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Oggetto:
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Ottica Geometrica con laboratorio

Oggetto:

Geometrical Optics with Laboratory

Oggetto:

Anno accademico 2021/2022

Codice attività didattica
FIS0008
Docenti
Prof. Elena Botta (Titolare del corso)
Prof. Davide Gandolfi (Titolare del corso)
Dott. Luca Zangrilli (Titolare del corso)
Prof. Stefania Beolè (Assistente)
Corso di studio
(f008-c715) laurea i^ liv. in ottica e optometria -a torino
Anno
1° anno
Periodo
Da definire
Tipologia
Caratterizzante
Crediti/Valenza
11
SSD attività didattica
FIS/01 - fisica sperimentale
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Obbligatoria
Tipologia esame
Prova pratica
Prerequisiti
Conoscenze di base di Fisica Sperimentale: grandezze fisiche, unita' di misura, leggi fisiche, capacita' di risolvere semplici problemi di fisica.
Basic knowledge of Experimental Physics: physical quantities, units of measurement, physical laws, simple physics problem-solving skills.
Propedeutico a
Corso di Analisi Dati Sperimentali.
Experimental Data Analysis.
Oggetto:

Sommario del corso

Oggetto:

Obiettivi formativi

Ottica Geometrica (4 CFU)

Apprendere i principi fisici dell'Ottica Geometrica.

Laboratorio (4 CFU)

Apprendere i principi fisici e le tecniche di base per la verifica delle leggi dell'Ottica Geometrica, acquisendo la capacita' di discutere gli errori a cui sono soggetti i risultati sperimentali ottenuti in laboratorio.

Storia degli strumenti ottici (3 CFU)

Funzionamento dal punto di vista ottico dei principali strumenti; - storia ed evoluzione tecnica delle principali categorie di strumenti ottici.

Ottica Geometrica (4 CFU)

Learning the physical principles of Geometrical Optics.

Laboratorio (4 CFU)

Learning the basic principles and techniques needed to test the physical laws of Geometrical Optics. Studying, evaluating and analyzing the uncertainties in physical measurements.

Storia degli strumenti ottici (3 CFU)

Working outline of the most important optical instruments, from the classical optics theory perspective, and their historical development.

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi

Ottica Geometrica (4 CFU)

Conoscenza e comprensione (knowledge and understanding)

Conoscenza dei principi dell'Ottica Geometrica e delle proprietà di sistemi ottici.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding)

Capacità di risolvere problemi ed esercizi di Ottica Geometrica.

Laboratorio (4 CFU)

Conoscenza e comprensione (knowledge and understanding)

Comprensione del carattere sperimentale dell'Ottica Geometrica, come branca della Fisica (metodo Galileiano). Comprensione dei vari aspetti del processo di misura e del significato di errore sperimentale di una misura. Conoscenza delle cause dell'errore sperimentale e delle tecniche statistiche per la sua minimizzazione. Comprensione della problematica della propagazione degli errori nelle misure indirette e della determinazione della compatibilità tra leggi e misure e tar misure diverse.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding)

Capacità di misurare la distanza focale di una lente signgola e di un sistema di due lenti a contatto (lente divergente) e non. Capacità di verificare la validità delle leggi della riflessione e della rifrazione; applicazioni particolari ai casi della lamina sottile e del prisma triangolare ad angolo retto. Capacità di verificare le leggi delle lenti sottili e degli specchi sferici. Capacità di misurare dell'indice di rifrazione di una sostanza solida per mezzo di un prisma rettangolare sfruttando il fenomeno dell'angolo limite. Capacità di individuare le cause di errore nelle misure effettuate, di determinare gli errori di misura e di trattarli con metodi statistici. Capacità di descrivere le misure effettuate redigendo delle brevi relazioni, di illustrare la trattazione dei dati e di presentare il risultato finale della misura.

