Оптика

Мета дисципліни: 
отримання здобувачами знань про широкий спектр оптичних явищ, що спостерігаються в природі і в фізичних експериментах;
вивчення здобувачами фізичних законів що описують ці явища;
набуття навичок застосування математичного апарату для опису оптичних явищ;
набуття навичок експериментального спостереження оптичних явищ;
підготовка до засвоєння матеріалу в подальших курсах загальної і теоретичної фізики.

Завдання дисципліни: 
сформувати у здобувачів знання про те як ставляться експерименти із спостереження оптичних явищ і до яких результатів вони призводять;
сформувати у здобувачів знання щодо зв’язку між оптичними явищами і динамікою електромагнітного поля в вакуумі і в середовищах;
навчити здобувачів методам розв’язку рівнянь Максвела і хвильового рівняння в вакуумі і в середовищі;
навчити здобувачів побудові експериментально спостережуваних величин за допомогою розв’язків рівнянь Максвела;
навчити здобувачів методам опису електромагнітних хвиль в діелектричних середовищах із різними властивостями: однорідному і ізотропному, анізотропному, із часовою дисперсією і без часової дисперсії, а також застосуванню цих методів для опису і пояснення характеру експериментально спостережуваних оптичних ефектів;
сформувати у здобувачів розуміння того, яким чином в оптичних явищах проявилися протиріччя між класичною фізикою і експериментом, які призвели до створення квантової теорії;
підготувати здобувачів до розуміння в наступних курсах того як методи опису хвильових явищ в оптиці були перенесені до квантових теорій.     

 
 
Основні результати навчання
 
ПР01. Знати, розуміти та вміти застосовувати основні положення загальної та теоретичної фізики, зокрема, класичної, релятивістської та квантової механіки, молекулярної фізики та термодинаміки, електромагнетизму, хвильової та квантової оптики, фізики атома та атомного ядра для встановлення, аналізу, тлумачення, пояснення й класифікації суті та механізмів різноманітних фізичних явищ і процесів для розв’язування складних спеціалізованих задач та практичних проблем з фізики та/або астрономії.
ПР04. Вміти застосовувати базові математичні знання, які використовуються у фізиці та астрономії: з аналітичної геометрії, лінійної алгебри, математичного аналізу, диференціальних та інтегральних рівнянь, теорії ймовірностей та математичної статистики, теорії груп, методів математичної фізики, теорії функцій комплексної змінної, математичного моделювання.
ПР08. Мати базові навички самостійного навчання: вміти відшуковувати потрібну інформацію в друкованих та електронних джерелах, аналізувати, систематизувати, розуміти, тлумачити та використовувати її для вирішення наукових і прикладних завдань.
ПР09. Мати базові навички проведення теоретичних та/або експериментальних наукових досліджень з окремих спеціальних розділів фізики або астрономії, що виконуються індивідуально (автономно) та/або у складі наукової групи.
ПР13. Розуміти зв’язок фізики та/або астрономії з іншими природничими та інженерними науками, бути обізнаним з окремими (відповідно до спеціалізації) основними поняттями прикладної фізики, матеріалознавства, інженерії, хімії, біології тощо, а також з окремими об’єктами (технологічними процесами) та природними явищами, що є предметом дослідження інших наук і, водночас, можуть бути предметами фізичних або астрономічних досліджень.

 
Форми організації освітнього процесу та види навчальних занять
 
Л – лекційні заняття; ПЗ – практичні заняття; ЛЗ – лабораторні заняття; СРЗ – самостійна робота здобувача вищої освіти; РГР – розрахунково-графічна робота; Кз – самостійні контрольні завдання; МКР – модульна контрольна робота; К – консультації.

 
Тематика та види навчальних занять
 
1 тиждень
Л1. Світло як електромагнітна хвиля.
ПЗ1. Розрахунок часткової суми ряду Фур’є.
ЛЗ1. Визначення показника заломлення рідини за допомогою рефрактометра Аббе.
Кз1. Самостійний розрахунок коефіцієнтів Фур’є періодичної функції і часткової суми ряду Фур’є.
Кз2. Самостійна підготовка звіту і захисту лабораторної роботи «Визначення показника заломлення рідини за допомогою рефрактометра Аббе».
СРЗ. К.
 
2 тиждень
Л2. Світло як електромагнітна хвиля (продовження).
Л3. Характеристики світлових хвиль.
ПЗ2. Розрахунок виразу для дивергенції векторного поля в декартових координатах.
Кз3. Самостійний розрахунок виразу для дивергенції векторного поля в декартових координатах.
СРЗ. К.
 
