ЗАТВЕРДЖЕНО Наказ ректора Київського національного

університету імені Тараса Шевченка від «___»____________2017 року за №__________

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

Фізичний факультет

Кафедра експериментальної фізики

«ЗАТВЕРДЖУЮ»

Заступник декана

з навчальної роботи

_______________________

«____»____________20__ року

РОБОЧА ПРОГРАМА НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ1

ОПТИКА НЕОДНОРІДНИХ ТА АНІЗОТРОПНИХ СЕРЕДОВИЩ

для студентів

галузь знань _____________10. Природничі науки____________________________

спеціальність _____________104. Фізика та астрономія_________________________

освітній рівень ___________________перший (бакалавр)_________________________

освітня програма _______________фізика_______________________________________

спеціалізація ______________фотоніка, квантові комп’ютери___________________

вид дисципліни __________ за вибором навчального закладу ______________________

Форма навчання _очна, лекції

Навчальний рік _2018-19____

Семестр _II сем.III к._

Кількість кредитів ECTS __1.5_______

Мова викладання, навчання та оцінювання _українська_

Форма заключного контролю _залік______

Викладачі: _______Кутовий С.Ю._________________________________________________

Пролонговано: на 20__/20__ н.р./_________(_________) «__»_____20____р.

на 20__/20__ н.р./_________(_________) «__»_____20____р.

КИЇВ – 2018

2

Розробник: Кутовий С. Ю., доцент, канд. фіз.-мат.наук, кафедра експериментальної фізики.

ЗАТВЕРДЖЕНО

Зав. кафедри експериментальної фізики

______________________(Дмитрук І.М.)

Протокол № 1 від “03”вересня 2018 р.

Схвалено науково - методичною комісією факультету

_____________________________________________________________________

Протокол від «____» _____________ 20___ року №___

Голова науково-методичної комісії ____________________ (________________) (підпис) (прізвище та ініціали)

«_____» _________________ 20___ року

3

ВСТУП

Навчальна дисципліна "Вступ до квантової інформатики: Оптика неоднорідних та

анізотропних середовищ" є складовою освітньо-професійної програми підготовки

фахівців за освітньо-кваліфікаційним рівнем «бакалавр» галузі знань 10. Природничі

науки, спеціальності - 104. Фізика та астрономія. Дана дисципліна за вибором

навчального закладу викладається у ІI семестрі III курсу (VI семестрі бакалаврату) в

обсязі – 45 год. 2 (1.5 кредитів ECTS3) зокрема: лекції – 14 год., самостійна робота – 31

год. У курсі передбачено 1 колоквіум- контрольна робота. Завершується дисципліна –

заліком. 1. Мета дисципліни: – Метою навчальної дисципліни «Вступ до квантової

інформатики: Оптика неоднорідних та анізотропних середовищ» є отримання

слухачем систематичних знань з розділу фізики, що вивчає закони поширення

світлових хвиль в неоднорідних та анізотропних середовищах, досягти розуміння

теоретичних основ та фізичного змісту основних явищ, та експериментальних

методів, пов’язаних з поширенням електромагнітних хвиль в таких середовищах.

вміння користуватись ними у науковій роботі.

2. Попередні вимоги до опанування або вибору навчальної дисципліни: Знання

основних розділів загальних курсів математики та фізики: «Математичний аналіз»,

«Електрика», «Оптика», «Атомна фізика».

3. Анотація навчальної дисципліни: Предметом навчальної дисципліни «Оптика

неоднорідних та анізотропних середовищ» є вивчення законів поширення світлових

хвиль в неоднорідних, шаруватих та анізотропних середовищах, а також явищ,

пов’язаних з поширенням електромагнітних хвиль в таких середовищах. Особлива

увага приділяється законам поширення світлових хвиль в анізотропних середовищах,

що важливо для практичних застосувань при дослідженні оптичних властивостей

кристалів, а також для подальшого вивчення в спецкурсах розділів, пов’язаних з

кристалофізикою, кристалооптикою та квантовими комп’ютерами. Основні питання:

Градієнтна оптика: рівняння ейконала. Шаруваті середовища: характеристична

матриця шаруватого середовища; однорідна діелектрична плівка; періодичні шаруваті

структури. Анізотропні середовища: тензор діелектричної проникності εij. Частотна та

просторова дисперсія; просторова дисперсія та гіротропія; рівняння Френеля

кристалооптики; променева поверхня та поверхня хвильових нормалей; еліпсоїд

Френеля та оптична індикатриса; одновісні та двовісні кристали; конічна рефракція;

поглинаюче анізотропне середовище; лінійний та круговий дихроїзм; нормальні хвилі

в анізотропному середовищі. Спектроскопія конденсованого стану – спектроскопія

нормальних хвиль.