Storia degli strumenti ottici (3 CFU)

Conoscenza e comprensione

Conoscenza della storia e del funzionamento delle principali categorie di strumenti ottici; comprensione delle motivazioni storiche e scientifiche che hanno dettato lo sviluppo dell'ottica e degli strumenti ottici.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Gli studenti dovranno essere in grado di capire e risolvere problemi legati alla formazione dell'immagine negli strumenti ottici; più in generale, dovranno essere in grado di applicare i concetti di base dell'ottica per comprendere il funzionamento di uno strumento ottico.

Ottica Geometrica (4 CFU)

Knowledge and understanding. Knowledge of the physical principles of Geometrical Optics and of the properties of optical systems.

Applying knowledge and understanding. Solving problems of Geometrical Optics.

Laboratorio (4 CFU)

Knowledge and understanding. Geometrical Optics as a branch of experimental physics (scientific method). Data acquisition and experimental uncertainties. Uncertainty quantification. Error analysis and statistical approaches. Propagation of uncertainty to the combination of variables. Model testing.

Applying knowledge and understanding.  Measuring the focal length of one lens and of an optical system containing two lenses. Testing reflection and refraction laws: optical foil and triangular prism with right angle. Testing the equations of thin lenses and spherical mirrors. Measuring the  refractive index of a solid medium using a rectangular prism and the critical angle for which refraction can still occur. Understanding sources of uncertainties. Error quantification. Error analysis using statistical approaches. Writing short reports describing experiments, data acquisition, data analysis, and final results.

Storia degli strumenti ottici (3 CFU)

Knowledge and understanding

Knowledge  of history and working of optical intruments; comprehension of historical and scientific reasons driving  the development of optics and optical intruments.

Applying knowledge and understanding

Ability of applying basic concepts of optics, in order to understand the image formation in optical intruments.

Oggetto:

Programma

Ottica Geometrica, Gandolfi (4 CFU)

Natura della luce: cenni storici, interpretazione corpuscolare, interpretazione ondulatoria, spettro visibile, spettro elettromagnetico, misura della velocità della luce, fronte d'onda, onda sferica, onda piana,  principio di Huygens-Fresnel.

Propagazione della luce: velocità della luce nel vuoto e nei mezzi, indice di rifrazione, dispersione e formula di Cauchy, cammino ottico, principio di Fermat, raggio ottico.

Formazione dell’immagine: oggetto e immagine, immagine reale, immagine virtuale, formazione dell'immagine, osservazione dell'immagine.

Riflessione: riflessione speculare e diffusiva, riflessione su superficie piana, legge della riflessione, applicazione dei principi di Huygens e Fermat alla riflessione speculare.

Specchi: specchi piani, formazione di immagini con specchi piani, applicazioni di specchi piani, riflessione su superficie sferica, aberrazione sferica, ottica di Gauss, specchi sferici concavi e convessi, equazione dello specchio sferico, potenza dello specchio sferico, invertibilità del cammino ottico, formazione di immagini con specchi sferici e soluzione analitica, ingrandimento, specchi parabolici.

Rifrazione su superfici piane: legge di Snell, applicazioni dei principi di Huygens e Fermat alla rifrazione, diottro piano, formazione di immagini per il diottro piano, profondità apparente, lamina ottica, riflessione interna totale, angolo limite, fibre ottiche.

Prismi: prisma ottico, angolo di minima deviazione e misura dell'indice di rifrazione, prismi disperdenti, numero di Abbe, potenza prismatica, applicazioni con prismi disperdenti, prismi a riflessione totale, applicazioni con prismi a riflessione totale.

Rifrazione su superfici sferiche: diottro sferico, punti focali, distanze focali, piano focale, potere rifrattivo, vergenza, formazione di immagini, ingrandimento trasversale e angolare, teoremi dei seni di Abbe.

