课程介绍
《光学》课程是西安理工大学应用物理学专业普通物理系列课程之一，为该专业学生的专业基础课。它是后续课程，如量子力学、原子物理、固体物理、光电子学等课程的重要基础。它仍然是当今科研前沿的热门学科，它的基本理论、基本原理、光学仪器以及研究手段和方法仍是其他学科的重要依据和工具。光学是最早发展起来的学科之一，与人类的生活密不可分，它是光的产生和传播以及光与物质相互作用的学科。在科学技术、文化艺术、教育等方面发挥着重要作用。
通过本课程的学习，学生能牢固掌握并灵活运用光学的基本概念、基本原理和基本规律，了解光的重要性，建立清晰的物理图像，培养提出问题、分析问题和解决问题的能力，为后续的专业课程和工作打下坚实的基础。
课程内容包括几何光学、波动光学和现代光学，共6章内容，我们讲解的侧重点在波动光学部分。
课程大纲
一 教学目标
通过本门课程的学习，使学生系统地掌握有关光学的基本概念，基本规律和基本的计算方法，掌握光学的基础理论，基础知识和基本技能，了解现代光学及光学与其他学科、技术相结合的发展状况，为学习后续课程以及今后的工作打下基础。本课程的任务是使学生掌握几何光学、物理光学和光与物质相互作用三大主要内容，了解光学的发展及应用，了解光学发展及交叉学科发展历史中重大突破的背景与影响，能够提出问题并进行初步分析；培养学生具备光电工程科学、光电信息技术专业方向的基础知识和技能。
在进行课程的讲解过程和本课程设置的实验的操作过程中，能把经典理论与现代科学技术相结合，培养学生的学习兴趣，且强调经典理论与物理学的研究方法在今天依然具有旺盛的生命力，是现代科技的基础。鼓励学生着眼于未来，落足于基础。基础牢靠，才能生长出旺盛的枝叶。通过课程建设和教学改革，使本课程能够在教学、实践和考核等环节上有效融入思政的有关元素。从本课程的为基础课程出发，以光学的发展过程为引导，让学生认识到人类认识客观世界的进程，是不断揭露矛盾和克服矛盾、从不完全和不确切的认识逐步走向较完善和较确切认识的过程。引导学生善于发现矛盾，利用矛盾及寻找解决的方法，此为创新。
专业知识学习上，采用传统教学与实验教学相结合，通过雨课堂的引入培养主动思考的能力，让学生养成主动思考和探索的习惯。开放式选题小论文的布置，使学生重视经典理论在现代科技中的应用,激发学生的学习经典的热情并能培养学生见微知著的踏实学风和创新热情。
本课程的德育目标：教导学生有强烈的爱国心，有振兴祖国科技的理想和信念，树立正确的价值观和人生观，崇尚科学素养和工匠精神，求真务实。
教学目标具体要求如下：
（1）牢固掌握有关光的传播及其本性，包括干涉、衍射、偏振等基本现象、原理和规律，为后继课程奠定必要的基础。并了解它们在科研、生产和实践上的应用。
（2）牢固掌握几何光学的基本概念、成像规律和作图方法。熟悉典型助视光学仪器的基本结构及原理。
（3）了解现代光学的发展概况以及现代光学的基本概念、原理，研究的方法、手段，理解经典的基础知识在现在光学中的地位，培养学生尊重经典，脚踏实地的学习态度和学习兴趣。
（4）培养学生的学习能力、科学探究能力和分析解决问题的能力，培养学生实事求是、勇于探究的科学精神和辩证唯物主义世界观。
二 具体教学内容
1．绪论（1学时）
（1）教学内容
讲授光学的研究内容和方法，光学的发展基本情况，光学与信息存储等学科的关系，以及本课程的主要任务以及如何学好本课程。要求：了解光学研究的内容和研究方法；了解光学发展历程。
（2）对毕业要求的支撑
本知识点的讲授和学习，可支撑“毕业要求2问题分析”中的“指标点2-2能够将物理学的基本理论和原理应用到对物理相关的理论问题和实际的工程问题的识别、表达和分析中，并获得有效结论”。
（3）课程思政育人要素