3 тиждень
Л4. Енергія і потік енергії електромагнітного поля в вакуумі.
ПЗ3. Символ Леві-Чивіти та його властивості.
ЛЗ2. Дослідження явища теплового випромінювання і визначення сталої Стефана – Больцмана.
Кз4. Самостійне доведення тотожності згортки для символу Леві-Чивіти.
Кз5. Самостійна підготовка звіту і захисту лабораторної роботи «Дослідження явища теплового випромінювання і визначення сталої Стефана – Больцмана».
СРЗ.К.
 
4 тиждень
Л5. Енергія і потік енергії електромагнітного поля в вакуумі (продовження).
Л6. Енергія і потік енергії електромагнітного поля в вакуумі (продовження).
ПЗ4. Теореми Остроградського-Гауса і Стокса.
Кз6. Самостійне доведення теорем Остроградського-Гауса і Стокса.
СРЗ.К.
 
5 тиждень
Л7. Електромагнітне поле в середовищі.
ПЗ5. Отримання векторних тотожностей з ротором і дивергенцією від векторних полів.
ЛЗ3. Вивчення законів зовнішнього фотоефекта.
Кз7. Самостійне отримання диференційних векторних тотожностей.
Кз8. Самостійна підготовка звіту і захисту лабораторної роботи «Вивчення законів зовнішнього фотоефекта».
РГР.СРЗ.К.
 
6 тиждень
Л8. Електромагнітне поле в середовищі (продовження).
Л9. Просте виведення законів заломлення і відбиття світла на границі.
ПЗ6. Отримання граничних умов для компонент електромагнітного поля на границі розділу двох однорідних, ізотропних середовищ.
Кз9. Самостійне отримання виразів умов для нормальних і тангенційних комппонент напруженостей електричного і магнітного полів на границі розділу двох діелектричних середовищ..
СРЗ.К.
 
7 тиждень
Л10. Енергія електромагнітного поля в середовищі.
ПЗ7. Отримання системи рівнянь, що виражають граничні умови для компонент векторів електромагнітного поля на границі розділу двох середовищ.
ЛЗ4. Вимірювання постійної Планка за допомогою фотоефекта.
Кз10. Самостійне отримання системи рівнянь що виражають граничні умови на границі розділу двох діелектричних середовищ для однієї Фур’є – компоненти.
Кз11. Самостійна підготовка звіту і захисту лабораторної роботи «Вимірювання постійної Планка за допомогою фотоефекта».
СРЗ.К.
 
8 тиждень
Л11. Теорема про розклад періодичної функції в ряд Фур’є.
Л12. Тривимірний ряд Фур’є.
ПЗ8. Розв’язок системи рівнянь, що виражають граничні умови для компонент векторів електромагнітного поля на границі розділу двох середовищ.
Кз12. Самостійний розв’язок системи рівнянь що виражають граничні умови на границі розділу двох діелектричних середовищ для однієї Фур’є – компоненти.
МКР1. СРЗ. К.
 
9 тиждень
Л13. Електромагнітне поле як сукупність гармонійних осциляторів. Задача про рівноважне теплове випромінювання.
ПЗ9. Розв’язок задач по темі інтерференція світлових хвиль.
ЛЗ5. Дослідження явища інтерференції світла від двох щілинних джерел.
Кз13. Самостійний розв’язок задач по темі інтерференція світлових хвиль.
Кз14. Самостійна підготовка звіту і захисту лабораторної роботи «Дослідження явища інтерференції світла від двох щілинних джерел».
СРЗ. К.
 
10 тиждень
Л14. Задача про рівноважне теплове випромінювання (продовження).
Л15. Виведення формули М. Планка.
ПЗ10. Розрахунок зон Френеля для круглого отвору.
Кз15. Самостійний розрахунок зон Френеля для дифракції на круглому отворі.
СРЗ. К.
 
11 тиждень
Л16. Електромагнітне поле як сукупність гармонійних осциляторів.
ПЗ11. Дифракція світла на щілині.
ЛЗ6. Дослідження інтерференції світла за допомогою кілець Ньютона.
Кз16. Самостійний розрахунок дифракційної картини від щілини методом зон Френеля.
Кз17. Самостійна підготовка звіту і захисту лабораторної роботи «Дослідження інтерференції світла за допомогою кілець Ньютона».
СРЗ. К.
 
