Передмова. Навчальний посібник для студентів

Оптика

Навчальний посібник для студентів

фізичних спеціальностей

Кредитно-трансферна система навчання

Миколаїв – 2011

Рекомендовано до друку вченою радою

Миколаївського національного університету імені В.О. Сухомлинського

Рецензенти

Мочалов О.О. доктор технічних наук, професор, академік НАН України відділу фізики, завідуючий кафедрою фізики НУК імені Адмірала Макарова

Гуйтур В.І. кандидат технічних наук, професор, завідуючий кафедрою фізики МНУ імені В.О. Сухомлинського

Оптика. Навчальний посібник для студентів фізичних спеціальностей. Кредитно-трансферна система.

Шамро З.П., Євфимко К.Д., Січко В.М., Рехтета М.А.

Пропонований посібник призначений для студентів фізико-математичних факультетів педагогічних ВНЗ та університетів. Він розроблений з урахуванням кредитно-трансферної системи навчання. Як приклад розроблено технологічну карту організації навчального процесу з дисципліни «Загальна фізика», розділ «Оптика» для студентів напряму підготовки 6.040203 Фізика* галузі знань 0402 – фізико-математичні науки.

У посібнику відображено повний курс теоретичного матеріалу для організації аудиторних, індивідуальних та самостійних занять. Наведено перелік та приклади розв’язування задач для аудиторних занять, самостійної та індивідуальної роботи студентів, повний перелік та зміст лабораторних робіт, графік їх виконання та захисту.

В кінці кожного змістового модуля підбиті підсумки до нього.

Зміст

Передмова................................................................................................................................ 8

План організації навчального процесу

з курсу загальної фізики (розділ “Оптика”).......................................................................... 10

Перелік лабораторних робіт.................................................................................................... 13

Графік виконання ї захисту лабораторних робіт................................................................... 14

Перелік навчально-методичної літератури

Підручники (основні)........................................................................................ 15

Підручники (додаткові)..................................................................................... 15

Збірники задач.................................................................................................. 15

Практикуми........................................................................................................ 15

РОЗДІЛ I. ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ I........................................................................................... 16

§1.1. Лекційний матеріал......................................................................................... 16

Електромагнітна природа світла та його характеристики..................................... 16

1. Предмет дослідження оптики.

Короткий історичний огляд учення про світло............................................ 16

Розвиток оптики у XX столітті......................................................................... 17

2. Світло та його характеристики

основні енергетичні та світлові величини

Фотометрія...................................................................................................... 18

Вимірювання фотометричних величин...................................................... 22

§1.2. Практичні заняття............................................................................................ 26

Практичне заняття №1 «Вступне заняття».................................................. 26

Практичне заняття №2 «Фотометрія».......................................................... 26

Зміст та основні формули............................................................................. 26

Приклади розв’язування задач................................................................... 27

Задачі для самостійного розв’язування та

домашнього завдання.................................................................................. 29

§1.3. Самостійна робота.......................................................................................... 30

1. Перелік компетентностей

першого змістового модуля................................................................... 30

2. Питання для самоконтролю

першого змістового модуля................................................................... 31

3. Банк завдань до першого змістового модуля........................................ 31

РОЗДІЛ II. ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ II......................................................................................... 34

§2.1. Лекційний матеріал......................................................................................... 34

Хвильові властивості світла. Інтерференція.

Дифракція........................................................................................................ 34

Метод здійснення когерентних

хвиль в оптиці................................................................................................. 35

1. Метод Юнга................................................................................................... 35

2. Бідзеркала Френеля..................................................................................... 36

3. Біпризма Френеля........................................................................................ 37

Інтерференція в тонких пластинках............................................................. 38

Інтерференція в тонкому клині.................................................................... 40

Кільця Ньютона.............................................................................................. 40

Установка для спостереження кілець Ньютона......................................... 41

Інтерференційний рефрактометр Жамена.................................................. 43

Інтерферометр Майкельсона........................................................................ 44

Інтерферометр Лінника................................................................................. 45

Інші застосування інтерференції.................................................................. 45

Багатопроменева інтерференція.................................................................. 50

Дифракція світла............................................................................................ 54

Принцип Гюйгенса-Френеля......................................................................... 54

Графічне обчислення результуючої амплітуди.......................................... 56

Дифракція в променях, що розходяться...................................................... 58

1) Дифракція на круглому отворі.................................................................. 58

2) Дифракція на круглому екрані.................................................................. 59

Дифракція в паралельних променях............................................................ 60

Дифракція від щілини.................................................................................... 61

Дифракція на двох щілинах.......................................................................... 62

Дифракційна решітка..................................................................................... 63

Похиле падіння променів на решітку.......................................................... 67

Роздільна здатність дифракційної решітки................................................. 69

Дисперсія дифракційних решіток................................................................. 70

З історії виготовлення дифракційних решіток............................................ 71

Дифракція рентгенівських променів............................................................ 72

Поняття про голографію................................................................................. 73

Голографія із записом у тривимірному середовищі.................................. 76

Властивості й особливості голограм.

