北航物理实验研究性报告
专题:反射法测三棱镜顶角
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目录 (2)
摘要 (2)
一、实验目的 (2)
二、实验仪器 (2)
三、实验原理 (2)
四、实验内容 (7)
五、数据记录与处理 (8)
1、分光仪反射法测顶角误差分析 (8)
2、分光仪系统误差分析 (9)
六、注意事项 (12)
七、实验感想与建议 (12)
【摘要】
在许多的物理试验中，常常用三棱镜来作为分光的器件。分光仪可以用来测量光学元件的角度。我们可以通过分光仪可以来测定三棱镜的顶角，从而帮助我们更好的了解分光仪的光学性质以及学会一种测量三棱镜的顶角的方法。 一、【实验目的】 1．了解分光仪的结构,掌握调节和使用分光仪的方法。 2．了解测定棱镜顶角的方法。
3．用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率。 二、【实验仪器】
分光仪、钠灯、三棱镜、双面平面镜。 三、【实验原理】 （一）分光仪的结构
分光仪主要由底座、望远镜、平行光管、载物平台和刻度圆盘等几部分组成，每部分均有特定的调节螺钉，图1为JJY 型分光仪的结构外型图。
1．分光仪的底座要求平稳而坚实。在底座的中央固定着中心轴，望远镜、刻度盘和游标内盘套在中心轴上，可以绕中心轴旋转。
2．平行光管固定在底座的立柱上，它是用来产生平行光的。其一端装有消色差的汇聚透镜，另一端装有狭缝的圆筒，狭缝的宽度根据需要可在0.02～2ｍｍ范围内调节。
图1 分光仪结构示意图
望远镜：8.望远镜9.紧固螺钉 10.分
化板 11.目镜（带调焦手轮） 12.仰角螺钉 13.望远镜光轴水平螺钉14.支臂 15.转角微调 17.制动架 18.望远镜止动螺钉
载物台：5.载物台 6.载物台调平螺钉（3只） 7.载物台锁紧螺钉
圆刻度盘： 16. 读数刻度盘止动螺钉 21读数刻度盘22.游标盘 24.游标盘微调螺钉 25.游标盘止动螺钉
平行光管： 1.狭缝 2.紧固螺钉 3.平行光管 26. 平行光管光轴水平螺钉 27.仰角螺钉 28.狭缝调节
其它：4.制动架 19.底座 20.转座 23.立柱
3．望远镜安装在支臂上，支臂与转座固定在一起，套在主刻度盘上，它是用来观察目标和确定光线的传播方向。望远镜由目镜系统和物镜组成，为了调节
和测量，物镜和目镜之间还装有分划板，它们分别置于内管、外管和中管内，三个管彼此可以相对移动，也可以用螺钉固定，如图2所示，在中管的分划板下方紧贴一块450
全反射小棱镜，棱镜与分划板的粘贴部分涂成黑色，仅留一个绿色的小十字窗口，照明小灯发出的光线从小棱镜的另一直角边入射，从450
反射面反射到分划板上，透光部分在分划板上便形成一个明亮的十字窗。
4．分光仪上控制望远镜和刻度盘转动的有三套结构，正确运用它们对于测量很重要，具体如下：
1）望远镜制动和微动机构，图1中的16、14；
2）分光仪游标盘制动和微动控制机构，图1中的23、22； 3）望远镜和刻度盘的离合控制机构，图1中的15。
转动望远镜或移动游标位置时，都要先松开相应的制动螺钉；微调望远镜及游标位置时要先拧紧制动螺钉。
要改变刻度盘和望远镜的相对位置时，应先松开它们间的离合控制螺钉，调整后再拧紧。 一般是将刻度盘的00
线置于望远镜下，可以避免在测角度时，00
线通过游标引起的计算上的不方便。