4. Завдання (навчальні цілі): Завданням навчальної дисципліни «Оптика

неоднорідних та анізотропних середовищ» є ознайомлення слухача з розділом фізики,

що вивчає закони поширення світлових хвиль в неоднорідних та анізотропних

середовищах. Досягти слухачем розуміння теоретичних основ та фізичного змісту

основних явищ, та експериментальних методів, пов’язаних з поширенням

електромагнітних хвиль в таких середовищах, вміння користуватись ними у науковій

роботі.

2 Зазначається загальна кількість годин, які виділено на дану дисципліну згідно навчального плану відповідного

освітньо-кваліфікаційного рівня. 3 кредитів ECTS – кредит кратний 36 годинам (Наприклад, 3 кредити ECTS відповідає 108 год.).

4

5. Результати навчання за дисципліною: (описуються з детальною достовірністю для

розробки заходів оцінювання) Результат навчання (1. знати; 2. вміти) Методи

викладання і

навчання

Методи

оцінювання

Відсоток у

підсумковій

оцінці з

дисципліни Код Результат навчання

1 1. Розуміти смисл понять та знати закони

поширення світла в однорідних та

неоднорідних ізотропних середовищах,

зокрема:

Рівняння ейконала. Загальні властивості

променів. Конгруенція. Закони поширення

світла в шаруватих середовищах.

Характеристична матриця шаруватого

середовища. Діелектричні плівки.

лекції опитування 5

Розуміти фізичний зміст основних явищ,

пов’язаних з поширенням електромагнітних

хвиль в таких середовищах. Знати

застосування оптичних елементів і приладів,

створених на основі цих явищ і законів.

лекції опитування;

модульна

контрольна

робота-

колоквіум

5

2. Знати властивості тензора діелектричної

проникності εij.

Явище частотної та просторової дисперсії.

Гіротропія.

лекції опитування 10

3. Закони поширення світла в однорідному

анізотропному середовищі:

Рівняння Френеля кристалооптики. Променева

поверхня та поверхня хвильових нормалей.

Еліпсоїд Френеля та оптична індикатриса.

Одновісні та двовісні кристали. Подвійне

променезаломлення.

лекції опитування; 40

4. Двовісні кристали – явище конічної

рефракції.

Поширення світла в поглинаючому

анізотропному середовищі. Плеохроїзм,

лінійний та круговий дихроїзм.

лекції опитування;

модульна

контрольна

робота-

колоквіум

15

2 1. Вміти формулювати основні фізичні

принципи та закони, які визначають

поширення світлових хвиль в неоднорідних та

анізотропних середовищах. Описати та

пояснити явища, пов’язані з поширенням

електромагнітних хвиль в таких середовищах.

Застосовувати оптичні елементи і прилади,

створені на основі вивчених явищ і законів в

подальшій науково-дослідницькій чи

інженерній роботі.

лекції Письмові

завдання

15

2. Вміти реалізувати в експерименті основні

схеми

Письмові

завдання

10

5

6. Співвідношення результатів навчання дисципліни із програмними результатами

навчання (необов’язково для вибіркових дисциплін)

Результати навчання дисципліни

Програмні результати навчання 1 2

1. Знати, розуміти та вміти застосовувати на базовому рівні 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.

2. Знати і розуміти фізичні основи фізичних явищ: аналізувати, тлумачити,

пояснювати і класифікувати будову Всесвіту (планет, зір, планетних систем,

галактик тощо), а також основні фізичні процеси, які відбуваються в них.

3. Знати і розуміти експериментальні основи фізики: аналізувати, описувати,

тлумачити та пояснювати основні експериментальні підтвердження існуючих

фізичних теорій.

4. Вміти застосовувати базові математичні знання, які використовуються у фізиці:

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.

5. Знати основні актуальні проблеми сучасної фізики.

6. Оцінювати вплив новітніх відкриттів на розвиток сучасної фізики.

