x1012.00 Физическая оптика

В курсе рассматривается излучение света и его распространение в вакууме и в материальных средах на базе волновой теории и в рамках корпускулярного подхода, а также обзор технических приложений основных идей классической оптики. Курс посвящен всем, кто планирует будущую работу в областях информационных технологий, механики и оптики.

О курсе

Курс посвящен теоретическому анализу и экспериментальным демонстрациям основных явлений, связанных с излучением света и его распространением в вакууме и в материальных средах на базе волновой теории (на количественном уровне) и в рамках корпускулярного подхода (на качественном уровне), а также обзору технических приложений основных идей классической оптики. Дополнительными целями курса являются демонстрация глубокой связи законов волновой оптики с классической (неквантовой) электродинамикой, аналогий между оптическими и квантовомеханическими явлениями и постепенная подготовка слушателей к восприятию современных концепций квантовой механики, квантовой электродинамики и всей микро- и нанофизики.

При решении перечисленных задач используются апробированные автором в очном учебном процессе образовательные методики, основанные на реализации дополнительных возможностей, открываемых компьютерными, информационными, мультимедийными и телекоммуникационными технологиями.

В результате прохождения курса слушатели должны овладеть навыками использования в профессиональной деятельности основных законов оптики и электродинамики, применения методов математического анализа и моделирования; приобрести компетенции в области проведения самостоятельных исследований, обработки и представления экспериментальных данных, выполнения математического и численного моделирования процессов и объектов на базе готовых пакетов и в результате самостоятельного программирования.

Освоение курса внесет существенный вклад в формирование у слушателей базы для успешной профессиональной деятельности в области современных нано-, оптических, наукоемких исследований и технологий и позволит им построить весьма полезную для жителей и будущих специалистов ХХI века систему адекватных представлений о механизмах и законах получения человеком основного объема информации об окружающем мире через оптические каналы восприятия.

Формат

В состав курса входят видеолекции с опросами, упражнения и виртуальные лаборатории. Длительность курса составляет 11 недель. Трудоемкость курса – 3 зачетных единицы. Средняя недельная нагрузка на обучающегося – 9 часов.

Информационные ресурсы

1. Бутиков Е.И. Оптика. Учеб. пособие для вузов / Под ред. Н. И. Калитеевского. — М.: Высш. шк., 2012. — 608 с: ил.
2. Калитеевский Н.И. Волновая оптика. Учеб. пособие для вузов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1995. — 463 с: ил.
3. Стафеев С.К., Боярский К.К., Башнина Г.Л. Основы оптики. Учеб. пособие для вузов. — СПб.: Питер, 2006. — 336 с: ил.
4. Ландсберг Г.С. Оптика. Учеб. пособие для вузов. — 6-е изд., стереот. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. — 848 с.
5. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Учеб. пособие для вузов. — 3-е изд., стереот. — М.: Физматлит, МФТИ, 2002. — Т. IV. Оптика. — 792 с.
6. Чирцов А.С. Электромагнитные взаимодействия: Классическая электродинамика. Учеб. пособие. — СПб.: Издательство С.-Петербургского университета, 2005. — 370 с.
7. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Справочное пособие. — М.: Наука, 1973 г. — 848 с.

Требования

Знание основ геометрической и волновой оптики в рамках школьного курса. Для прохождения курса дополнительного программного обеспечения не требуется.

Программа курса

В курсе рассматриваются следующие темы:

1. Электромагнитные волны в вакууме. Поляризация
2. Излучение света. Спектры
3. Распространение света в веществе, поведение на границе сред
4. Распространение света в различных средах
5. Дифракция Гюйгенса-Френеля-Кирхгофа и дифракция Фраунгофера
6. Интерференция
7. Уравнение эйконала, принцип Ферма, геометрическая оптика
8. Оптические приборы и голография

Каждая тема предполагает изучение в течение одной недели. На 5-й и 10-й неделях запланированы упражнения по пройденному материалу. На 11-й неделе запланирован интернет-экзамен.

В курсе имеется два типа дедлайна (предельного срока выполнения оценивающих мероприятий):
– мягкий дедлайн, при котором необходимо выполнить все оценивающие мероприятия текущей недели до ее завершения;
– жесткий дедлайн, при котором на выполнение оценивающих мероприятий после мягкого дедлайна дополнительно выделяется еще две недели, по окончании которых доступ к соответствующим мероприятиям закрывается.

Результаты обучения

• знания в области фундаментальной и прикладной физики (геометрической, электромагнитной и волновой оптики) (РО-1);
• умения и навыки применения эффективных методов геометрической и волновой оптики, а так же классической электродинамики для решения типовых задач (РО-2).

