Toegangseisen
Wiskunde en Natuurkunde op het niveau van respectievelijk VWO Wiskunde B en VWO Natuurkunde
Er wordt er vanuit gegaan dat je AN1NA volgt, de wiskundige vaardigheden uit dit vak worden bekend verondersteld.
Beschrijving
In de cursus Optica leer je het gedrag van licht te beschrijven met lichtstralen en met elektromagnetische golven. Hiermee kun je de meeste problemen uit de Optica oplossen.
De cursus is als volgt opgebouwd:
1. De geometrische optica (1/4 van de stof) gebruikt lichtstralen en de principes van Huygens en Fermat. Deze beschrijving is voldoende om de werking van optische instrumenten zoals lenzen, microscopen en telescopen te begrijpen inclusief hun beperkingen.
2. In de golf optica (3/4 van de stof) beschrijf je licht als een elektromagnetische golf en spelen golfeigenschappen zoals diffractie en interferentie een essentiële rol.
3. Daarnaast besteedt dit vak aandacht aan algemene eigenschappen van golven, zoals ook geluids- en watergolven, en aan de optische polarisatie van licht.
De volgende thema's komen aan bod:
Propagatie van licht: Huygens bronnen & principe van Fermat
Geometrische optica: Breking volgens de wet van Snel en lenswerking door gekromde oppervlakken
Optische instrumenten: oog, microscoop, telescoop
Golven: harmonische oscillator en harmonische golven als oplossing van de golfvergelijking
Golven algemeen: interfererende golven en het verschil tussen fase- en groepssnelheid
Interferometers: Young’s dubbelspleet, Ringen van Newton, Michelson en Fabry-Perot interferometer
Diffractie: Enkele spleet en dubbelspleet met eindige breedte
Tralies: Diffractie achter N spleten, diffractie ordes en de resolutie van een traliespectrometer
Optische polarisatie: lineaire en circulaire polarisatie, dubbele breking, λ/2 en λ/4 platen, Brewsterhoek
Leerdoelen
Hoofdleerdoel optica: je kunt een grote variëteit aan opgaven maken waarin licht zich gedraagt als een bundel lichtstralen of als een elektromagnetische golf;
Na afloop van de cursus optica kun je:
- De begrippen convergerend, divergerend, evenwijdig, spiegeling, beeld- en voorwerppunten, refractie, reflectie, grenshoek toepassen
- Rekenen en tekenen met behulp van de wet van Snellius
- Rekenen en tekenen met behulp van het Huygens-Fresnel principe
- Rekenen wanneer er sprake is van totale interne reflectie
- Uitleggen hoe een lichtbundel kan worden geschift op golflengte (dispersie)
- Rekenen met de paraxiale benadering
- Rekenen en tekenen van beeld en/of voorwerp bij reflectie aan een bolvormige spiegel
- Rekenen en tekenen van beeld en/of voorwerp bij breking aan bolvormig oppervlakte
- Rekenen wat de brandpuntsafstand is van een dunne lens met gebruik van de lenzenformule
- Rekenen en tekenen van beeld en/of voorwerp bij dunne lens systemen
- Rekenen aan voorwerps-, beeld- en brandpuntafstanden van optische systemen
- Rekenen aan dwarsvergroting en hoekvergroting van optische systemen
- Uitleggen hoe lenzen gebruikt moeten en kunnen worden om voor bepaalde oogafwijkingen te kunnen corrigeren
- Tekenen/schetsen van optische systemen microscoop/telescoop/camera met positie van voorwerp / beeld en lenzen
- Rekenen aan goniometrie door gebruik te maken van de formule van Euler
- Rekenen aan een trilling of optelsom van trillingen door gebruik te maken van phasoren
- Rekenen en karakteristieken kunnen benoemen (golflengte, golfsnelheid, (hoek)frequentie, golfgetal, trillingstijd, transversaal/longitudinaal, amplitude, fase) van sinusoïdale golven.
- Berekenen of een gegeven wiskundige beschrijving van een (lopende) golf voldoet aan de golfvergelijking.