通过介绍光学的发展历程和光学的研究内容和方法,让学生认识到人类认识客观世界的进程，是不断揭露矛盾和克服矛盾、从不完全和不确切的认识逐步走向较完善和较确切认识的过程。引导学生善于发现矛盾，利用矛盾及寻找解决的方法,。
2．光的干涉（9学时）
（1）教学内容
主要讲述光的干涉的基本理论及其应用。要求：理解相干叠加和非相干叠加的区别联系；理解光的相干条件和光的干涉定义；了解干涉条纹的可见度以及空间相干性和时间相干性对可见度的影响；掌握光程差和相位差之间的关系；掌握分波面干涉装置的干涉强度分布的基本规律，即干涉条纹的间距和干涉条纹的形状；掌握分振幅法等倾干涉条纹的条纹特征和光强分布及其应用；掌握分振幅等厚干涉的条纹特征和光强分布及其应用；掌握迈克尔孙干涉仪和法布里干涉仪的基本原理及其应用。
（2）对毕业要求的支撑
本知识点的讲授和学习，可以支撑 “毕业要求1工程知识” 中的“指标点1-2掌握物理学的基础知识和基本原理，能用物理学的理论、观点和方法分析简单的科学技术问题，并与已知典型结果进行比较和判断”。也可支撑“毕业要求2问题分析”中的“指标点2-2能够将数学的基本原理应用到物理学的基本理论的研究和对物理现象和规律的分析、 表达和识别中，并获得有效结论”。
（3）作业及课外学习要求
作业：教师自编写作业；选做：教材P66—68，第,1、2、3、4、8、12、15、16、21题；课外学习要求：查阅互联网，进一步了解光的干涉应用的新进展，并写成评述性论文，以小组形式开展讨论。
（4）课程思政育人要素
与前沿结合。在讲迈克耳逊干涉仪的应用时，讲到2017年的诺贝尔物理学奖，2017年的物理奖授给了引力波的探测者。他们发明和设计的LIGO探测器，就是超级版的迈克尔逊干涉仪，其应用激光光束来测量两条相互垂直的干涉臂的长度差变化。使学生意识到经典光学知识是现代科学技术的基础，不仅是进一步学习的基础，而且在现代科学技术中依然有着广泛的应用，在最前沿的科学研究中，经典依然有着无可比拟的作用。在课堂上，这些理念必须通过强有力的例子传授给学生，所以用近年来在光学方面的科技进展，使学生重视经典，重视基础，培养学生踏实刻苦的匠心精神，让学生在功利浮躁的社会中多一份淡然和宁静。
3．光的衍射（10学时）
（1）教学内容
主要讲述光的衍射的现象及其基本理论与应用。要求：了解光的衍射现象，并注意区分菲涅尔衍射和夫琅和费衍射；理解衍射现象的理论基础-----惠更斯-菲涅尔原理；了解波带片的原理和应用；掌握夫琅禾费单缝衍射的光强分布规律，明确 的物理意义；掌握夫琅禾费园孔衍射的光强分布规律，明确 公式的物理意义，和艾里斑的半角宽度计算；熟练掌握平面衍射光栅的基本原理和应用，了解光栅的分光原理，掌握光栅方程、缺级和谱线半角宽度的概念和计算；了解晶体的X射线衍射布喇格方程的 意义；
（2）对毕业要求的支撑
本知识点的讲授和学习，可支撑“毕业要求1工程知识” 中的“指标点1-2掌握物理学的基础知识和基本原理，能用物理学的理论、观点和方法分析简单的科学技术问题，并与已知典型结果进行比较和判断”。也可支撑“毕业要求2问题分析”中的“指标点2-2能够将物理学的基本理论和原理应用到对物理相关的理论问题和实际的工程问题的识别、表达和分析中，并获得有效结论”。可支撑“毕业要求3设计/开发解决方案” 中的“指标点3-1掌握基本的创新方法，了解应用物理学发展及交叉学科发展历史中重大突破的背景与影响，能够提出问题并进行初步分析”。 可支撑“毕业要求4研究” 中的“指标点4-1掌握坚实的应用物理学基础理论、较深入的应用物理专门知识、以及应用物理学的基本实验方法和技能”，以及“指标点4-2能够基于物理学原理、物理机制机理等对复杂的科学及应用技术等问题进行研究，包括设计实验、分析与处理数据，并能对实验结果进行评价并得到合理有效的结论；具有一定的实验设计，创造实验条件，归纳、整理、分析实验结果，撰写论文，参与学术交流的能力”。