12 тиждень
Л17. Тривимірне перетворення Фур’є.
Л18. Граничні умови для електромагнітного поля на границі розділу двох однорідних ізотропних діелектричних середовищ.
ПЗ12. Часова дисперсія світлових хвиль.
Кз18. Самостійне вивчення часової дисперсії світлових хвиль.
РГР.СРЗ. К.
 
13 тиждень
Л19. Подальший аналіз граничних умов. Отримання законів відбиття і заломлення світла з граничних умов.
ПЗ13. Доведення симетричності тензору діелектричної проникності для анізатропного середовища.
ЛЗ7. Дослідження хвильових характеристик світла за допомогою дифракційної решітки.
Кз19. Самостійне доведення симетричності тензора діелектричної проникності для анізотропного середовища з використанням рівняння балансу енергії.
Кз20. Самостійна підготовка звіту і захисту лабораторної роботи «Дослідження хвильових характеристик світла за допомогою дифракційної решітки».
СРЗ. К.
 
14 тиждень
Л20. Формули Френеля і наслідки з них.
Л21. Застосування перетворення Фур’є для опису інтерференції і дифракції світлових хвиль.
ПЗ14. Зведення симетричного тензору до діагонального виду.
Кз21. Самостійне вивчення алгоритму зведення симетричного тензора до діагонального виду.
СРЗ. К.
 
15 тиждень
Л22. Світлові хвилі в одновісному кристалі.
ПЗ15. Знаходження розв’язків системи рівнянь Максвела для плоскої монохроматичної хвилі в одновісному кристалі.
ЛЗ8.  Дослідження явища поляризації світла і перевірка закону Малюса.
Кз22. Самостійний розрахунок системи рівнянь Максвела для однієї Фур’є - компоненти електромагнітного поля в одновісному анізотропному середовищі.
Кз23. Самостійна підготовка звіту і захисту лабораторної роботи «Дослідження явища поляризації світла і перевірка закону Малюса».
МКР2.СРЗ. К.
 
 
Індивідуальна робота**
 
Виконується РГР. 
Розрахунково-графічна робота спрямована на досягнення результатів навчання ПР01, ПР04, ПР08, ПР09, ПР13. Вона оцінюється в 10 балів (0.5 кредиту) і складається з двох частин. Перша частина виконується на протязі першого семестрового модуля, а друга - на протязі другого семестрового модуля. Кожна частина оцінюється в 5 балів. Перша частина захищається на 5 тижні. Друга – на 12 тижні. 
Мета РГР: власноручний розрахунок здобувачами об’ємного розподілу густини енергії електромагнітного поля і візуалізація цього розподілу за допомогою програми gnuplot. Оскільки, при вивченні тем інтерференція світла і дифракція світла у здобувачів часто виникає хибне уявлення про те, що інтерференційна або дифракційна картина існує лише на екрані, на якому вона спостерігається, а не в тому об’ємі, в якому перетинаються електромагнітні поля, створені когерентними джерелами випромінювання.
При виконанні роботи здобувачі використовуватимуть матеріал, викладений в книгах [Л.Д. Ландау та ін. (1988), Фихтенгольц Г. М. та ін. (1966), Г. П. Лопушанська та ін. (2014), Г.Л. Конончук та ін. (2009)]. 
Перша частина полягає в моделюванні об’ємного розподілу густини енергії для інтерференційної картини від двох щілин і його перерізів, що відповідають різним розташуванням плоского екрана, на якому її можна спостерігати. Друга частина полягає в аналогічному моделюванні, але вже для дифракційної решітки з великою кількістю щілин.
 
Самостійна робота
 
Самостійна робота складає 135 годин. Розподіл самостійної роботи за видами навчальних робіт:
1) підготовка до лекційних занять – 21 година;
2) підготовка до практичних занять –  45 годин;
3) підготовка до лабораторних занять – 24 години;
4) виконання РГР – 15 годин;
5) підготовка до екзамену – 30 годин.
 