5．载物平台是一个用以放置平面镜、棱镜、光栅等光学元件的圆形平台，套在游标内盘上，可以绕通过平台中心的铅直轴转动和升降。当平台和游标盘（刻度内盘）一起转动时，控制其转动的方式与望远镜一样，也是粗调和微调两种。平台下有三个调节螺钉，可以改变平台台面与铅直轴的倾斜度。
6．望远镜和载物平台的相对方位可由刻度盘上的读数确定。主刻度盘上有00
～3600
的圆刻度，分度值为30'。为了提高角度测量精密度，在内盘上相隔1800
设有两个游标，游标上有
30个分格，它和主刻度盘上29个分格相当，因此分度值为1'。读数方法与游标卡尺的游标原理相同（该处称为角游标）。记录测量数据时，为了消除刻度盘的刻度中心和仪器转动轴之间的偏心差，必须同时读取两个游标的读数。安置游标位置要考虑具体实验情况，主要注意读数方便，且尽可能在测量中刻度盘00
线不通过游标。
记录与计算角度时，左右游标分别进行，防止混淆算错角度。 （二）分光仪的调节
分光仪是在平行光中观察有关现象和测量角度，因此应达到以下三个要求：平行光管发出平行光；望远镜能接受平行光；望远镜、平行光管的光轴垂直仪器公共轴。
用分光仪进行观测时，其观测系统基本上应由以下三个平面构成，如图5-11-4所示。
光源
反射镜 物镜
全反射棱镜
分化板
目镜
筒 2
筒1
目镜视场
准线十字透光窗
图2 望远镜结构
读值平面：这是读取数据的平面，由主刻度盘和游标盘绕中心转轴旋转时形成的。对每一具体的分光仪，读值平面都是固定的，且和中心主轴垂直。
观察平面：由望远镜光轴绕仪器中心转轴旋转时所形成的。只有当望远镜光轴与转轴垂直时，观察面才是一个平面，否则，将形成一个以望远镜光轴为母线的圆锥面。
待测光路平面：由平行光管的光轴和经过待测光学元件（棱镜、光栅等）作用后，所反射、折射和衍射的光线所共同确定的。调节载物平台下方的三个调节螺钉，可以将待测光路平面调节到所需方位。
按调节要求，应将此三个平面调节成相互平行，否则，测得角度将与实际角度有些差异，即引入系统误差。 1．调节望远镜和载物平台 1）目镜调焦
这是为了使眼睛通过目镜能清楚地看到分划板上的刻线。调接方法是把目镜调焦手轮轻轻旋出，或旋进，从目镜中观看，直到分划板刻线清晰为止。 2）调节望远镜对平行光聚焦
实质是将分划板调到物镜焦平面上，调整方法如下：
a 、把目镜照明，将双面平面镜放到载物台上，为了调节方便，平面境与载物台下三个调节螺钉的相对位置如图4所示。
b 、粗调望远镜光轴与镜面垂直 目测将望远镜调成水平、载物台水平，使镜面大致与望远镜垂直。
c 、观察与调节镜面反射像 固定望远镜，转动游标盘，于是载物台跟着一起转动。转动平面
镜使其正好对着望远镜时，在目镜中应看到一个绿色十字随着镜面转动而动，这就是亮十字的反射像。如果像有些模糊，只要沿轴向移动目镜筒，直到像清晰、无视差，再旋紧螺钉，
图3 分光仪的观测系统
图4 载物台上双面镜放置的俯视图
此时望远镜已聚焦平行光。 3）调整望远镜光轴与仪器主轴垂直
当镜面与望远镜光轴垂直时，它的反射像应落在目镜分划板上与下方十字窗对称的十字线中心。平面镜绕轴转180
后，如果另一镜面的反射像也落在此处，这表明镜面平行仪器主轴。当然，此时与镜面垂直的望远镜光轴也与仪器主轴垂直。
在调整过程中出现的某些现象是何原因？调整什么？应如何调整，这是要分析清楚的。例如，是调载物台？还是调望远镜？调到什么程度？下面简述之。 1）载物台倾角没调好的表现及调整
假设望远镜光轴已垂直仪器主轴，但载物台倾角没调好，如图5所示。平面镜A 面反射光偏上，载物台转180
后，B 面反射光偏下，在目镜中看到的现象是A 面反射像在B 面反射像的上方。显然，调整方法是把B 面像（或A 面像）向上（或向下）调到两像点距离的一半，这一步要反复进行，最后使镜面A 和B 的像落在分划板上同一高度。