Lenti: lenti sferiche, tipi di lenti, punti focali e principali, piani focali e principali, punti nodali, centro ottico, equazione del costruttore di lenti sottili, potere di una lente sottile, equazione delle lenti di Gauss (equazione dei punti coniugati), formazione di immagini con lenti sottili, equazione delle lenti di Newton, lenti positive e negative, ingrandimenti (trasversale e angolare).

Lenti spesse: formazione di immagini con lenti spesse, distanza focale, distanza frontale anteriore e posteriore, potere effettivo, potere nominale, potere frontale anteriore e posteriore, equazione di Gauss per le lenti spesse, ingrandimento, trasversale e angolare

Sistemi di lenti: combinazione di due lenti sottili coassiali, formazione di immagini con sistemi due lenti sottili a contatto e separate, fuochi di un sistema di due lenti sottili, piani principali, equazione di Gauss per un sistema di due lenti, potenza del sistema, potenza frontale, ingrandimento angolare e trasversale.

Aberrazioni ottiche:  aberrazione sferica e aberrazione cromatica, aberrazioni nelle lenti sottili, aberrazioni negli specchi.

Occhio umano: cenni di fisiologia dell'occhio umano, accomodazione, punto prossimo, punto remoto, occhio ipermetrope, occhio miope, cenni di correzione dei difetti visivi con lenti.

Strumenti ottici: macchina fotografica, diaframma, lente di ingrandimento, microscopio, telescopio rifrattore, telescopio riflettore.

Nature of light:  historical outline,  light as both a wave and a particle, speed of light measurement, frequency, wavelength, electromagnetic spectrum, visible spectrum, colours, wavefront, plane and spherical wave, Huygens-Fresnel principle.

Propagation of light: speed of light in vacuum and homogeneous media, refractive index, light dispersion, Cauchy's equation, optical path, reversibility of light, Fermat’s principle, light propagation in terms of rays.

Image construction: object and image, real image, virtual image.

Reflection: specular and diffuse reflection, law of specular reflection, plane mirrors, law of specular reflection from Fermat’s and Huygens’ principles.

Mirrors: plane mirrors and image construction, spherical mirrors (convex and concave) and image construction, Gaussian optics and Gaussian mirror equation, paraxial approximation, focus, focal distance, focal plane, magnification, spherical power, spherical aberration, parabolic mirror.

Refraction of light at a plane surface: Snell’s law, refraction law from Fermat’s and Huygens’ principles, plane diopter and image construction (e.g., real and apparent depth), optical foil, total internal reflection, critical angle, optical fibers.

Optical prism: deviation angle and dispersion, minimum deviation angle, refraction index measurement, Abbe number, prismatic power, dispersive prism and uses, total reflection prism and uses.

Refraction of light at a spherical surface: spherical diopter and image construction, focus, focal plane,  focal distance, refracting power, vergence, transverse (linear) and angular magnification, Abbe sine condition.

Lenses: types of lenses, spherical lenses, thin and thick lenses, radii of curvatures, vertex, focus, principal planes, focal planes, focal length, nodal points, lens center, power, thin lens equation, Gauss’ equation (conjugate equation), thin lenses and image construction, thin lenses and Netwon’s equation, positive and negative lenses,  transverse (linear), longitudinal, and angular magnification.

Thick lenses:  image construction, focal length, front and back distance, front and back vertex power, nominal power, Lensmaker's Equation, Gullstrand's equation, transverse (linear), longitudinal, and angular magnification.

Optical systems with lenses: assembly of two coaxial thin lenses and image construction, optical system focus, principal planes, Gauss’ equation, power, frontal power, magnification.

Optical aberration: spherical aberration, chromatic aberration, thin lenses and aberration, spherical mirrors and aberration.

Human eye: physiological outline, visual perception, accommodation, near and far points, hypermetropic eye, myopic eye, hypermetropia and myopia prescription glasses or contact lenses.

Optical instruments: camera, diaphragm, magnifying glass, microscope, refracting telescope, reflecting telescope.