 
Процедура оцінювання
 
В організації навчального процесу при вивченні дисципліни застосовується поточний та підсумковий контроль. Поточний контроль полягає у контрольних опитуваннях на практичних заняттях щодо завдань самостійної роботи і захисту звітів по лабораторних роботах (оцінюються максимум в 20 балів) і виконанні двох модульних контрольних робіт (кожна оцінюється в 30 балів). Підсумковий контроль, згідно навчальному плану, є іспитом.
Модульна контрольна робота виконується у письмовій формі та складається з 2 частин:
1) відповіді на два питання, кожне з яких охоплює одну з тем лекційного курсу (максимум 6 балів за кожне питання; разом 12 балів)
2) розв’язку трьох задач різного рівня складності з курсу практичних занять (3,5,10 балів відповідно; разом 18 балів)
Кожний модуль оцінюється у максимально можливі 50 балів:
 
Семестровий модуль № 1
 
Кз1. Оцінка за виконання – 1 бал. Термін надання – 1 тиждень.
Кз2. Оцінка за виконання – 1 бал. Термін надання – 1 тиждень.
Кз3. Оцінка за виконання – 1 бал. Термін надання – 2 тиждень.
Кз4. Оцінка за виконання – 1 бал. Термін надання – 3 тиждень.
Кз5. Оцінка за виконання – 2 бали. Термін надання – 3 тиждень.
Кз6. Оцінка за виконання – 1 бал. Термін надання – 4 тиждень.
Кз7. Оцінка за виконання – 1 бал. Термін надання – 5 тиждень.
Кз8. Оцінка за виконання – 2 бали. Термін надання – 5 тиждень.
Кз9. Оцінка за виконання – 1 бал. Термін надання – 6 тиждень.
Кз10. Оцінка за виконання – 1 бал. Термін надання – 7 тиждень.
Кз11. Оцінка за виконання – 2 бали. Термін надання – 7 тиждень.
Кз12. Оцінка за виконання – 1 бал. Термін надання – 8 тиждень.
РГР(ч.1). Оцінка за виконання – 5 балів. Термін надання – 5 тиждень.
МКР1. Модульна контрольна робота – 30 балів (8 тиждень). Перескладання можливе протягом 9–11 тижнів за розкладом консультацій.

Семестровий модуль № 2
 
Кз13. Оцінка за виконання – 1 бал. Термін надання – 9 тиждень.
Кз14. Оцінка за виконання – 2 бали. Термін надання – 9 тиждень.
Кз15. Оцінка за виконання – 1 бал. Термін надання – 10 тиждень.
Кз16. Оцінка за виконання – 1 бал. Термін надання – 11 тиждень.
Кз17.  Оцінка за виконання – 2 бали. Термін надання – 11 тиждень.
Кз18. Оцінка за виконання – 1 бал. Термін надання – 12 тиждень.
Кз19. Оцінка за виконання – 1 бал. Термін надання – 13 тиждень.
Кз20.  Оцінка за виконання – 2 бали. Термін надання – 13 тиждень.
Кз21. Оцінка за виконання – 1 бал. Термін надання – 14 тиждень.
Кз22. Оцінка за виконання – 1 бал. Термін надання – 15 тиждень.
Кз23.  Оцінка за виконання – 2 бали. Термін надання – 15 тиждень.
РГР(ч.2). Оцінка за виконання – 5 балів. Термін надання та захист – 12 тиждень.
МКР2. Модульна контрольна робота – 30 балів (15 тиждень).
 
Максимальна оцінка за повний обсяг виконаних навчальних елементів дисципліни – 100 балів.
Підсумковим контролем з дисципліни є екзамен. Екзамен складається усно. Екзаменаційний білет складається з 5 питань. Два з них стосуються лекційного курсу і формуються таким чином щоб вони охоплювали декілька взаємопов'язаних частин цього курсу. Ці питання оцінюються в 35 балів кожне. Решта 3 питання стосуються курсу практичних занять і оцінюється в 30 балів (по 10 балів кожне). Максимальна оцінка за правильні відповіді на всі питання екзаменаційного білету становить 100 балів.

 
Умови допуску до підсумкового контролю
 
До підсумкового контролю допускаються здобувачі, які здали перший модуль не менше ніж на 30 балів і захистили РГР.
 
 
Політика освітнього процесу
 
Здобувач зобов’язаний своєчасно та якісно виконувати всі отримані завдання; за необхідністю з метою з’ясування всіх не зрозумілих під час самостійної та індивідуальної роботи питань, відвідувати консультації викладача. Дотримуватись принципів академічної доброчесності.

Робота, яка виконана після встановлених викладачем термінів, не приймається.
 
Відсутність здобувача на екзамені або на контрольній роботі відповідає оцінці «0».
 
Складання/перескладання екзаменів – за встановленим деканатом розкладом.
 
Під час лекції здійснювати телефонні дзвінки забороняється.

Заборонено використання будь-яких підручників, посібників, конспектів лекцій, шпаргалок під час проходження модульних контролів та складання екзамену з дисципліни.