2）望远镜光轴没调好的表现及调整
假设载物台已调好，但望远镜光轴不垂直仪器主轴，如图5所示。在图(a)中，无论平面镜A 面还是B 面，反射光都偏上，反射像落在分划板上十
字线的上方。在图(b)中，镜面反射光都偏下，反射像都落在分划板上十字线的下方。显然，调整方法是只要调整望远镜仰角调节螺钉（12），把像调到上十字线上即可，如图（c ）。 3）载物台和望远镜光轴都没调好的表现及调整
表现是两镜面反射像一上一下。先调载物台螺钉，使两镜面反射像像点等高（但像点没落在上十字线上），然后，调整望远镜仰角调节螺钉（12），把像调到上十字线上。
图5-11-6 载物台倾角没调好的表现及调整原理
图5 望远镜光轴没调好的表现及调整原理
2．调整平行光管发出平行光并垂直仪器主轴
实质是将被照明的狭缝调到平行光管物镜焦平面上，物镜将出射平行光。
调整方法是：取下平面镜，关掉目镜照明光源，狭缝对准照明光源，使望远镜转向平行光管方向，在目镜中观察狭缝的像，沿轴向移动狭缝套筒，直到像清晰。这表明光管已发出平行光。
再将狭缝转向横向（水平），调节螺钉（25），将狭缝的像调到中心横线上，如图6所示。这表明平行光管光轴已于望远镜光轴共线，所以也垂直仪器主轴。螺钉（25）不能再动。
最后，将狭缝调成竖直，锁紧螺钉（2）。如图6（b ）所示。
(三)反射法测三棱镜顶角（又叫平行光法、分裂光束法）
平行光管射出的光束照射在三棱镜的两个光学面上。将望远镜转到一侧（如左边）的反射方向上观察，把望远镜叉丝对准狭缝像，此时读出两个窗口的方位角读数1θ与2θ；再将望远镜转到另一侧，把叉丝对准狭缝像后读出1θ'和2θ'，则三棱镜的顶角为
[])()(4
1
)(412
12
21121θθθθφφφ
'-+'-=+==∠A
四、【实验内容】
将三棱镜按图8所示的位置放置（注意：切忌用手触摸光学面）。调节螺钉1，可以改变I 面的法线方向，不改变II 面的法线方向。同理，调节螺钉2，可以改变II 面的法线方向，不改变I 面的法线方向。利用已调节好的望远镜用自准法测两个光学面的法线方向（注意：适当调节，使两个光学面反射的亮十字线重合在黑准线像的对称位置）。
图6 平行光管光轴与望远镜光轴共线
1
I
II
3 2
图8 三棱镜在小平台上的位置
五、【数据处理及误差分析】
(一)分光仪反射法测顶角误差分析
1、实验原始数据记录
2、顶角平均值
A=2θ， )(2121ααθ+=，故A=)(41
21θθ+
=
+=∑=-
5121451i A θθ60.3058°
3、 不确定度计算
1）左游标1θ，右游标2θ的A 类不确定度
根据S(-
x )
)
1()(2
--=
∑-
k k x x i
，得=)(1θA U 0.054° =)(2θA U 0.076°
2) 左游标1θ，右游标2θ的B 类不确定度
由于)(211ααθ-= )(212ββθ-=，所以△仪=△+β△α=0.058°
所以=
)(1θB U 0335
.03
)(2=?=
仪θB U °
3）左游标1θ，右游标2θ的直接测量不确定度
2
2
b a U U U +=
?=+=064
.0)(2)(2)(111θθθb a U U U ?=+=083
.0)(2)(2)(222θθθb a U U U
4）A 的间接不确定度的合成
由
∑??=
)()(
22x U x f U )(41
21θθ+=A
411=??θA 41
2=??θA
?
