||
| Зависимость видности интерференционных полос от степени временной когерентности. Предельная разность хода и полное число наблюдаемых интерференционных полос. Спектральная интерференция (интерференция при больших разностях хода). | ||
| Интерференция квазимонохроматических волн протяженных источников света. Пространственная когерентность. Роль конечных размеров источника света. Интерферометр Юнга. Зависимость радиуса пространственной когерентности от угловых размеров источника света. Степень пространственной когерентности. Интерференционные опыты с делением волнового фронта (бипризма Френеля, зеркала Френеля, билинза Бийе). | ||
| Интерференционные полосы равного наклона и равной толщины. Оптическая разность хода лучей света при отражении от границ плоского прозрачного слоя. Полосы равного наклона. Оптический клин. Полосы равной толщины. Интерференционный опыт Ньютона, кольца Ньютона. Влияние временной и пространственной когерентности света при интерференции в тонких пленках. | ||
| Дифракция света | ||
| Дифракция света, основные понятия и определения. Общие схемы наблюдения дифракционных явлений. Принципы Гюйгенса и Гюйгенса-Френеля. Зоны Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии и круглом экране. Пятно Пуассона. Распределение освещенности в дифракционной картине в поперечном направлении и вдоль оси отверстия. | ||
| Зонная пластинка и ее сравнение с линзой. Дифракция Френеля на прямолинейном краю плоского экрана. Спираль Корню. Распределение освещенности в дифракционной картине. | ||
| Дифракция Фраунгофера. Дифракция Фраунгофера на щели и на прямоугольном отверстии. Дифракция Фраунгофера на круглом отверстии. Дифракционная расходимость (уширение) световых пучков. Лазерные гауссовы пучки. Дифракционная расходимость излучения полупроводникового лазера. Дифракционный предел разрешения оптических систем. Аподизация. | ||
| Дифракционная решетка. Фазовые дифракционные решетки. Синусоидальная дифракционная решетка. Дифракционная решетка как спектральный прибор. Разрешающая способность дифракционной решетки. | ||
| Физические принципы голографии. Голографические схемы записи и восстановления световых полей. Голографическая интерферометрия. Голограммные оптические элементы. | ||
| Оптика движущихся тел | ||
| Явление Доплера в оптике. Проявление эффекта Доплера в спектральных исследованиях Проявление эффекта Доплера при интерференции и дифракции света. Сдвиг частоты света при дифракции на движущейся дифракционной решетке. | ||
| Атомная физика | ||
| Тепловое излучение. | ||
| Тепловое излучение и люминесценция. Закон Кирхгофа. Закон Стефана-Больцмана. Закон Вина. Формула Релея-Джинса. Формула Планка. Оптическая пирометрия. | ||
| Фотоны. | ||
| Тормозное рентгеновское излучение. Фотоэффект. Законы фотоэффекта. Красная граница фотоэффекта. Формула Эйнштейна. Внешний и внутренний фотоэффект. Опыт Боте. Энергия и импульс фотона. Эффект Комптона. | ||
| Боровская теория атома | ||
| Закономерности в атомных спектрах. Серии линий спектра испускания атома. Волновые числа. Постоянная Ридберга. Серии Лаймана, Пашена, Брэкета и Пфунда. Модель атома Томпсона. Опыты по рассеянию a-частиц. Формула Резерфорда. Ядерная модель атома. Постулаты Бора. Опыт Франка и Герца. Элементарная теория водородного атома. Главное квантовое число. | ||
| Квантово-механическая теория водородного атома. | ||
| Гипотеза де-Бройля. Волнвые свойства вещества. Уравнение Шредингера. Квантово-механическое описание движения микрочастиц. Свойства волновой функции. Квантование. Частица в бесконечно глубокой одномерной потенциальной яме. Прохождение частиц через потенциальный барьер. | ||