Застосування голографії................................................................................ 78

§2.2. Практичні заняття............................................................................................ 78

Практичне заняття №3 «Інтерференція світла».............................................. 78

План та основні формули............................................................................. 78

Приклади розв’язування задач................................................................... 79

Задачі для самостійного розв’язування

та домашнього завдання............................................................................. 82

Практичне заняття №4 «Інтерференція світла»............................................ 83

План та основні формули............................................................................. 83

Приклади розв’язування задач................................................................... 84

Задачі для самостійного розв’язування

та домашнього завдання............................................................................. 86

Практичне заняття №5 «Інтерференція світла»............................................ 87

План та основні формули............................................................................. 87

Приклади розв’язування задач................................................................... 88

Задачі для самостійного розв’язування

та домашнього завдання............................................................................. 91

Практичне заняття №6 «Дифракція світла».................................................. 93

План та основні формули............................................................................. 93

Приклади розв’язування задач................................................................... 93

Задачі для самостійного розв’язування

та домашнього завдання............................................................................. 95

Практичне заняття №7 «Дифракція світла».................................................. 97

План та основні формули............................................................................. 97

Приклади розв’язування задач................................................................... 97

Задачі для самостійного розв’язування

та домашнього завдання............................................................................. 99

Практичне заняття №8 «Дифракція світла».................................................. 100

План та основні формули............................................................................. 100

Приклади розв’язування задач................................................................... 101

Задачі для самостійного розв’язування

та домашнього завдання............................................................................. 103

§2.3. Самостійна робота.......................................................................................... 104

1. Перелік компетентностей

другого змістового модуля.......................................................................... 104

2. Питання для самоконтролю

другого змістового модуля.......................................................................... 105

3. Банк завдань до другого змістового модуля............................................ 108

РОЗДІЛ III. ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ III....................................................................................... 115

§3.1. Лекційний матеріал......................................................................................... 115

Геометрична оптика........................................................................................ 115

Основні закони і положення

геометричної оптики........................................................................................ 116

Застосування явища повного

внутрішнього відбивання........................................................................... 119

Принцип Ферма............................................................................................ 120

Заломлення променів................................................................................. 120

1. Заломлення на плоскій поверхні................................................................ 122

2. Хід променів через призму......................................................................... 123

3. Заломлення на сферичній поверхні........................................................... 124

4. Лінзи.............................................................................................................. 125

5. Формула лінзи............................................................................................... 125

6. Шість випадків побудови зображення в лінзах...................................... 127

7. Центрована система лінз............................................................................. 129

Сферична аберація.................................................................................... 130

Хроматична аберація................................................................................ 130

Астигматизм............................................................................................... 131

Дисторсія (викривлення).......................................................................... 131

Кома............................................................................................................ 131

Оптичні прилади:..................................................................................... 132

1. Лупа.............................................................................................................. 132

2. Мікроскоп.................................................................................................... 133

3. Схема астрономічної труби Кеплера (телескоп)..................................... 134

4. Проекційний апарат................................................................................... 135

5. Фотоапарат.................................................................................................. 136

Плоскі та сферичні дзеркала......................................................................... 137

§3.2. Практичні заняття............................................................................................ 140

Практичне заняття №9 «Основні закони і положення

геометричної оптики. Співвідношення між

основними параметрами. Повне внутрішнє відбивання»................... 140

План та основні формули......................................................................... 140

Приклади розв’язування задач............................................................... 140

Задачі для самостійного розв’язування та домашнього
завдання..................................................................................................... 142

Практичне заняття №10 «Використання законів заломлення»................ 144

План та основні формули........................................................................ 145

Приклади розв’язування задач.............................................................. 147

Задачі для самостійного розв’язування

та домашнього завдання....................................................................... 147

Практичне заняття №11 «Оптичні прилади»............................................. 149

План та основні формули....................................................................... 149

Приклади розв’язування задач............................................................. 150

Задачі для самостійного розв’язування

та домашнього завдання....................................................................... 152

§3.3. Самостійна робота.......................................................................................... 154

1. Перелік компетентностей

третього змістового модуля................................................................. 154

2. Питання для самоконтролю

третього змістового модуля................................................................. 154

3. Банк завдань до третього змістового модуля................................................................... 156

РОЗДІЛ IV. ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ IV...................................................................................... 160

§4.1. Лекційний матеріал......................................................................................... 160

Взаємодія електромагнітних хвиль з речовиною..................................... 160

Поляризація світла......................................................................................... 162

Поляризація світла при відбиванні і

заломленні на межі двох діелектриків.

