研究性学习实验报告

研究性学习实验报告

课题名称：有关全息投影的研究

班级：1403班

小组组长：郭嘉昕

小组成员：郭京伟段泽华王捷聪孙泽錡

日期：2015年3月

有关全息投影的实验报告

第一部分

有关实验选材的研究

一、实验设计思想

（1）实验目的

通过对比，研究不同材料对于光线的折射和漫反射的效果，并且在其中寻找效果最佳、性价比高的材料，进行下一步实验。

（2）实验原理

当一束平行的入射光线射到粗糙的表面时，表面会把光线向着四面八方反射，所以入射线虽然互相平行，由于各点的法线方向不一致，造成反射光线向不同的方向无规则地反射，这种反射称之为“漫反射”。

（3）实验方法

从成本方面考虑，先将不同材料做成面积的板状模型和立方体状模型，再将我们的光源设备调节到最高亮度，以最佳效果的角度将画面投射到不同的材料上。在同样暗度的房间里，用高度、距离固定的摄影机进行拍摄，再将不同材料的照片转入Photoshop,通过其内置的亮度数值初步判断不同材料的反射效果。将亮度（p）、材料制作的难易程度(q)以及其它视觉效果(w)三项各10分的标准分数按一定比例绘制出总分数，来选取实验材料。

实验测量表格如下：

（4）实验仪器：各种实验材料*1、投影光源（4.7英寸）*1、摄像机*1、Windows电脑（Photoshop软件）*1

二、实验过程记录

（1）实验分工

（2）实验步骤

第一步—确定材料。因为我们是初次进行研究，对于具体的实验材料并不能确定，所以我们进行了解后，一共选取了4种材料：

第二步--选取材料。因为我们进行的实验成本非常有限所以我们必须先走向市场，来查看和询问有些材料是否可以被加工和购买到（具体材料价格请见附录）。将他们的难易程度（q）进行量化，10分为很容易得到，1分为基本不可能得到，以此绘制表格：

第三步—对比亮度。在了解了我们选取的材料的基础上，以节约环保为本，我们购买或借到了这四种材料。并选择在2015年3月8日的晚上，在教室里进行亮度测试。我们先将光源设备调节到最大亮度，拍摄的得到了一张照片，再不断尝试不同的角度，以求能用最好的效果反射光源并拍摄下来。我们将五张照片导入电脑，用Photoshop软件分别查看他们的RGM指数（具体RGM指数请见附录），来进行评分，但因为镜子的超好反射效果，我们改进了我们算法，以分段函数的方式来进行得分评判（p）。

评分结果如下

第四步—其它效果。再进行了以上两个方面的测试后，我们发现还有一个方面的内容需要测试。因为全息投影效果好并不只在于这两个方面，还与其它内容密切相关，例如：是否存在重影、光线是否互相干扰、颜色还原是否准确等等。我们将这其中存在的问题汇总后，主观给出了四种材料的得分（w）。如下

第五步—汇总得分。我们在得到了三种不同方面的分数后，大家集体商议，投票来确定各项分数所占比例。最后集体决定以0.5、0.3、0.2分别对应各种材料的亮度（p）、难易程度（q）、其它视觉效果（w），汇总成下表：

三、实验结论

这次实验过后，我们得出如下结论：

最好的材料是手机膜。这种材料不光十分方便寻找，还很容易加工，做成各种合适的造型。在经过透明胶粘贴后就可以直接放置，进行投影。无论作为实验用品还是手工制作都很适合中学生。

次之的是玻璃立方体切割成的四棱锥。玻璃有很好的反射功能而且作为日常装饰品较为常见，但是需要较高的加工工艺而且在某些情况下存在色散的问题，影响使用。

与之相似的是玻璃板做成的空心四棱锥体。这样的设计很有利于避开之前玻璃四棱锥上所存在的昂贵、色散问题，但也有其自身存在的问题—重影。现在的玻璃板加工度都比较低，所以存在太厚的问题，在反射时十分严重，影响显示效果。

最差的材料是镜子。镜子虽然有较好的反射功能和超高的亮度，但很少有人制作水银镜子四棱锥，而且镜子在反射时，会将投影内容的背景也一并投影入画面中，这样的问题是在其它三种材料上都没有的。

