光学发展与人类文明(华南师范大学) 中国大学MOOC作业评分规则

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【作业】第一章 缘起视觉 第一章 缘起视觉-单元作业

1、 问题:1、观看光学史纪录片《Let there be the light》，链接：http://v.youku.com/v_show/id_XMTQxOTUyMjUy.html?spm=a2h0c.8166622.PhoneSokuUgc_2.dscreenshot2、结合视频与本章内容，尝试从光学发展、研究方法、科学思维、科学人物、学科交叉等角度，讨论该阶段不同社会群体对视觉机制和光现象的认知发展，以及与人类文明的互动关系，以思维导图方式做梳理总结。
评分规则: 【 评分指导：包括古希腊、古阿拉伯的视光学研究的代表性观点、人物、研究方法的总结。具体得分：古希腊（10分）：关于视学、光学的光学探索包括：眼睛入射说、眼睛发射说、欧几里德的几何学研究范式、托勒密的补充观点四方面，占8分；研究方法，包括理性思辨和几何学数理分析，占2分。古阿拉伯（10分）：金迪的视学和光学研究，占4分；伊本海萨穆的视觉理论和光学研究，占4分；研究方法包括数理分析、实验验证，占2分。
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【作业】第二章 小罅光景 第二章 小罅光景-单元作业

1、 问题:请结合第一、二章的学习内容，对比分析中西古代光学发展在研究内容、方法、思维方式等方面的异同，并给出自己的相关观点。（注：除了视频学习之外，还可结合2.2、2.4节学习内容中的文本做分析）
评分规则: 【 参考标准：  1、研究内容（10分）（1）在古代，中西方都对不同的光学现象进行了探索和思考，也发展出以面镜、透镜为代表的光学应用。（5分）（2）有关光学理论方面，西方就视光学的研究逐渐发展出一套成型理论，而中国侧重于光学的实用性，除了《墨经》光学八条有过理性分析的雏形之外，在西学东渐之前未能形成系统性的光学理论。（5分）2、研究方法和思维方式（10分）（1）西方：古希腊早期采取的是观察和思辨的方法，随后欧几里德创立了几何学研究的范式，到古阿拉伯时期，逐渐发展出定量实验、从具体全面的事实经验出发分析问题等方法，是理性科学思维的体现。（5分）（2）中国：早期同样存在观察和思考，墨家重经验实践，开启了理性分析的方式；到了宋元时期，也发展出类比分析、归纳总结、设计性实验的研究方式，但感性思维与理性思维共存，影响了对光现象本质的深入分析。（5分）
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【作业】第三章 时空之光 第三章 时空之光-单元作业

1、 问题:结合本章有关光学在时空测算、建筑学方面的应用，从光学发展与人类文明的互动两个维度，总结自己学习后的相关思考与收获。
评分规则: 【   1、光学发展方面（10分）（1）对光的直线传播原理的认识，对立竿测影、小孔成像技术的理解。（5分）（2）对玻璃颜色的光学机制的了解，玻璃中掺杂的微小颗粒对光有选择性吸收的特性、金属微纳颗粒对光的二向色性等。（5分）2、与人类文明的互动（10分）      现存的时空测算、建筑历史遗迹等，见证了光学发展对人类文明的促进作用。（1）时空测算方面：不论古代的中西方，共性之处都是在从实际经验出发，形成了立竿测影的光学时空测算手段，并利用不同形态的载体进行设计，实现确定时间、指定立法、确定方位等功能（5分）（2）建筑学方面：以西方教堂建筑为代表，暗室日晷的设计，从罗马式教堂到哥特式教堂的风格演变，光学原理及应用始终发挥着重要的作用。（5分）
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【作业】第四章 绘画中的理性之光 第4章 绘画中的理性之光-单元作业

1、 问题:探讨科学与艺术之间的关系：结合本章学习内容以及附件的两篇文献，从光学和绘画跨学科交融的案例出发阐述个人的观点。
评分规则: 【 参考标准：1、科学对艺术的影响（10分）：任写与如下三项相关可以得分。以光学对绘画的影响为例：（1）视光学理论对透视法的理论建立、技艺发展的理性支持。（2）光学仪器对透视法技艺的检验、提升绘画写实度的助力。（3）光学理论，如颜色理论对印象派绘画风格的影响。（4）绘画起源于人类对影子的描绘。（5）无论中西绘画都用到光与影的常识、视觉经验。（5）光学理论对与绘画相关的著作的积极影响。2、艺术对科学的作用（10分）以绘画对光学等自然学科发展的影响为例：（1）以图象为切入口，使得古希腊文明得以继承和发展；（2）绘画技艺提升的要求，推动了与绘画相关的光学理论研究、仪器的发明和改良。（3）写实绘画实现了图文并茂的科学记录，为近代科学的建立创设了条件。
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【作业】第五章 太阳是否宇宙的中心？ 第五章 太阳是否宇宙的中心-单元作业

