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基礎光學一 (Introduction to Optics (1))

Национальный университет Тайваня

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以深入淺出的概念說明日常生活與科學應用中常見的光學現象，特色在於大量的範例以及實驗展示。

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課程介紹12:18

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朱士維
教授 (Professor)

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[音樂] [音樂] [音樂] [音樂] 大家好，歡迎大家選修基礎光學一的課程。我是台大物理系的朱士維，我自己的研究專長呢是在鐳射跟生物醫學顯微技術上面，那這門課呢是 Coursera 上面第一門開設的光學課程。也是第一個中文話的相關的物理方面的課程，在這門課裡面呢，我們會為各位介紹生活中常見的基本光學現象。還有如何用幾何光學解釋這些基本的光學現象。在一開始，首先先讓我們想想看，各位為什麼要修這門課呢？平常在學校裡面修課的原因多半是因為這門課必修，或者是因為系上要畢業的學分有要求，所以才來修這門課。但是各位現在是在網絡上修這門課，網絡選課一個非常大的特性呢，就是你可以做個人化- 的選擇。完全符合你自己的興趣，基本上這是一個最理想的學習情況，你不是被迫學習，而是你有興趣才來學習，這一股學習浪潮在未來的 5 到 10 年內應該會完全改變大學的授課的方式。我們在這門課裡面要交給各位那些東西呢？這個基礎光學這門課未來將會有一系列的課程，那我們現在這個部分呢，是基礎光學一的部分，那基礎光學一的部分的主要內容呢，是針對常見光學現象來介紹。而其中數學的部分呢，我們主要用到幾何光學來探討光學成像原理。幾何光學的概念呢就是用光線的方式，來描述成像以及生活中常見的光學現象。那在這門課里面呢，基本上學生需要具備矩陣計算的能力。微積分不太會用到。所以大致上來說沒有一定需要先修的物理課程，不過如果各位同學，來的時候有一些電磁學的基礎會非常好。普通物理層次的電磁學基礎大概就夠了，這門課難度設定是大概比一般的的通識課程略高，因為我們會有矩陣計算的過程在裡面，但是我也盡量希望在課程裡面不要用到太複雜- 的數學，盡量用直觀的方式跟各位討論生活中的光學現象以及物理的原理。在這整趟旅程中呢我們將會讓各位觀察生活中常見的光學現象，還有我會為各位介紹幾何光學的基礎。包括光的傳播，還有光和物質的交互作用如何用幾何光學來描述。那為了要描述這些光的現象呢，我們必須要學會一些數學工具。而這裡面最主要的呢，在幾何光學裡面我們用矩陣運算的方式。那運用幾何光學的核心，我們在基礎光學一中呢主要讓各位了解，怎麼樣用光線前進的方式，也就是幾何光學來描述光學成像這件事情。那最後希望各位在整門課修完之後呢能夠得到一個非常大的樂趣，對你生活中常見的光學現象你有更進一步的理解。這麼課呢，我設定的特色在於，著重和你的生活經驗相關的光學現象，所以在課程里面呢，我也會盡可能的用大量的示範試驗來說明相關的現象。畢竟光學跟很多其他物理科目不同的地方在於光是肉眼就看得到的現象。所以很多實驗都是你直接用眼睛就可以觀察得到。另外一個特色是我們會在這門課中加入許多概念性的問題。引導各位從問題開始思考，那這些概念性的問題呢，我希望建立一個特色是各位在選擇這些概念性問題的答案的時候呢，可以和全世界的同學一起來投票，可以一起來討論相關的一個問題的內容。在這個學習的內容里面呢，我們會有六週。第一週，我們會講到生活中的光學在哪些地方會看得到。還有跟各位簡單介紹一下光學的歷史進展，從牛頓到愛因斯坦一直在探討一個問題是光的本質到底是粒子還是波？這些事情我們在第一週先跟各位做一個簡單的介紹。在第二週- 我們會談光跟物質之間會有哪些交互作用，這裡面包括了反射，折射，散射，吸收還有放光。這些特性。那麼第三週呢我們要開始進入一些數學上的描述。主要的內容呢是關於如何用數學來描述一道光。這裡面我們要介紹一個數學工具叫做 ABCD 矩陣。也就是用矩陣的方式來描述光的前進。因此可以把透鏡跟鏡子這些光學元件用一個矩陣來表達。那這些合起來的方式呢就稱之為所謂的光束追蹤法，我們可以用光束追蹤法來看一個物體如何成像，一個透鏡如何成像。那接下來呢我們有了這些光束追蹤法的基礎，幾何光學的基礎之後呢我們可以來看人體中最重要的成像系統就是我們的眼睛，所以我們會從最外面到最裡面分析整個眼鏡的光學結構。還有眼睛成像的時候，它的好處跟它的缺點。第五週呢我們會談照相機裡面到底有什麼東西。還有我們會談一談望遠鏡跟顯微鏡的基本的原理，這些都是基於前面談的幾何光學的基礎，那最後我們會談一下一個問題是望遠鏡跟顯微鏡可不可以交換使用呢？可不可以拿望遠鏡當成顯微鏡用，或是拿顯微鏡當成望- 遠鏡用？而最後一周呢我們會來談一下透鏡的不完美會造成什麼影響。