Закон Брюстера.............................................................................................. 162

Пояснення закону Брюстера......................................................................... 163

Визначення напряму коливань електричного

вектора у відбитому та заломленому світлі................................................ 164

Подвійне променезаломлення..................................................................... 165

Побудова Гюйгенса в кристалах з однією віссю........................................ 167

Поляризаційні прилади................................................................................. 170

Призма Ніколя................................................................................................ 170

Призма Глана-Фуко........................................................................................ 171

Призма Волластона........................................................................................ 172

Призма Рошона.............................................................................................. 172

Турмалін.......................................................................................................... 172

Поляроїди........................................................................................................ 172

Інтерференція поляризованих променів..................................................... 173

Виявлення і аналіз еліптично та циркулярно

поляризованого світла................................................................................... 176

Компенсатори................................................................................................. 177

Компенсатор Бабіне....................................................................................... 178

Компенсатор Солейля.................................................................................... 179

Обертання площини поляризації................................................................. 179

Магнітне обертання....................................................................................... 180

Ефект Керра..................................................................................................... 181

Фотопружність................................................................................................. 181

Дисперсія світла............................................................................................. 182

Вплив речовини на поширення світла, обумовлений

взаємодією світла з атомами і молекулами,

з яких складається речовина........................................................................ 184

Спостереження дисперсії.............................................................................. 187

Спектри та спектральний аналіз................................................................... 191

Поглинання світла.......................................................................................... 192

Виведення формули Бугера.......................................................................... 193

Розсіювання світла......................................................................................... 194

Молекулярне розсіювання............................................................................ 196

Комбінаційне розсіювання світла............................................................... 197

§4.2. Практичні заняття............................................................................................ 199

Практичне заняття №12 «Поляризація світла»............................................. 199

План та основні формули.............................................................................. 199

Приклади розв’язування задач.................................................................... 200

Задачі для самостійного розв’язування

та домашнього завдання.............................................................................. 201

Практичне заняття №13 «Поляризація світла»............................................... 203

План та основні формули.............................................................................. 203

Приклади розв’язування задач.................................................................... 203

Задачі для самостійного розв’язування

та домашнього завдання........................................................................... 206

Практичне заняття №14 (семінар) «Дисперсія світла.

Методи визначення швидкості світла»(семінар)......................................... 207

Зміст................................................................................................................... 207

Запитання для підготовки до семінару

та самоконтролю................................................................................................. 207

§4.3. Самостійна робота.......................................................................................... 209

1. Перелік компетентностей четвертого

змістового модуля............................................................................................... 209

2. Питання для самоконтролю........................................................................... 210

3. Банк завдань до четвертого

змістового модуля.............................................................................................. 211

РОЗДІЛ V. ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ V........................................................................................ 215

§5.1. Лекційний матеріал......................................................................................... 215

Оптика рухомих середовищ........................................................................... 215

Визначення швидкості світла за спостереженнями

затемнень супутників Юпітера........................................................................ 215

Лабораторні методи визначення

швидкості світла............................................................................................... 216

1. Метод Фізо (1849) або метод зубчастого колеса...................................... 216

2. Метод дзеркала, що обертається (Фуко 1868)........................................... 218

3. Метод призми, що обертається

(Майкельсон 1881)................................................................................... 219

Фазова та групова швидкість світла........................................................ 220

Ефект Вавилова-Черенкова...................................................................... 222

Дослід Майкельсона і виникнення теорії відносності.......................... 224

Ефект Доплера............................................................................................ 230

Аберація світла.......................................................................................... 232

§5.2. Практичні заняття............................................................................................ 233

Практичне заняття №15 «Оптика

рухомих середовищ».............................................................................. 233

План та основні формули.......................................................................... 233

Приклади розв’язування задач................................................................ 234

Задачі для самостійного розв’язування

та домашнього завдання....................................................................... 235

§5.3. Самостійна робота.......................................................................................... 236

Перелік компетентностей п’ятого

змістового модуля................................................................................... 236

Питання для самоконтролю................................................................... 237

Банк завдань до п’ятого змістового модуля........................................ 238

РОЗДІЛ VI. ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ VI...................................................................................... 240

§6.1. Лекційний матеріал......................................................................................... 240

Поняття про нелінійну оптику...................................................................... 240

Коротка історія розвитку нелінійної оптики................................................ 240

Нелінійні явища, які виникають при взаємодії

електричного поля хвилі з речовиною........................................................ 241

Параметрична генерація світла................................................................... 245

Багатофотонний ефект................................................................................... 246

Просвітлення й затемнення середовища................................................... 246

Ефект затемнення середовища.................................................................... 247

Висновок.......................................................................................................... 250

Питання для самоконтролю шостого

змістового модуля.......................................................................................... 251

Перелік та зміст лабораторних робіт

Лабораторна робота №1

«Визначення показника заломлення скла

за допомогою мікроскопа та

плоско-паралельної пластинки»................................................................ 252