1、 问题:1、观看望远镜发展史纪录片《400 years of the telescope》，链接：http://www.bilibili.com/video/BV1Pt4y1y75P/?spm_id_from=333.788.videocard.02、结合视频、本章的学习内容和参考文献，梳理光学望远镜的发明、发展和应用历程，分析望远镜对天文学发展的重要意义以及对人类文明的推动作用，尝试进行总结与给出个人心得。
评分规则: 【   参考标准：至少从如下四方面进行总结。（1）望远镜的发明与历史意义。(5分)（2）折射望远镜的基本类型、光学原理、以及在解决消球差、消色差问题方面的发展。(5分)（3）反射望远镜的典型设计、光学原理和在天文学上的重要应用。(5分)（4）望远镜的应用，对人类认知宇宙、认知世界过程中的重要意义，对中西文明进程的影响。（5分）
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【作业】第六章 波粒之争 第六章 波粒之争-单元作业

1、 问题:1、观看光学史纪录片《光的故事3》，英文版链接：http://www.bilibili.com/video/av370687854/或中文版视频：  https://www.bilibili.com/video/BV1WZ4y1p7ai?from=search&seid=104549745165021910272、结合视频与本章内容，从早期微粒说和波动说的对立、后期波动说的发展（涉及干涉、衍射、偏振问题）两条线索出发，整理支持各方观点的科学人物，以及他们对相关光学现象的解释、对光学规律和结论发展的贡献，思考这一阶段光学发展对人类文明的影响，以思维导图方式做梳理总结。
评分规则: 【 1、早期微粒说和波动说的对立：（1）牛顿的微粒说观点：可对视觉机制、反射和折射共存、光的直线传播等光学现象进行解释；对牛顿环、薄膜的颜色、光的衍射等波动现象的困惑和思考。（5分）（2）早期的波动说观点：胡克的水波模型；惠更斯基于以太纵波模型、次波模型建立的惠更斯原理，区别横波、纵波的概念（5分）2、后期的波动说发展：以干涉、衍射、偏振这三个现象的理论发展做分析（10分）（1）干涉：对典型干涉现象、理论中的关键问题、杨氏双缝实验和菲涅尔双面镜实验的理解。（3分）（2）衍射：对格里马第的衍射发现、菲涅尔-惠更斯原理、泊松亮斑等实验的理解。（3分）（3）偏振：对双折射现象、偏振概念的提出、偏振概念的检验、偏振片应用等问题的理解。（4分）
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【作业】第七章 光是一种电磁波 第七章 光是一种电磁波-单元作业

1、 问题:根据本章内容，尝试从如下两方面探讨Maxwell方程组的伟大之处：1. 四个方程是如何表述电对电、磁对磁、磁对电、电对磁四类问题，最终概括并统一了电磁理论。（16分）2. 从Maxwell方程组出发如何理解光是一种电磁波。（4分）
评分规则: 【 1. 四个方程分别表述电对电、磁对磁、磁对电、电对磁四类问题：（1）描述静电问题的高斯电场定律：展示电荷与所产生静电场分布之间的关系，即穿过闭合曲面的电通量正比于这个曲面包含的电荷量，静电场是有源场。（4分）（2）描述静磁问题的高斯磁场定律：展示静磁场的分布问题，即穿过闭合曲面的磁通量恒等于0，静磁场是无源场。（4分）（3）描述磁生电问题的法拉第定律：展示曲面内磁通量的变化率等于感生电场的环流；即时变磁场可以产生电场的问题。（4分）（4）描述电生磁问题的安培-麦克斯韦定律：展示由传导电流、时变电场都可以产生磁场；对应于曲面内包含的电流和曲面内电通量的变化率等于感生磁场的环流。（4分）前两类问题属于静电、静磁问题，对应的方程在数学形式上是相似的；后两类问题属于电磁交互问题，对应的方程在数学上也有类似之处。
2. 从Maxwell方程组出发求解电磁波，在一定初条件下，最后推导得到电场、磁场将以相同的正弦波动形式在空间中传播，真空中的电磁波速度和真空中的光速完全吻合，理论上证明了”光是一种电磁波“，后期赫兹通过实验证实电磁波的存在以及速度等于光速。（4分）
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【作业】第八章 乌云与曙光 第八章 乌云与曙光-单元作业