我們談透鏡的不完美的部分呢稱之為像差，在這裡我們因為局限在幾何光學的部分，所以我們談的是所謂的幾何像差。這些像差對攝影來說，或是對平常觀看影像來說造成哪些影響？這是最後一周要為各位介紹的內容。那麼在這門課的課程目標呢，我們先設定在物理方面的目標。希望各位修完這門課之後呢，能夠熟悉基本的光學現象。除了這個之外呢，更希望各位能夠用正確的文字還有方程式來描述，我想稍微強調這件事情是在很多時候我們描述生活中的現象呢是用文字，但是在物理學上呢，如果你想要正確的描述一- 件事情，常常會需要引入方程式來說明，所以這個呢會是這個學期希望各位在修完光學導論之後呢，也能夠理解如何用方程式來描述一些基本的光學現象，那麼這些文字也好，方程式也好的基礎呢，將是各位未來呢在學習進階的課程或是在您的工作應用上面呢會是一個很好的基礎。那麼我想稍微再強調一下關於數學跟物理現象之間的一個關聯，基本上你可以這樣想這件事情，數學或者說所謂的方程式，可以說是物理的語言，所以我們如果想要精確地描述物理的話呢，一定會用到數學方程式。而在幾何光學這個部分呢，我們會用到哪些數學概念呢？最主要大概會是矩陣還有幾何分析這樣的概念，那麼在最後面一講我們講到像差的時候呢還會再額外引入泰勒展開式還有一點點偏微分這樣子的概念。所以呢，在整個課程一開頭我想跟各位說明一下千萬不要害怕，你對這些數學工具不熟悉，在所有的課程安排里面呢，就算引入數學方程式，在方程式之後呢，還是會有一些直觀的概念說明以及一些現場的實驗的操作讓各位可以具體的了解到底在講什麼現象，還有跟生活上的連結。數學只是另外一個描述的方式，所以如果你對數學方程式不熟悉的話呢，千萬不要擔心，仍然歡迎各位來選修這門課。但是同時呢，我也鼓勵各位同學呢，你只要把數學想成另外一種語言，就像你在學英文一樣，當你學會英文之後呢，你就好像多了一個新的窗戶來看這個世界。數學也是這樣的意思，當你學會數學之後呢，你就了解用什麼方法用什麼的語言，來更精準的- 描述物理現象。所以千萬不要一開始就排斥數學，希望通過這門課呢能讓各位看到除了生活中現象的理解之外呢，用數學可以非常漂亮的描述很多物理現象。那在這個地方呢我要推薦各位一本書，這本書的書名就叫《如何閱讀一本書》。那這本書它在講的事情，跟我剛剛提的從問問題開始是非常接近的，它在講的事情是當你在念一本書的時候呢，你心中要先有一個問題要跟作者對話，你才能夠從書裡面得到東西。這本書的本質是一本工具書，所以它在教導你從拿到一本書開始，你要怎麼看，怎麼從章節的目錄開始對這本書的架構有一定的了解，怎麼從書的內容得到你想要得到的東西。基本上我們從小學畢業之後就沒有受過非常完整的閱讀訓練。對於小學階段來說你學會識字之後大家就理所當然認為你就會讀書了。但事實上讀書是一個需要訓練的過程，所以我鼓勵各位看看這本書來了解一下你自己的閱讀習慣跟理想的閱讀習慣之間有什麼差別。我自己在三十歲的時候才念到這本書，完全覺得它把我過去十幾年累積起來的讀書的心得收納在這裡面，寫得非常非常的好，所以我非常誠摯的推薦給各位。這門課的評分方式呢有兩大項，一項是作業，那作業在這門課里面會占百分之七十的分數。作業裡面包括有概念思考也有計算練習。因為就像前面說的我們希望做到的事情是讓你對光學方面的概念能夠清楚地理解，而且能夠用正確的方程式來描述光學現象，原則上每個禮拜都會有作業。那要麻煩各位在拿到作業之後的一周之內繳交。這裡面呢會有一部分的作業呢，會需要同學互相來評分，詳細的規定呢麻煩你參考網頁上- 的說明。這門課的評分方式另外一個部分呢是百分之三十的期末考。期末考的部分呢包括了概念思考跟計算練習的部分。那這個地方呢我事實上希望鼓勵各位來想一件事情是在華人地區呢，成績似乎是一件非常非常重要的事情。那我希望在這門課裡面，鼓勵你把考試跟成績之間的關聯呢看成是一種緣份。事實上成績什麼意思呢？考試的成績的意思是我覺得重要的事情你是不是覺得重要。但是這個誰覺得什麼事情重要在世界上來說往往是沒有標準答案的。所以因此你會在這門課的考試拿到什麼成績，真的就是你跟我之間的緣分的問題而已。所以不要把成績這個事情看成絕對，看成非常非常重要。這個對自己的學習會有負面的效果，如果你能夠在學習裡面得到樂趣。得到這個就是我想學的東西，這個就是我想了解的東西，這樣就夠了。考試的分數高不高不是最重要的事情，那關於考試的部分呢我也推薦各位看兩本小說，這兩本- 都是很好看的小說。一本是侯文詠的《危險心靈》，前幾年還拍成過電視劇。然後另外一本是比較舊的小說，這是三十年前的一個《拒絕聯考的小子》。在台灣一直有一個聯考的制度，在整個華人地區大概都有這樣子類似的大考的制度在。那麼在三十年前就有人抗拒參加大考，而寫下他的一個心路歷程，不過他堅持說這個部分是小說不是現實故事這樣。那麼我覺得這個事情很可以讓各位思考一下就是你看看這本書，看看三十年前的教育系統跟三十年後的現在的教育跟考試系統你會有很大的感觸。好像沒有太大的改變，這個核心都是因為我們對成績的執念放不開。所以一定要有某種成績來評斷學生。那所以這次第一講第一節裡面呢我想出一個隨堂作業給各位就是麻煩你跟我分享你對這門課有什麼樣的期待呢？ [音樂] [音樂] [音樂] [音樂]

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