Laboratorio, Botta (4 CFU)

Lezioni introduttive:

introduzione al metodo sperimentale, leggi fisiche, concetto di errore di misura, errori casuali e sistematici, trattazione degli errori casuali nel caso si singola misura, di poche misure e di molte misure, errore relativo, cifre significative, propagazione degli errori nei casi di poche e molte misure, cenni al metodo dei minimi quadrati, regressione lineare.

Misure in laboratorio :

1) distanza focale di lente singola

2) distanza focale di un sistema di due lenti a contatto e non

3) verifica delle leggi delle riflessione

4) verifica delle leggi della rifrazione e misura dell'indice di rifrazione di un corpo semiriflettente; riflessione totale

5) effetto di lamina sottile e prisma sulla propagazione della luce

6) verifica delle leggi degli specchi sferici

7) misura dell'indice di rifrazione di un materiale vetroso sotto forma di un prisma triangolare retto sfruttando il fenomeno della riflessione totale

Introductory lessons:

Introduction to the experimental method, physics laws, measurement errors, random and systematic errors, random errors minimization for single, few and many measurements, relative error, significant figures, error propagation for few and many measurements, brief overview of the least squares method, linear regression.

Laboratory measurements:

1) Focal length of a single lens

2) Focal length of a system of two lenses in contact and not in contact

3) Reflection laws verification

4) Refraction laws verification; measure of the refractive index of a semi-reflecting body; total reflection

5) Light beam displacement/deflection due to a thin transparent plate and to a prism

6) Spherical mirror laws verification

7) Measure of the refractive index of a rectangular prism through the total reflection phenomenon

Storia degli Strumenti Ottici, Zangrilli (3 CFU)

  • Storia e sviluppo delle principali idee nell'ottica, dal punto di vista scientifico e tecnologico dagli albori al '700.
  • Storia e sviluppo delle principali idee nell'ottica dall'ottocento ai giorni nostri.
  • Storia degli strumenti oftalmici.
  • Storia delle lenti oftalmiche.
  • Storia del telescopio.
  • Storia del microscopio.
  • Storia della strumentazione ottica di laboratorio: spettroscopia, interferometria.
  • Storia degli strumenti ottici per misure e rilievi.
  • Storia della fotografia.
  • Storia del disegno ottico.

  • History and development of main ideas in optics, from beginnings to '700.
  • History and development of main ideas in optics, from '800 to nowadays.
  • Ophtalmic instruments.
  • Ophtalmic lenses.
  • Telescope.
  • Microscope.
  • Laboratory optical instruments: spectroscopy, interferometry.
  • Rangefinders
  • Photography.
  • Optical design.

Oggetto:

Modalità di insegnamento

Ottica Geometrica (Prof. Gandolfi)

Le lezioni di Ottica Geometrica con il Prof. Davide Gandolfi verranno svolte in presenza secondo l'orario pubblicato su Campusnet. Sarà prevista la diretta streaming delle lezioni per gli studenti che non potranno recarsi in aula solo se le dirrettive del Rettore lo richiederanno.

Storia degli Strumenti Ottici:

Lezioni frontali. A causa dell'emergenza sanitaria legata al COVID-19, le lezioni potrebbero essere tenute in modalità telematica.

 

Laboratorio:

Modalita' per corso interamente in presenza

Lezioni frontali introduttive (frequenza fortemente consigliata)+pratica in laboratorio (frequenza obbligatoria).

In un precorso di 6 lezioni di due ore ciascuna vengono affrontate le tematiche base della Teoria degli Errori statistici e della loro propagazione nelle misure indirette. Lo studente dovra' svolgere 7 esperienze di laboratorio in gruppo, oggetto dell'esame, ed essere in grado di stimare e trattare gli errori di a cui sono soggette le misure effettuate.

Modalita' a distanza

In modalita' a distanza le lezioni introduttive vengono erogate tramite lezioni registrate o presentazioni con commenti disponibili sulla piattaforma Moodle, istanza https://elearning.unito.it/scienzedellanatura/course/view.php?id=980.