=+=∴026.0))(41
())(41()2221θθU U A U （
4、实验结果及误差分析
三棱镜的顶角为60.3058±0.026°
实验结果合理，产生误差的原因有：仪器方面，不一定能使望远镜与度盘在转动过程中不出现一点偏差，微小的滑动不可避免。操作方面，为了能看清纵丝，则狭缝的宽度不能太小，这样在测量时不能确保纵丝恰好与狭缝中线重合。读数方面，因为在调节分光仪过程中眼睛十分疲劳，不能肯定每一个数值的记录都准确无误。 （二）分光仪系统误差分析
1、载物台和分光计主轴不垂直时棱面法线的倾角
设三棱镜底面LMN 为等边三角形,顶角α= 60°，三条棱边和底面垂直，分光计主轴沿z 轴方向， LMN 面就可看作是载物台平面（如图1）
如果棱镜一底边位于y 轴上，三边长均为2e ，载物台和xOy 面的夹角θ< < 1，若OM= ON = e ，则L 点坐标为：xL =)2/1(32
θ+e ，yL = 0 ， zL = -3e θ
过L 点的棱线在xOy 平面内，和x 轴交于H 点：xH=
)2/1(32
θ+e ， yH = zH = 0 H 、L 和N (0 , e ,0) 三点位于棱镜的一个反射面内， 由空间解析几何知识可写出该平面的
方程,进而求出平面法线的三个方向余弦 (1/ρ, )2/1(32
θ+e /ρ,-θ/ρ)
三个方向余弦式中ρ≈2 +2
θ，法线倾角γ即它和xOy 面的夹角，其值为
2)(θ
ρθγ≈=arcSin (1)
法线倾角γ为载物台倾角的一半。若底边MN 不和主轴垂直，计算结果比较复杂。
2 、载物台倾角θ对应的顶角系统误差d αs
如图2中APQ 、BPQ 是棱镜的两个面，载物台倾角为θ时，若望远镜光轴倾角约为θ/2 仍然可能调到光轴分别穿过图2中A 、B 两点，且使光轴和两面分别垂直。这时载物台绕主轴转过的角度不是顶角α≈60°，而是图中∠AQB 。由∠POQ =θ，可以先算出∠OQA 来，其值为：∠OQA = arctan ( OA/ OQ) = arc[ tan (α/ 2) cos θ] （2）
记顶角测量的系统误差为d αs ，则有d αs = 2 ∠OQA-α (3) 考虑到θ< < 1，由上两式可得
tan 2s d α=θααθαcot )2/(tan 1)2/tan(cot )2/tan(2
+-αθsin 42
-≈
d 2
α≈ - 0. 52θ sin α≈- 0. 432θ = - 1. 72
γ
顶角的系统误差正比于载物台倾角θ的平方，或望远镜倾角γ的平方。式中负号表示测量值小于实验值α。
3 、望远镜和主轴的垂直度允许的系统误差
DG -3 型分光计自准直望远镜焦距f = 170mm ，其视场为3°22′。俯仰角机械调节范围约为
±γm ≈±0. 035rad ，±γm 对应的( d αs ) m 约为-7′。若实验中要求| d αs| 不大于游标分度值1′的1/ 3，可得θ< < 0. 015rad 或γ≤7. 5 310
3
-rad ≈0. 43°
通常用平面反射镜随载物台转180°，观察自准直望远镜中两次叉丝反射像是否和中心分划线相重合，来判断望远镜和主轴、载物台和主轴的垂直性。两像中点与标记线的间距l 和γ有关，
l = 2f tan γ≈340γ≤2. 6 (mm) (5)