7. Розуміти, аналізувати і пояснювати нові наукові результати, одержані у ході

проведення фізичних та астрономічних досліджень відповідно до спеціалізації.

8. 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.

9. Мати базові навички проведення теоретичних та/або експериментальних

наукових досліджень з окремих спеціальних розділів фізики, що виконуються

індивідуально (автономно) та/або у складі наукової групи.

10. Вміти планувати дослідження, обирати оптимальні методи та засоби

досягнення мети дослідження, знаходити шляхи розв’язання наукових завдань та

вдосконалення застосованих методів.

11.Здатність розв’язувати спеціалізовані задачі та практичні проблеми у

відповідній галузі професійної діяльності або у процесі навчання, що передбачає

застосування певних теорій та методів відповідної науки і характеризується

комплексністю та певною невизначеністю умов

12. Вміти упорядковувати, тлумачити та узагальнювати одержані наукові та

практичні результати, робити висновки.

13. Вміти представляти одержані наукові результати, брати участь у дискусіях

стосовно змісту і результатів власного наукового дослідження.

14. Розуміти зв’язок фізики 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 досліджень.

15. Знати і розуміти основні вимоги техніки безпеки при проведенні

експериментальних досліджень, зокрема правила роботи з певними видами

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

6

обладнання та речовинами, правила захисту персоналу від дії різноманітних

чинників, небезпечних для здоров’я людини.

15. Знати, аналізувати, прогнозувати та оцінювати основні екологічні аспекти

загального впливу промислово-технологічної діяльності людства, а також окремих

фізичних явищ, наукових досліджень та процесів (природних і штучних) на

навколишнє природне середовище та на здоров’я людини.

16. Мати навички роботи із сучасною обчислювальною технікою, вміти

використовувати стандартні пакети прикладних програм і програмувати на рівні,

достатньому для реалізації чисельних методів розв’язування фізичних задач,

комп’ютерного моделювання явищ і процесів, виконання обчислювальних

експериментів.

17. Знати і розуміти роль і місце фізики, інших природничих наук у загальній

системі знань про природу та суспільство, у розвитку техніки й технологій та у

формуванні сучасного наукового світогляду.

18. Володіти державною та іноземною мовами на рівні, достатньому для усного і

письмового професійного спілкування та презентації результатів власних

досліджень.

19. Знати та розуміти необхідність збереження та примноження моральних,

культурних та наукових цінностей і досягнень суспільства.

20. Знати і розуміти свої громадянські права і обов’язки, як члена вільного

демократичного суспільства, мати навички їх реалізації, відстоювання та захисту.

21. Розуміти основні принципи здорового способу життя та вміти застосовувати їх

для підтримки власного здоров’я та працездатності.

22. Розуміти значення фізичних досліджень для забезпечення сталого розвитку

суспільства.

23. Розуміти історію та закономірності розвитку фізики та астрономії.

24. Розуміти місце фізики у загальній системі знань про природу і суспільство та у

розвитку суспільства, техніки і технологій.

25. Мати навички самостійного прийняття рішень стосовно своїх освітніх

траєкторій та професійного розвитку.

+

+

+

+

+

+

7. Схема формування оцінки:

7.1. Форми оцінювання студентів:

- семестрове оцінювання (поточний контроль)

При виставленні балів за модуль враховуються:

- знання та розуміння матеріалу, ступінь активності студента на передлекційному

опитуванні, якість виконання домашніх завдань та завдань для самостійної роботи

(до 15 балів);

- якість опрацювання лекційного матеріалу, - знання та розуміння - перевіряється під

час колоквіумів-контрольних робіт (до 25 балів).

- підсумкове оцінювання:

-залік (до 60 балів)

Підсумкове оцінювання у формі заліку:

ЗМ1+ЗМ2 Залік Підсумкова оцінка

Мінімум 24 36 60

Максимум 40 60 100

у випадку комплексного екзамену слід вказати питому вагу складових

Оцінка за залік не може бути меншою 36 балів для отримання загальної позитивної оцінки за курс.

7

8.1 Організація оцінювання: (обов’язково зазначається порядок організації передбачених

робочою навчальною програмою форм оцінювання із зазначенням, у тому числі,

результатів навчання, опанування яких перевіряється конкретним оцінюванням).