Лабораторна робота №2

«Визначення фокусних відстаней тонких лінз»......................................... 255

Лабораторна робота №3

«Моделювання оптичних систем»................................................................ 261

Лабораторна робота №4

«Визначення довжини хвилі лазерного

випромінювання методом інтерференції світла

у біпризмі Френеля»........................................................................................ 268

Лабораторна робота №5

«Визначення радіуса кривизни лінзи за допомогою

кілець Ньютона»............................................................................................ 273

Лабораторна робота №6

«Визначення показника заломлення скла

інтерференційним методом
паралельного ходу променів».................................................................... 279

Лабораторна робота №7

«Вивчення дифракції Фраунгофера на щілині»........................................... 283

Лабораторна робота №8

«Вивчення явища дифракції світла за

допомогою дифракційної решітки»................................................................ 287

Лабораторна робота №9

«Вивчення явища поляризації світла»......................................................... 292

Лабораторна робота №10

«Визначення питомого кута повертання кварцу

та концентрації цукру в розчин сахариметром»............................................. 294

Лабораторна робота №11

«Вивчення явища дисперсії світла. Визначення

дисперсії скляної призми гоніометром».......................................................... 298

Література до лабораторних робіт....................................................................... 303

Використана література до теоретичного матеріалу......................................... 304

Курс загальної фізики в умовах університетської освіти є профілюючим курсом, фундаментом фахової підготовки майбутнього вчителя фізики середньої школи. Особлива роль фізики визначається перш за все самим предметом вивчення навколишнього світу, де розкривається сутність матерії, форм її руху та спокою, простору, часу як форм її існування, взаємозв’язок та взаємоперетворюваність різних видів матерії і рухів, єдність матеріального світу.

В цьому полягає важливе філософське, методологічне та світоглядне значення вивчення фізики. На основі вивчення класичної і сучасної фізики формується цілісна сучасна картина світу.

Особливість вивчення фізики в університеті полягає в тому, що студенти мають оволодіти системою знань, умінь і навичок, необхідних для майбутньої роботи в школі.

Лекційний курс повинен супроводжуватися добре підготовленими лекційними демонстраціями, які могли б бути зразком постановки шкільного експерименту і методики його використання при поясненні нового матеріалу. Лекційне заняття в умовах кредитно-трансферної системи організації навчального процесу слід розглядати як поглиблену консультацію з найбільш важливих та ґрунтовних тем і питань з оптики.

Практичні заняття з розв'язування фізичних задач – невід’ємна складова частина процесу навчання фізиці, оскільки вона дозволяє формувати і збагачувати фізичні поняття та закони, розвиває фізичне мислення і навички використання теоретичних знань на практиці.

Лабораторний фізичний практикум з оптики передбачає творчий розвиток практичних навичок та вмінь щодо індивідуального проведення фізичного лабораторного практикуму та методики оцінки результатів експериментальних досліджень, опанування прийомами їх математичної обробки й обчислення похибок вимірювання фізичних величин.

Самостійна робота студентів має дві складові: підготовка до аудиторних занять та підготовка до модульного контролю.

Поряд з аудиторними заняттями планується виконання індивідуальної аудиторної роботи під керівництвом викладача, коли проводиться колективне або індивідуальне консультування студентів та модульний контроль.

План організації навчального процесу дисципліни представляє структуру навчального курсу за змістом та видами навчальної діяльності у поєднанні з графіком навчального процесу, календаризованого за термінами вивчення та складання окремих змістових модулів. Кожен із цих модулів має свою форму контролю у вигляді індивідуальних завдань, виконання яких передбачено у письмовому вигляді з наступним захистом.

Рейтингова система оцінювання дозволяє врахувати як поточну підготовку студентів до аудиторних занять, так і рівень засвоєння навчального матеріалу окремого модуля. Підсумкова оцінка (залікова) виставляється за рейтинговими показниками.

В даній методичній розробці представлено:

1. План організації навчального процесу з курсу фізики (розділ «Оптика»). До нього додається: перелік лабораторних робіт, графік виконання і захисту лабораторних робіт, перелік навчально-методичної літератури (підручники, збірники задач, практикуми).

2. Лекційний матеріал, розділений на змістові модулі.

3. Матеріал для проведення практичних занять до кожного змістового модуля.

4. Матеріал для самостійної роботи та індивідуальних занять.

5. Перелік та повне описання змісту лабораторних робіт зі списком необхідної літератури до кожної роботи.

6. В кінці кожного змістового модуля приведено: перелік компетентностей, питання для самоконтролю, а також банк завдань.

Подані матеріали дозволяють студенту самостійно планувати терміни та обсяги змістової складової навчальної діяльності, прогнозувати її результативність.

Дата добавления: 2015-06-04