附录一：

材料市场价格

亮度（RGM）效果

亮度评分公式

汇总总分公式

第二部分

有关四棱锥构造的研究

一、实验设计思想

1）实验目的

通过数理推导，研究具体侧面顶角度数对于漫反射的效果，并且在其中寻找效果最佳的四棱锥，来完成实验。

（2）实验原理

当一束光线射到四棱锥侧面时，会发生漫反射。当人们逆着光线往反方向看时，会在四棱锥内部形成一个虚像。而在全息投影的显示效果和这个虚像所形成的位置密切相关。

（3）实验方法

首先从数学角度，我们利用所的学过的有关三角形的知识，试一试能不能算出显示效果最佳的顶角度数。在这之后，我们将再尝试几个与我们所算得的四棱锥的顶角度数相近的几个四棱锥，寻找既不影响显示又适合制作的四棱锥模型。

（4）实验器材

手机膜若干张、裁纸刀*2、纸张*1、笔*1、投影光源（4.7英寸）*1

二、实验过程记录

（1）实验分工

（2）实验步骤

第一步—设计并推导公式（详见附录二）。计算出最合适的四棱锥侧面顶角度数。因为我们现有的投影设备是4.7英寸、16:9的屏幕，所以初步算得以下数据：

第二步—制作多个模型。我们在计算出70°的最佳效果顶角后，设计制作5°和10°的误差对比，具体数据如下：

第三步—分别观察模型效果。在得到多个模型的情况下，我们分别对这三个模型进行观察，初步估计画面重影影响和画面偏离四棱锥中心的程度。最后我们将数据汇总（详见附录二），得出结论：侧面三角形顶角为°时，显示效果最好。

三、实验结论

这次实验过后，我们得出如下结论：

侧面三角形顶角为°时，显示效果最好。出于希望能够将这个显示效果推广，我们根据不同的投影设备（手机）的屏幕大小，得出以下表格（屏幕比例均为16:9）

附录二：

最佳顶角角度计算公式：

4.7英寸情况下，侧面三角形腰、底长度：

任意屏幕大小，侧边三角形腰、底长度推导公式：

第三部分

有关全息投影的研究

实验总结

现在，中学生的动手能力越来越差，这次研究性学习的实验恰好给了我们锻炼的机会。虽说我们的实验只是对于网络上存在的全息投影模型的量化对比实验，但是对于我们学识尚浅、缺乏实践的人来说，这些实验也非一件易事。对于这次实验，我在探索中学习、在模仿中理解、在实践中掌握。我们慢慢开始“摸着石头过河”。在实验中，有那些课本上展示的经典实验的影子，但我们不觉得这是一件坏事。学习也包涵应用。我们所学的知识能够潜移默化地影响并帮助我们，这才应该是学习的核心意义。这次实验也教会了我们如何处理数据。实验就有数据，有数据就得处理。这些数据处理的是否得当将直接影响了实验成功与否。虽然我们不能保证我们所用处理方法都是对的，但是我们能保证我们每一个人都在努力地做到最好。

在实验中,影响的因素有很多,产生的问题也很错综复杂。我们小组努力通过设计精心的实验方案,控制严格的实验条件等途径,达到规避问题,准确地推断或得出实验结论的目的。既考验了我们的实际动手能力和分析解决问题的能力,又加深了我们对对于数学、物理知识的理解。

在第一个实验的过程中，我们一开始根本想不到用什么样的材料来制作四棱锥，是大家按图索骥地猜想并拿到市场上对比才有了那四种不同的材料。当我们进行光线亮度测试时，才发现我们寻找的暗室太暗了，手机和镜子反射的光太明亮，相机曝光过度，根本不能比较亮度的大小。调节室内亮度后，镜子的亮度太高但玻璃的正常，如何确定合适的亮度评分算法很难。

做第二个实验时，我们也遇到了从未想过的问题。如何合理计算四棱锥的侧面三角形大小、形状，如何合理利用我们购买的手机膜，这种问题层出不迭。但是我们并没有就此手忙脚乱，这些问题反而成了驱动我们严谨实验的动力。

总之，这次研究性学习实验让我们收获颇丰，同时也让我们发现了自身的不足。在课上学得的知识，我们将发挥到生活中去；在实验中发现的不足，我们也将努力改善。在我们的高中生活里，我们将通过坚持实践、努力探索等方式，克服学习中障碍，在生活中取得更大的收获!