Шкала відповідності

Відмінно / Excellent 90-100

Добре / Good 75-89

Задовільно / Satisfactory 60-74

Незадовільно з можливістю повторного складання / Fail 35-59

8. Структура курсу

У змістовий модуль 1 (ЗМ1) входять теми:

1. Поширення світла в неоднорідному ізотропному середовищі.

2. Поширення світла в шаруватих середовищах.

У змістовий модуль 2 (ЗМ2) – теми:

1. Тензор діелектричної проникності εij. Частотна дисперсія. Просторова

дисперсія.

2. Поширення світла в однорідному анізотропному середовищі

8

ПРОГРАМА НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ

1. Поширення світла в ізотропних середовищах.

Вступ. Фотоніка, її задачі.

ТЕМА 1. Поширення світла в неоднорідному ізотропному середовищі.(2 год.)

Рівняння ейконала. Інтенсивність в геометричній оптиці. Закони заломлення

та відбивання. Конгруенція. Повне внутрішнє відбивання. Оптичні

хвильоводи

ТЕМА 2. Поширення світла в шаруватих середовищах: (2 год.) Поширення світла в шаруватих середовищах. Діелектричні плівки.

Характеристична матриця для шаруватого середовища. Однорідна

діелектрична плівка. Періодичні шаруваті структури.

2. Поширення світла в однорідних анізотропних середовищах.

ТЕМА 3. Тензор діелектричної проникності εij. Частотна дисперсія.

Просторова дисперсія. (3 год.)

Тензор діелектричної проникності. Зв’язок головних осей тензора з

кристалографічними осями. Частотна дисперсія. Просторова дисперсія.

Просторова дисперсія та гіротропія. Властивості тензора εij.

ТЕМА 4. Поширення світла в однорідному анізотропному середовищі (7 год.) Рівняння Френеля кристалооптики. Променева поверхня та поверхня

хвильових нормалей. Еліпсоїд Френеля та оптична індикатриса. Одновісні та

двовісні кристали. Подвійне променезаломлення.

Подвійне променезаломлення на межі двовісний кристал – ізотропне

середовище. Конічна рефракція.

Поширення світла в поглинаючому анізотропному середовищі. Плеохроїзм,

лінійний та круговий дихроїзм.

Нормальні хвилі в анізотропному середовищі. Спектроскопія

конденсованого стану – спектроскопія нормальних хвиль.

Елементи оптики рідких кристалів.

9

СТРУКТУРА НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ

ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН ЛЕКЦІЙ

№

лекції

Назва лекції Кількість

годин лекції С/Р

1. Поширення світла в ізотропних середовищах.

1 І. Вступ.

Тема 1. Поширення світла в неоднорідному ізотропному

середовищі. Градієнтна оптика: Рівняння ейконала; інтенсивність в

геометричній оптиці; закони заломлення та відбивання;

конгруенція; повне внутрішнє відбивання. Оптичні хвильоводи.

2 2

2 Тема 2. Поширення світла в шаруватих середовищах. 1. Діелектричні плівки. Характеристична матриця для шаруватого

середовища. Однорідна діелектрична плівка. Періодичні шаруваті

структури.

2 2

Колоквіум-контрольна за матеріалом модуля 1

2. Поширення світла в однорідному анізотропному середовищі.

3 Тема 3. Тензор діелектричної проникності εij. Частотна та

просторова дисперсія. 1.Тензор діелектричної проникності. Зв’язок головних осей тензора

з кристалографічними осями.

2 4

4 2.Частотна та просторова дисперсія. Просторова дисперсія та

гіротропія. Властивості тензора εij. 2 4

5 Тема 4. Поширення світла в однорідному анізотропному

середовищі 1.Рівняння Френеля кристалооптики. Променева поверхня та

поверхня хвильових нормалей. Еліпсоїд Френеля та оптична

індикатриса.

2 6

6 2.Одновісні та двовісні кристали. Подвійне променезаломлення. 2 7

7 3.Подвійне променезаломлення на межі двовісний кристал –

ізотропне середовище. Конічна рефракція. Поширення світла в

поглинаючому анізотропному середовищі. Плеохроїзм, лінійний та

круговий дихроїзм.

4.Нормальні хвилі в анізотропному середовищі. Спектроскопія

конденсованого стану – спектроскопія нормальних хвиль. Елементи

оптики рідких кристалів.

2 6

Колоквіум-контрольна робота за матеріалом модуля 2

Всього 14 31

Загальний обсяг 45 год.4, в тому числі:

Лекцій – 14 год.