Формируемые компетенции

• 12.03.01 Приборостроение
  1. Способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей её достижения, владение культурой мышления (ОК-1)
  2. Способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ПК-1)
  3. Способность собирать и анализировать научно-техническую информацию, учитывать современные тенденции развития и использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии в профессиональной деятельности (ПК-2)
  4. Способность проводить исследования, обрабатывать и представлять экспериментальные данные (ПК-4)
  5. Способность выполнять математическое моделирование процессов и объектов на базе стандартных пакетов автоматизированного проектирования и исследований (ПК-23)
  6. Способность разрабатывать программы и их блоки, проводить их отладку и настройку для решения отдельных задач приборостроения (ПК-24)
• 12.03.02 Оптотехника
  1. Способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей её достижения владеет культурой мышления (ОК-1)
  2. Способность логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь, создавать тексты профессионального назначения (ОК-2)
  3. Способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ПК-1)
  4. Способность собирать и анализировать научно-техническую информацию по тематике исследования, учитывать современные тенденции развития и использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии в профессиональной деятельности (ПК-2)
  5. Способность к проведению эксперимента, к обработке и представлению экспериментальных данных (ПК-4)
  6. Способность к расчёту и проектированию элементов и устройств, основанных на различных физических принципах действия (ПК-7)
• 12.03.03 Фотоника и оптоинформатика
  1. Способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения, владеть культурой мышления (ОК-1)
  2. Способность логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь, создавать тексты профессионального назначения (ОК-2)
  3. Способность применять основные методы, способы и средства получения, хранения, переработки информации, иметь навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ОК-12)
  4. Способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ПК-1)
  5. Способность собирать и анализировать научно-техническую информацию, учитывать современные тенденции развития и использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии в профессиональной деятельности (ПК-2)
  6. Способность проводить исследования, обрабатывать и представлять экспериментальные данные (ПК-4)
  7. Способность проектировать элементы и устройства, основанные на различных физических принципах действия (ПК-7)
  8. Готовность формулировать цели и задачи научных исследований (ПК-10)
  9. Способность предлагать пути решения, выбирать методику и средства проведения научных исследований (ПК-11)
  10. Способность владеть методикой разработки математических и физических моделей исследуемых процессов, явлений и объектов, относящихся к профессиональной сфере (ПК-12)
  11. Способность планировать и проводить эксперименты, обрабатывать и анализировать их результаты (ПК-13)
  12. Способность применять современные методы проектирования типовых объектов фотоники и оптинформатики (ПК-22)
• 12.03.05 Лазерная техника и лазерные технологии
  1. Способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей её достижения, способностью владеть культурой мышления (ОК-1)
  2. Способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ПК-1)
  3. Способность использовать компьютер как средство управления информацией, формализовать задачу и строить алгоритм её решения, работать с информацией в глобальных компьютерных сетях (ПК-3)
  4. Способность проводить эксперименты, обработку и представлять экспериментальные данные (ПК-4)
  5. Способность рассчитывать и проектировать элементы и устройства, основанные на различных физических принципах действия (ПК-7)
  6. Готовность моделировать процессы и объекты на базе стандартных пакетов автоматизированного проектирования и исследований, разрабатывать, отладить и настроить компьютерные программы и их отдельные блоки для решения задач лазерной техники и лазерных технологий (ПК-10)
  7. Способность проводить оптические, фотометрические, тепловые и электрические измерения и исследования различных объектов по заданной методике с выбором технических средств и обработкой результатов (ПК-11)
• 16.03.01 Техническая физика
  1. Владение культурой мышления, способность к обобщению, анализу и восприятию информации, к постановке цели и выбору путей её достижения (ОК-1)
  2. Умение логически верно, аргументированно и ясно строить литературную и деловую устную и письменную речь, свободное владение навыками публичной дискуссии, умение создавать и редактировать тексты профессионального назначения (ОК-2)
  3. Готовность и способность использовать фундаментальные законы природы и основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности (ПК-2)
  4. Готовность использовать физико-математический аппарат, способность применять методы математического анализа, моделирования, оптимизации и статистики для решения задач, возникающих в ходе профессиональной деятельности (ПК-3)
  5. Способность и готовность к теоретическим и экспериментальным исследованиям в избранной области технической физики, готовность учитывать современные тенденции развития технической физики в своей профессиональной деятельности (ПК-4)
  6. Способность применять современные методы исследования физико-технических объектов, процессов и материалов, проводить стандартные и сертификационные испытания технологических процессов и изделий с использованием современных аналитических средств технической физики (ПК-11)
  7. Способность применять современные информационные технологии, пакеты прикладных программ, сетевые компьютерные технологии и базы данных в своей предметной области для расчета технологических параметров (ПК-15)
  8. Готовность использовать информационные технологии при разработке и проектировании новых изделий, технологических процессов и материалов технической физики (ПК-20)