望远镜视场直径D 约为10mm ,若观察到的间距l 不大于直径D 的1/ 4 ,则望远镜和主轴的不垂直不影响顶角测量的不确定度，这是一个很宽的要求。 4 、望远镜垂直主轴时的叉丝像位置允许的系统误差 设棱镜底面三角形LMN 如图3 所示，MN 位于x = 0 平面内且与y 轴成小角度β，则N 、M 的坐标分别为(0， e -e β2
/ 2， -e β) 和
(0，-e + e β2
/ 2， e β) 。过M 、N 点的棱线(或其延长线) 在y 轴上的交点k 、j 的坐
标分别为
(0，2β/ 2，0) 和(0 ，e + e 2
β / 2，0)由三点可定出面的法线方向，两个棱镜反射面
法线的方向余弦为]43-2343-2321[2
2）（），（，βββ ±
过两法线的两垂直平面和xoy 面的夹角为)]
4323/(21tan[)2121(2
βαα-=+d
由tan 23
2
=
α
得d 2
243.043)21tan(2ββαα≈≈≈d
(α+ d α) 即顶角的测量值，测量的系统误差分量为d α，由上式知，该误差分量总大于0
两法线和望远镜光轴所在的平面( z = 0 面) 的夹角分别为
β
β
φ86.023
=≈d ，望
远镜视场中叉丝像垂直方向上离中心分划线的距离为l ′= 2 d φ2f = ±292β (7) 仍取1′/ 3 为叉丝像分别在标记线上下方时，由于调节不准而造成的顶角测量系统误差分量d α的极限，根据(6)和(7) 式可得
mm
d l m 4.443.0/)(292'≈≤α (8)
望远镜的全视场直径为10mm ，可见只要两次叉丝像均在视场内，系统误差就可以忽略不计，也就是说，操作调节的要求很宽。
综上所述，分光镜操作调节的要求在测量中产生的系统误差不是很大。 六、【注意事项】
1、所有光学仪器的光学面均不能用手擦拭，应该用镜头纸轻轻揩擦。三棱镜、平面镜应妥善放置，以免损坏。
2、分光计是较精密的光学仪器，不允许在制动螺钉锁紧时强行转动望远镜或游标盘等，也不要随意拧动狭缝。
3、在读数前务必检查分光计的几个制动螺钉是否锁紧，以防读数过程中，望远镜或游标盘转动，这样取得的数据不可靠。
4、测量中应正确使用望远镜转动的微调螺丝，以便提高工作效率和测量准确度。使用微调螺钉时，应保证相应的制动螺钉在松弛状态。
5、在游标读数过程中，由于望远镜可能位于任何方位，故处理数据时，应注意望远镜转动过程中是否过了刻度零点。
6、读数时，左、右游标不要弄混。 七、【实验感想与建议】
对于理工科大学生，在大学里我们应在生活学习中参加科学研究实践，学会进行科学研究的方法，为今后参加科学研究工作打下基础尤为重要。拿我个人来说，通过对大学物理实验的学习，在老师的循循善诱，谆谆教导下，通过循序渐进的系统学习和操作训练，对物理实验的知识和思想有了冰山之一角的认识，自己从中受益匪浅。
物理学是研究物质的基本结构及物质运动的普遍规律的科学。它是一门严格的、精密的基础课学。使我们通过努力能够顺利地解决物理实验呈现的问题,考验了我们的实际动手能力和分析解决问题的综合能力,加深了我们对有关物理知识的理解.通过物理实验，,我学到了很多东西。
首先，物理实验给我提供了首脑并用的良好机会，对培养自己理论联系实际的科学作风也有特殊的功能，每次做实验前，都会提前读实验教材讲义和相关参考资料，完成预习报告，做好实验准备，经过一年半的学习，明显觉得自己的自学能力大大提高了。其次，在实验教材和老师的提示下，独立地对实验进行操作，正确观察实验现象，进行实验数据测量，发现自己的动手能力也提高了。同时，每次都会列出实验表格，记录和处理数据，绘制数据曲线，运用物理学理论对实验进行分析判断，并撰写实验报告，明显感觉到自己的分析判断能力和表达能力得到充分的锻炼。