Самостійна робота - 31 год.

4 Загальна кількість годин, відведених на дану дисципліну згідно навчального плану.

10

Рекомендована ЛІТЕРАТУРА

Основна

1. М.Борн, Э.Вольф. Основы оптики. М.,1972.

2. Л.Ландау, Е.Лифшиц. ЭСС (VIII), М., 1982.

3. Ю.Сиротин, М.Шаскольская. Основы кристаллофизики. М., 1979.

Додаткова

4. Ф.Федоров. Теория гиротропии. Минск, 1958.

5. В.Агранович, В.Гинзбург. Кристаллооптика с учетом пространственной

дисперсии и теория экситонов. М., 1979.

6. М.Виноградова, О.Руденко, А.Сухоруков. Теория волн. М., 1979.

7. М.І.Гриценко. Фізика рідких кристалів. Київ, «Академія», 2012.

8. А.С.Сонин. Введение в физику жидких кристаллов. Москва, «Наука»,

2016.

11

Контрольні запитання, запитання до колоквіумів

Теми 1 та 2

1. Рівняння ейконала.

2. Інтенсивність в геометричній оптиці.

3. Конгруенція.

4. Повне внутрішнє відбивання. Ромб Френеля. Поняття про оптичні хвильоводи.

5. Поширення світла в шаруватих середовищах. Діелектричні плівки.

6. Характеристична матриця для шаруватого середовища.

7. Однорідна діелектрична плівка. Чверть- та півхвильові товщини.

8. Однорідна діелектрична плівка. Застосування: просвітлення оптики, подільник

пучка, поляризатор, фільтр.

9. Періодичні шаруваті структури. Приклад: Інтерферометр Фабрі-Перо.

10. Гаусові пучки, їх властивості.

11. Поняття про оптичні резонатори.

Теми 3 та 4

12. Тензор діелектричної проникності. Зв’язок головних осей тензора з

кристалографічними осями.

13. Частотна дисперсія.

14. Просторова дисперсія. Просторова дисперсія та гіротропія.

15. Властивості тензора εij.

16. Рівняння Френеля кристалооптики.

17. Променева поверхня та поверхня хвильових нормалей.

18. Еліпсоїд Френеля та оптична індикатриса.

19. Одновісні кристали. Подвійне променезаломлення.

20. Двовісні кристали. Подвійне променезаломлення.

21. Подвійне променезаломлення на межі двовісний кристал – ізотропне

середовище.

22. Конічна рефракція.

23. Поширення світла в поглинаючому анізотропному середовищі. Плеохроїзм,

лінійний та круговий дихроїзм.

24. Нормальні хвилі в анізотропному середовищі. Спектроскопія конденсованого

стану – спектроскопія нормальних хвиль.

25. Елементи оптики рідких кристалів.

12

ПИТАННЯ (БІЛЕТИ) НА ЗАЛІК

1.

1. Рівняння ейконала.

2. Тензор діелектричної проникності. Зв’язок головних осей тензора з

кристалографічними осями.

2.

1. Інтенсивність в геометричній оптиці.

2. Властивості тензора εij.

3.

1. Загальні властивості променів.

2. Просторова дисперсія. Просторова дисперсія та гіротропія.

4.

1. Одновісні та двовісні кристали.

2. Частотна дисперсія.

5.

1. Конгруенція.

2. Еліпсоїд Френеля та оптична індикатриса.

6.

1. Повне внутрішнє відбивання. Оптичні хвильоводи.

2. Поширення світла в поглинаючому анізотропному середовищі. Плеохроїзм,

лінійний та круговий дихроїзм.

7.

1. Поширення світла в шаруватих середовищах. Діелектричні плівки.

2. Подвійне променезаломлення.

8.

1. Характеристична матриця для шаруватого середовища.

2. Променева поверхня та поверхня хвильових нормалей.

9.

1. Однорідна діелектрична плівка.

2. Подвійне променезаломлення на межі двовісний кристал – ізотропне

середовище.

10.

1. Періодичні шаруваті структури.

2. Рівняння Френеля кристалооптики.

11.

1. Застосування діелектричних плівок.

2. Оптичні поверхні, пов’язані з рівнянням Френеля.

12.

1. Поняття про гаусові пучки.

2. Конічна рефракція.

13.

3. Поняття про оптичні резонатори.

4. Одновісні та двовісні кристали.