Vanwege de coronamaatregelen kan de onderwijsvorm of tentaminering afwijken. Zie voor actuele informatie de betreffende cursuspagina’s op Brightspace.

Studiegids

nl en

Optica

Vak
2021-2022

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:

  1. De begrippen convergerend, divergerend, evenwijdig, spiegeling, beeld- en voorwerppunten, refractie, reflectie, grenshoek toepassen
  2. Rekenen en tekenen met behulp van de wet van Snellius
  3. Rekenen en tekenen met behulp van het Huygens-Fresnel principe
  4. Rekenen wanneer er sprake is van totale interne reflectie
  5. Uitleggen hoe een lichtbundel kan worden geschift op golflengte (dispersie)
  6. Rekenen met de paraxiale benadering
  7. Rekenen en tekenen van beeld en/of voorwerp bij reflectie aan een bolvormige spiegel
  8. Rekenen en tekenen van beeld en/of voorwerp bij breking aan bolvormig oppervlakte
  9. Rekenen wat de brandpuntsafstand is van een dunne lens met gebruik van de lenzenformule
  10. Rekenen en tekenen van beeld en/of voorwerp bij dunne lens systemen
  11. Rekenen aan voorwerps-, beeld- en brandpuntafstanden van optische systemen
  12. Rekenen aan dwarsvergroting en hoekvergroting van optische systemen
  13. Uitleggen hoe lenzen gebruikt moeten en kunnen worden om voor bepaalde oogafwijkingen te kunnen corrigeren
  14. Tekenen/schetsen van optische systemen microscoop/telescoop/camera met positie van voorwerp / beeld en lenzen
  15. Rekenen aan goniometrie door gebruik te maken van de formule van Euler
  16. Rekenen aan een trilling of optelsom van trillingen door gebruik te maken van phasoren
  17. Rekenen en karakteristieken kunnen benoemen (golflengte, golfsnelheid, (hoek)frequentie, golfgetal, trillingstijd, transversaal/longitudinaal, amplitude, fase) van sinusoïdale golven.
  18. Berekenen of een gegeven wiskundige beschrijving van een (lopende) golf voldoet aan de golfvergelijking.
  19. 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
  20. Rekenen aan bovenstaande drie leerdoelen in de context van licht met o.a. de karakteristieken: lichtsnelheid, brekingsindex en lichtintensiteit
  21. 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
  22. Rekenen aan het faseverschil tussen twee lichtbronnen met gebruik van optische padlengte
  23. Rekenen aan de superpositie van licht uit twee lichtbronnen met gebruik van phasoren
  24. Rekenen en schetsen van interferentiepatronen (intensiteit)
  25. Rekenen aan interferentie bij dunne films met gebruik van transmissie- en reflectiecoëfficiënten
  26. Uitleggen bij interferentieverschijnselen wanneer er sprake is van (on)voldoende coherentie tussen de twee lichtbronnen (zowel in de tijd als in de plaats)
  27. Opstellen van de berekening voor / Rekenen aan de intensiteit op een scherm achter een obstructie door gebruik te maken van Huygens(-Fresnel) principe
  28. Uitleggen/uitrekenen wanneer er sprake is van de Fraunhofer benadering / verre veld
  29. Schetsen en karakteristieken geven van het interferentiepatroon van een enkele spleet
  30. Uitleggen of kwalitatief rekenen aan de “Fourierrelatie” tussen opening en interferentiepatroon
  31. Uitleggen en rekenen aan de diffractielimiet aan de hand van het Rayleigh criterium
  32. Rekenen aan de resolutie van een microscoop a.d.h.v. Abbes diffractielimiet
  33. Schetsen en rekenen van/aan het diffractiepatroon van een realistische dubbelspleet
  34. Rekenen aan telescoop(arrays) door de analogie te maken met (arrays van) spleten in termen van resolutie en diffractiepatroon
  35. Rekenen aan de maxima en spectrale resolutie van traliesystemen
  36. Rekenen aan lineair gepolariseerd licht door: op te tellen en/of te ontbinden en dit toe te passen wanneer gebruik gemaakt wordt van polarisatiefilters
  37. 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
  38. Rekenen aan optische padlengteverschillen in dubbelbrekende materialen en dit kunnen toepassen in het effect van dit soort materialen op de polarisatie van getransmitteerd licht
  39. 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