（3）作业及课外学习要求
作业：教师自编写作业；选做：教材P111—113，第1、2、3、4、7、8、12、13、14、15、16、17、23题；课外学习要求：设计实验测定CD或DVD光盘的光栅常量，写出实验方案。
（4）课程思政育人要素
思政教育切忌生硬地说教，课堂上通过讲解物理学的江湖上著名的物理大侠他们的名人轶事，甚至是趣事和糗事，一来增加课堂的趣味性，调节课堂气氛，二是让学生了解物理学规律的发现过程，物理规律研究的一般规律和方法，更重要的是了解物理学家们的思维方式、对知识的渴望和求知的毅力和坚持。比如讲到光栅，就要讲到光栅的发明人夫琅禾费，夫琅禾费的父亲是一个玻璃匠，夫琅禾费在玻璃堆中长大，所以对于光和光学仪器比我们更多了一份得天独厚的条件，说明环境很重要。讲到夫琅禾费如何从一个光学研究所的工人成长为该所的负责人。
在讲到多缝干涉和光栅衍射时，讲到2018年诺贝尔物理奖。2018年诺贝尔物理学奖一半的奖金授予了啁啾脉冲放大技术（Chirped Pulse Amplification, CPA）的发明者师徒二人。CPA系统中最为关键的器件是压缩器与展宽器，其性能影响着激光脉冲能量的提高。适用于激光驱动器的展宽器或压缩器是衍射光栅对。这里学生进一步对光栅的性质，对光栅的色散特性，光栅特性的应用加深了理解，而且对所学的知识增加了兴趣。
在课堂上讲解内容的时候，会自然提到我国科学界在光学发展的进程中贡献。激光核聚变（神光工程），皮秒激光器，条纹相机等都在课堂上渗透讲解。如引力波的发现就有我国八名科技人员的参与，而对于啁啾脉冲放大技术，我国 20 世纪 80 年代初就紧跟超快技术的国际前沿，目前国际上基于CPA技术的最高峰值功率就是中国科学院上海光机所于2017年报道的10 PW结果[8]。但是又告诉学生，尽管我们在光学领域取得许多成就，但我国的光学与光子学研究的总体水平还落后于国际水平。基础研究较差，原创性成果较少。我国的光学基础研究只在少数学科达到国际水平；在高技术和应用研究方面，技术基础比较薄弱，元器件研制水平低；在光学和光电子学的产业化方面，进展较为缓慢，产品质量和性能尚差，批量生产的多为低档产品。在激发学生民族自豪感的同时，又让他们产生对国家的使命感和责任感，激发学生建立从事光学及相关学科研究的志向。
4．几何光学的基本原理（8学时）
（1）教学内容
主要讲述光的直线传播、成像基本原理及基本公式。要求：掌握光线和光束的概念；理解物和象的概念、掌握虚物和虚象的实质；了解费马原理在几何光学中的地位和作用；掌握几何光学中的新笛卡儿符号法则；掌握曲面反射、曲面折射及薄透镜成像的物象公式；掌握几何光学的光线作图法求解单球面折射和薄透镜的成象问题；了解理想光具组的基点和基面的意义。
（2）对毕业要求的支撑
本知识点的讲授和学习，可支撑“毕业要求1工程知识” 中的“指标点1-2掌握物理学的基础知识和基本原理，能用物理学的理论、观点和方法分析简单的科学技术问题，并与已知典型结果进行比较和判断”。也可支撑“毕业要求2问题分析”中的“指标点2-2能够将物理学的基本理论和原理应用到对物理相关的理论问题和实际的工程问题的识别、表达和分析中，并获得有效结论”。可支撑“毕业要求3设计/开发解决方案” 中的“指标点3-1掌握基本的创新方法，了解应用物理学发展及交叉学科发展历史中重大突破的背景与影响，能够提出问题并进行初步分析”。 可支撑“毕业要求4研究” 中的“指标点4-1掌握坚实的应用物理学基础理论、较深入的应用物理专门知识、以及应用物理学的基本实验方法和技能”.