Le esperienze di laboratorio sono obbligatorie in presenza, salvo indicazioni diverse da parte dell'Universita'. Nel caso, le esperienze di laboratorio vengono descritte durante lezioni interattive (WebEx) e vengono forniti dati sperimentali su cui effettuare l'analisi in gruppi.

Ottica Geometrica and Storia degli Strumenti Ottici:

Taught classes. Due to the current COVID-19 health crisis, the lectures might be held remotely using online platforms.

Laboratorio

Frontal lectures (6 x 2 hours; recommended attendance course) provide the basic knowledge of data and error analysis, and propagation of uncertainty. Laboratory (compulsory attendance course) : 7 experiments of Geometrical Optics.

Distance learning with Moodle platform, instance https://elearning.unito.it/scienzedellanatura/course/view.php?id=980 for the introductory lectures. Laboratory measurement are described in interactive lectures through WebEx and experimental data are sent to students for the analysis part.

Oggetto:

Modalità di verifica dell'apprendimento

Ottica Geometrica:

L'esame consiste in una prova orale obbligatoria che prevede lo svolgimento di un esercizio, la dimostrazione di un'equazione, ed una domanda su tematiche inerenti il programma.  La durata media della prova orale è di circa 45 minuti. A causa dell'emergenza sanitaria legata al COVID-19, l'esame potrebbe essere tenuto in modalità telematica.
 

Laboratorio: 
Esonero sulla parte di statistica e trattazione degli errori in ingresso al laboratorio; correzione delle relazioni di laboratorio e prova pratica finale.

In modalita' a distanza scritto sulla parte di statistica e trattazione degli errori, correzione delle relazioni di laboratorio e prova orale finale

Storia degli Strumenti Ottici:

La verifica dell'apprendimento consiste in una prova orale, durante la quale viene chiesto allo studente di argomentare su tre (normalmente non più di quattro) quesiti riguardanti aspetti generali del programma del corso.

Ottica Geometrica:

The final assessment is based on a compulsory oral exam of about 30-40 minutes. Due to the  COVID-19 health crisis, the oral exam might be held remotely.


Laboratorio:
  

Partial examination on Statistics and Error analysis at the entrance of the lab; correction of the lab reports and final practical examination.

In distance learning mode, written test on Statistics and Error analysis, correction of the lab reports and final oral examination.

Storia degli Strumenti Ottici:

Check of learning ability consists in an oral exam, where the candidate is required to discuss about usually three general issues, which have been the subject of lectures.

Oggetto:

Attività di supporto

Ottica Geometrica:

Svolgimento di esercizi in aula.

Storia degli strumenti ottici

Eventuali escursioni presso Istituti e musei allo scopo di vedere e commentare direttamente esemplari significativi di strumenti ottici.

Ottica Geometrica:

Exercises.

Storia degli strumenti ottici

Possible tours in institutes and museums having exibitions of historical optical intruments.

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

Ottica geometrica, Davide Gandolfi

CATALANO - Elementi di ottica generale – Zanichelli

HALLIDAY RESNICK – Fisica II

SERWAY - Fisica II per scienze ed Ingegneria

Laboratorio:

Appunti su pagina web del docente

Storia degli Strumenti Ottici:

Lucidi del docente e appunti di lezione

Ottica geometrica, Davide Gandolfi

CATALANO - Elementi di ottica generale – Zanichelli

HALLIDAY RESNICK – Fisica II

SERWAY - Fisica II per scienze ed Ingegneria

Laboratorio: 

Slides available at the professor's webpage.

Storia degli Strumenti Ottici:

Teacher slides and lecture notes.



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  • Aperta
    Oggetto:
    Ultimo aggiornamento: 21/10/2021 11:35
    Location: https://otticaeoptometria.campusnet.unito.it/robots.html
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