1、 问题:总结本章有关热辐射的学习内容，从热辐射的概念、遵从的物理规律、相关的定量理论定律/公式的内涵、应用四个角度进行总结。
评分规则: 【 建议从如下四方面对热辐射的研究内容进行总结：1、概念（5分，只要总结热辐射的概念就给分）（1）热辐射：物体具有温度，其内部的原子或分子做热运动引起的电磁辐射。（2）平衡辐射：物体辐射和吸收电磁波达到动态平衡，温度不在发生变化的热辐射状态。（3）黑体：完全吸收照射到表面的辐射、而不发生任何反射或投射的物体，是理想模型。
2、物理规律（5分）（1）基尔霍夫定律：平衡辐射条件下，任何物体在某温度下的热辐射本领和热吸收本领之比是一个普适常数，与辐射物体的性质无关。（2）一定温度下，物体的单色辐射本领岁波长连续变化，能谱曲线存在一个最大值，对应某波长的辐射能量最大。
3、定量理论定律（6分）（1）斯特藩-玻尔兹曼定律：黑体辐射本领（即辐射总能量）与物体的热力学温度的四次方成正比。（2）维恩位移定律：能谱曲线的峰值波长与物体热力学温度成反比。（3）普朗克黑体辐射公式：从能量子假说出发，假定黑体辐射的电磁波的能量取分立值，是能量子的整数倍，可以完美匹配实验曲线，解决短波段存在的紫外灾难问题
4、应用（4分，任写如下两项可给分）（1）白炽灯的发光。（2）冶炼金属过程中金属颜色的变化。（3）非接触式温度测量。（4）色温及应用。
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【作业】第九章（下）量子崛起 第九章 波粒统一- 单元作业

1、 问题:观看纪录片《量子的故事1》http://www.bilibili.com/video/av4951198/， 结合上述视频与本章学习内容谈谈对光以及实物粒子的波粒二象性的理解。问题1：光的波粒二象性的物理内涵是什么？光的量子性是如何通过实验确证的？（10分）问题2：实物粒子的波粒二象性的物理内涵是什么？如何理解实物粒子的波动性，有什么实验可以证明实物粒子物质波的存在？（10分）
评分规则: 【 问题1的参考答案：（1）光的波粒二象性的物理内涵是，光既具有电磁波的特性，具有频率、波长等热特征参数；又满足以光量子的形式向外辐射能量的特性，后者称为光的量子性，光量子的能量正比于光频率。（5分）（2）光电效应实验证明光量子的能量与光频率的关系，康普顿散射实验证明了光量子的动量和光波长的关系，而能量、动量正是代表光的粒子性的特征参数，频率、波长是代表光的波动性的特征参数。（5分）
问题2的参考答案：（1）德布罗意提出，具有一定能量和动量的实物粒子也具有波粒二象性，与实物粒子相联系的波称为物质波。物质波的波长、频率与实物粒子的动量、能量之间的关系与光类似。（5分）（2）在宏观世界中，实物粒子的波动性不一定能被观测到，比如子弹的物质波长太小而很难呈现，但对于电子这些微观粒子，可以通过电子衍射、干涉的实验验证电子对应的物质波的存在，电子显微镜也是利用其物质波效应。（5分）
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【作业】第十章 照耀未来世界 第十章 照耀未来世界-单元作业

1、 问题:（1）总结：结合本章有关光学相关的诺贝尔物理学奖的教学内容和参考文献等，尝试从科学认知、跨学科技术应用、人类生活方式的变革等角度，谈谈您对现代光学发展与人类文明的关系的理解。（12分）（2）拓展：结合您的个人专业或相近学科（非光学）的研究发展，探讨该学科的研究发展，是否也对人类的科学认知、跨学科技术应用、人类生活方式的方面带来影响，并给出相关的案例进行说明。（8分）
评分规则: 【 针对问题1，以下每个角度各举一个案例即可得4分，总12分。（1）从科学认知讨论，比如光本质的认知对应的案例。（2）从技术应用的角度讨论，比如X射线的应用、显微镜与生物医学、不同领域的激光技术的应用等。（3）从人类生活方式的变革角度讨论，比如电灯发明、照相术的发明等。
针对问题2，结合非光学学科的发展，任选以下两个角度作举例说明，每个角度可得4分，总8分。（1）从科学认知角度讨论及举例。（2）从技术应用的角度讨论及举例。（3）从人类生活方式的变革角度讨论及举例。
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