（3）作业及课外学习要求
作业：教师自编写作业，选做：教材P159—163，第3、4、6、7、11、12、13、17、19、25、26、29题。课外学习要求：借一部单反相机，拍出自己满意的照片。
5．光学仪器的基本原理（8学时）
（1）教学内容
主要讲述显微镜、望远镜的基本原理及其放大本领和分辨本领。要求：了解人眼的结构以及非正常眼的形成原因及矫正措施；领悟视角的物理意义；领悟助视仪器的放大本领的物理意义，区别角放大率与放大本领；掌握放大镜、目镜、显微镜和望远镜的放大本领的计算；了解光阑在光学仪器的作用和地位；学会有效光阑，入射光瞳和出射光瞳的计算；了解像差的一般结论。
（2）对毕业要求的支撑
本知识点的讲授和学习，可支撑“毕业要求1工程知识” 中的“指标点1-2掌握物理学的基础知识和基本原理，能用物理学的理论、观点和方法分析简单的科学技术问题，并与已知典型结果进行比较和判断”。也可支撑“毕业要求2问题分析”中的“指标点2-2能够将物理学的基本理论和原理应用到对物理相关的理论问题和实际的工程问题的识别、表达和分析中，并获得有效结论”。可支撑“毕业要求3设计/开发解决方案” 中的“指标点3-2能够根据产品和工程要求进行系统优化设计、技术手段改进和设备研发设计，设计时能够考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等制约因素。 可支撑“毕业要求4研究” 中的“指标点4-1掌握坚实的应用物理学基础理论、较深入的应用物理专门知识、以及应用物理学的基本实验方法和技能”.
（3）作业及课外学习要求
作业：教师自编教材；选做：教材P207—209，第2、4、5、6、17、18、19、20；课外学习要求：了解房门中猫眼的结构并画出光路图。
（4）课程思政育人要素
小课题的调研和探讨，学生在完成的过程中，增加了探索性和趣味性，并对课堂内容有了进一步的认识和掌握。小课题完成后在课堂上有分组探讨和小组代表讲述，教师在这儿只是组织者，必要的时候纠正和评判。通过组成学习小组，学生共同完成小组任务。在收集资料，分析、疑难问题讨论过程中，培养团结协作的意识。
6．光的偏振（10学时）
（1）教学内容
主要讲述光的偏振特性及其偏振光的获得的现象及其基本理论与应用。要求：了解偏振光和自然光的表观区别和内在联系；理解光的偏振现象是光的横波性最直接和最有力的实验证据；明确单轴晶体的光轴、主截面和振动面的意义；寻常光和非常光的性质；掌握单轴晶体中的惠更斯作图法确定光在单轴晶体中的传播方向；理解应用反射或折射、尼科耳棱镜、晶体的双折射和具有二向色性的人造偏振片等产生平面偏振光；掌握布儒斯特定律和马吕斯定律；掌握产生线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光的条件；明确1/4波片和/2波片的功用；学会用波片和检偏器来产生和鉴定各种偏振光的原理和方法；分析偏振光干涉光强的计算；了解光弹效应、电光效应、磁光效应及旋光现象及应用。
（2）对毕业要求的支撑