通过这两个学期的大学物理基础实验，我觉的作为一名工科类的学生，我深知自己的实践能力仍十分欠缺，需要不断的提高，而物理实验正是一个很好的机会能够锻炼我的动手能力和思维创新能力，在学习及实验的同时我也学到了很多其他课程上没有学到的知识。这样的学习方法使得我们可以更深入的理解实验的原理，也同时拓宽了我们的思维创新能力。随着
实验的水平的提高，对我们的要求也会越来越高，这更能够促使我们进步。希望以后我们会有比较开放的实验，这样可以充分调动我们的动手能力，提高我们的实践水平。我想，大学的物理实验并不重在对实验结果测量的准确性上，而是在与在实验过程中的思考问题的能力，以及将其付诸实验的动手能力，所以我期待着新的实验，期待着自己不断的进步。
亲自做过实验后让我更明白从事科学研究必须要有严谨的科学作风，研究工作要一丝不苟，实事求是，科学实验常常要做大量的重复工作。
在现阶段，我们所接触的实验还处在基础实验和提高部分，这些是以后创新实验的坚实基础。因此，作为初学者的大学生，在试验中一定要培养自己的创新意识。
总之，我觉得我从大学物理实验这门课中学到许多。最后我感谢给我帮助的老师和同组实验同学。
分光计测量三棱镜顶角 实验报告 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】
参考报告 分光计测量三棱镜顶角 一、实验目的： 1、了解分光计的结构和各个组成部分的作用； 2、学习分光计调节的要求和调节方法； 3、测量三棱镜顶角； 二、仪器与用具： 1、分光计：（型号：JJY-Π型, '； 2、钠灯：（型号：GY-5, 3、三棱镜棱角:60o±5′（材料：重火石玻璃，nD= ）； 4、双面反射镜，变压器220V) 三、预习报告： 1、实验原理（力求简要）： （1）分光计调整 总要求：望远镜和平行光管的光轴共线并与分光计中心轴垂直。 分要求：有三个如下： 〈1〉望远镜调焦到无穷远（接收平行光）、其光轴与分光计中心轴垂直调整方法： ①对望远镜的目镜进行调焦，从望远镜中能清晰看到分划板十字准线 ②对望远镜的物镜进行调焦，用“自准直法”进行，从望远镜中能清晰看到 绿“+”字像、且无视差。 ③分别从望远镜看到从小镜两反射面反射回来的两绿“+”字反射像，均与分光板的 调 整用线（分划板上方的十字叉线）重合。
④在望远镜能接收平行光的基础上，根据反射定律，应用“各半调节法”进 行调整。 〈2〉载物台垂直仪器主轴 调整方法： 将双面镜旋转90°，同时旋转载物台90°，调节一个螺丝，分别从望远镜看到从 双面镜两反射面反射回来的两绿“+”字反射像，均与分光板的调整用线（分划板上 方的十字叉线）重合。 〈3〉平行光管出射平行光； 调整方法： 从望远镜里看到平行光管狭缝清晰像呈现在分划板上且无视差。 望远镜对准平行光管（注意：这一步及后面操作绝对不能动望远镜的仰角调节螺丝以及 物镜和目镜的焦距），从望远镜观察平行光管狭缝的像，调节平行光管透镜的焦距，使 从望远镜清晰看到狭缝的像（一条明亮的细线）呈现在分划板上为止。这时望远镜接收 到的是平行光，也就是说，平行光管出射的是平行光。 〈4〉平行光管光轴与望远镜光轴共线并与分光计中心轴垂直 调整方法： 望远镜看狭缝像与分光板竖直准线重合，狭缝像转90o后又能与中心水平准线重 合。 