- Rekenen aan de superpositie van golven, bijv. in contexten van staande golven en zweving van sinusoïdale golven, door o.a. gebruik te maken van complexe e-machten / formule van Euler
- Rekenen aan bovenstaande drie leerdoelen in de context van licht met o.a. de karakteristieken: lichtsnelheid, brekingsindex en lichtintensiteit
- Rekenen aan de transmissie- en reflectiecoëfficiënten van een lopende (licht)golf bij overgang naar een ander medium door gebruik te maken van de randvoorwaarden die er moeten gelden op de overgang
- Rekenen aan het faseverschil tussen twee lichtbronnen met gebruik van optische padlengte
- Rekenen aan de superpositie van licht uit twee lichtbronnen met gebruik van phasoren
- Rekenen en schetsen van interferentiepatronen (intensiteit)
- Rekenen aan interferentie bij dunne films met gebruik van transmissie- en reflectiecoëfficiënten
- Uitleggen bij interferentieverschijnselen wanneer er sprake is van (on)voldoende coherentie tussen de twee lichtbronnen (zowel in de tijd als in de plaats)
- Opstellen van de berekening voor / Rekenen aan de intensiteit op een scherm achter een obstructie door gebruik te maken van Huygens(-Fresnel) principe
- Uitleggen/uitrekenen wanneer er sprake is van de Fraunhofer benadering / verre veld
- Schetsen en karakteristieken geven van het interferentiepatroon van een enkele spleet
- Uitleggen of kwalitatief rekenen aan de “Fourierrelatie” tussen opening en interferentiepatroon
- Uitleggen en rekenen aan de diffractielimiet aan de hand van het Rayleigh criterium
- Rekenen aan de resolutie van een microscoop a.d.h.v. Abbes diffractielimiet
- Schetsen en rekenen van/aan het diffractiepatroon van een realistische dubbelspleet
- Rekenen aan telescoop(arrays) door de analogie te maken met (arrays van) spleten in termen van resolutie en diffractiepatroon
- Rekenen aan de maxima en spectrale resolutie van traliesystemen
- Rekenen aan lineair gepolariseerd licht door: op te tellen en/of te ontbinden en dit toe te passen wanneer gebruik gemaakt wordt van polarisatiefilters
- Rekenen aan het gepolariseerd raken van licht door reflectie door gebruik te maken van de Fresnelvergelijkingen* met ook het kunnen benoemen en toepassen van de Brewsterhoek
- Rekenen aan optische padlengteverschillen in dubbelbrekende materialen en dit kunnen toepassen in het effect van dit soort materialen op de polarisatie van getransmitteerd licht
- De eigenschappen kunnen benoemen van circulair (elliptisch) gepolariseerd licht
Naast deze leerdoelen zijn er nog veel leerdoelen die zich richten op verschillende wiskundige vaardigheden kunnen toepassen in bovenstaande contexten. Deze worden vaak behandeld door veel concepten intensief te behandelen, meestal in de vorm van afleidingen.
Algemene vaardigheden
je bereidt je voor op hoor-en werkcolleges door middel van het bestuderen van de stof die behandeld gaat worden (lezen van het boek en bekijken van beschikbare videoclips)
je plant je tijd zodanig dat jouw studielast verdeeld is over de gehele periode waarin het vak wordt gegeven.
Rooster
Rooster
Voor gedetailleerde informatie ga naar Timetable in Brightspace
Onderwijsvorm
Zie Brightspace
Toetsing en weging
Het eindcijfer zal bestaan uit een gewogen gemiddelde van een tussentijdse toets, een tentamen en vier opdrachten. Zie voor de gedetailleerde informatie de informatie op Brightspace.
Brightspace
Instructies en lesmateriaal zijn te vinden in de Brightspace-module. Registratie voor Brightspace verloopt automatisch wanneer een student zich inschrijft in uSis via uSis d.m.v inschrijving voor een studieonderdeel (tentamen) met studieactiviteit
Literatuur
University Physics, H.D. Young and R.A. Freedman, Addison Wesley 14th edition (ISBN-13: 978-1292100319)
Oudere versies (12 en 13) kunnen ook goed gebruikt worden.
Contact
Contactgegevens docent: dr.ir. Julia Cramer