本知识点的讲授和学习，可支撑“毕业要求1工程知识” 中的“指标点1-2掌握物理学的基础知识和基本原理，能用物理学的理论、观点和方法分析简单的科学技术问题，并与已知典型结果进行比较和判断”。也可支撑“毕业要求2问题分析”中的“指标点2-2能够将物理学的基本理论和原理应用到对物理相关的理论问题和实际的工程问题的识别、表达和分析中，并获得有效结论”。可支撑“毕业要求3设计/开发解决方案” 中的“指标点3-1掌握基本的创新方法，了解应用物理学发展及交叉学科发展历史中重大突破的背景与影响，能够提出问题并进行初步分析”。 可支撑“毕业要求4研究” 中的“指标点4-1掌握坚实的应用物理学基础理论、较深入的应用物理专门知识、以及应用物理学的基本实验方法和技能”。
（3）作业及课外学习要求
作业：教材P266—269，第1、2、6、7、8、9、10、11、12、15、17、18题；课外学习要求：调查光的偏振的实际应用。
（4）课程思政育人要素
通过偏振光的干涉的学习，教学设计中采用问题引导，启发式教学，让学生知道自己学习的某种知识在现实中扮演的角色，然后再从基础讲起，梳理知识树，直到延伸到另一条线索中提出的问题，完美的衔接在一起。引领着学生不断探索，引发学生不断思考，用已有的知识分析问题，发现问题，然后解决问题，从而获得领悟后的成就感和愉悦感。做到了知识的前后连接，融会贯通，引导学生领会出，看似复杂的物理现象，剥丝抽茧，其实都是基本的物理现象的组成。
7．光的吸收、散射和色散（4学时）
（1）教学内容
主要介绍光与物质相互作用时，发生的吸收、散射和色散的现象并用经典量子理论对这些现象作初步解释。要求：了解电偶极辐射对光的反射和折射现象的解释；理解从能量的观点研究光的吸收现象所遵循的朗伯定律；理解瑞利散射，会用瑞利定律解释一些常见的光学现象；理解正常色散和反常色散的特点。
（2）对毕业要求的支撑
本知识点的讲授和学习，可支撑“毕业要求1工程知识” 中的“指标点1-2掌握物理学的基础知识和基本原理，能用物理学的理论、观点和方法分析简单的科学技术问题，并与已知典型结果进行比较和判断”。也可支撑“毕业要求2问题分析”中的“指标点2-2能够将物理学的基本理论和原理应用到对物理相关的理论问题和实际的工程问题的识别、表达和分析中，并获得有效结论”。
（3）作业及课外学习要求
作业：教材P111—113，第1、3、5、7、10题；课外学习要求：注意观察实际生活中光的吸收、散射和色散，并能简要解释这些光的自然现象。
8．光的量子性（6学时）
（1） 教学内容
本章简要讲述光的量子性，讨论光电效应和康普顿效应，阐述光的波粒二象性的含义。要求：理解群速度的概念；理解光的量子性；领悟光的量子性的主要证据-----光电效应和康普顿效应，理解光的波粒二象性。
（2）对毕业要求的支撑
本知识点的讲授和学习，可支撑“毕业要求1工程知识” 中的“指标点1-1掌握数学的基本知识和基本原理，能就简单的科学问题和工程问题建立方程并进行求解”。可支撑“毕业要求3设计/开发解决方案” 中的“指标点3-1掌握基本的创新方法，了解应用物理学发展及交叉学科发展历史中重大突破的背景与影响，能够提出问题并进行初步分析”。
（3）作业及课外学习要求
作业：教材P332，第14、15、16、17、23题；课外学习要求：阅读有关量子理论的科普书籍，对量子物理有初步的了解并提高兴趣。
考核标准
本课程采取百分制，成绩由平时成绩、期终考试两个环节的成绩综合评定产生平时成绩占30%~40%，期终成绩占比60%~70%。其中，平时成绩评定包括线上学习、课堂考勤、作业、讨论等环节。期终考试采取闭卷形式，内容涉及课程的基本概念和基本方法，题型包括选择题、填空题、简答及作图题、计算与分析题等。