在上一步的基础上，调节平行光管（或望远镜）的水平摆向调节螺丝，使狭缝细线像与十字竖线重合，然后转动狭缝90o，调节平行光管的仰角螺丝， 使狭缝细线像与中心水平线重合。这时平行光管光轴与望远镜光轴共线，也 就与分光计中心轴垂直 （2）三棱镜的顶角的测量 〈1〉方法：反射法测量。 〈2〉原理：如下图所示： 一束平行光由顶角方向射入，在两光学面上分成两束反射光。测出两束反射光线之间的夹角φ，则可得到顶角A为
北京航空航天大学物理研究性实验报告 分光仪的调整及其应用 第一作者：所在院系：就读专业：第二作者：所在院系：就读专业：
目录 目录 一.报告简介 (1) 二.实验原理 (1) 实验一.分光仪的调整 (1) 实验二.三棱镜顶角的测量 (3) 实验三.最小偏向角法测棱镜折射率 (1) 二．实验仪器 (1) 三.实验主要步骤 (2) 实验1.分光仪的调整 (2) 1.调整方法 (2) 2.要求 (4) 实验2.三棱镜顶角的测量 (4) 1.调整要求 (4) 2.实验操作 (5) 实验3.棱镜折射率的测定（最小偏向角法） (6) 四.实验数据记录 (6) 五.数据处理 (7) 实验2.反射法测三棱镜顶角 (7) 实验3.最小偏向角法测棱镜折射率 (7) 六.误差分析 (8) 七.分析总结 (8) 八.实验改进 (9) 九.实验感想 (10) 十.参考文献及图片附件： (11)
一.报告简介 本报告以分光仪的调整、三棱镜顶角和其折射率的测量为主要内容，先介绍了实验的基本原理与过程，而后进行了数据处理与不确定度计算。并以实验数据对误差的来源进行了分析。同时还给出了调节分光仪的经验总结与方法，并对现有实验仪器和试验方法提出了改进的意见。 二.实验原理 实验一.分光仪的调整 分光仪的结构因型号不同各有差别，但基本原理是相同的，一般都由底座、刻度读数盘、自准直望远镜、平行光管、载物平台5部分组成。 1-狭缝套筒；2-狭缝套筒紧固螺钉；3-平行光管；4-制动架；5-载物台；6-载物台调平螺钉；7-载物台锁紧螺钉；8-望远镜；9-望远镜锁紧螺钉；10-阿贝式自准直目镜；11-目镜；12-仰角螺钉；13-望远镜光轴水平螺钉；14-支臂；15-望远镜转角微调螺钉；16-读数刻度盘止动螺钉；17-制动架；18-望远镜止动螺钉；19底座；20-转座；21-
物理实验报告《分光计的调整和三棱镜顶角的测定》 【实验目的】 1．了解分光计的结构，学习分光计的调节和使用方法； 2．利用分光计测定三棱镜的顶角； 【实验仪器】 分光计，双面平面反射镜，玻璃三棱镜。 【实验原理】 如图6所示，设要测三棱镜AB面和AC面所夹的顶角a，只需求出j即可，则a＝1800－j。 图6 测三棱镜顶角 【实验内容与步骤】 一、分光计的调整 （一）调整要求： 1．望远镜聚焦平行光，且其光轴与分光计中心轴垂直。 2．载物台平面与分光计中心轴垂直。 （二）望远镜调节 1．目镜调焦 目镜调焦的目的是使眼睛通过目镜能很清楚地看到目镜中分划板上的刻线和叉丝，调焦办法：接通仪器电源，把目镜调焦手轮12旋出，然后一边旋进一边从目镜中观察，直到
分划板刻线成像清晰，再慢慢地旋出手轮，至目镜中刻线的清晰度将被破坏而未被破坏时为止。旋转目镜装置11，使分划板刻线水平或垂直。 2．望远镜调焦 望远镜调焦的目的是将分划板上十字叉丝调整到焦平面上，也就是望远镜对无穷远聚焦。其方法如下：将双面反射镜紧贴望远镜镜筒，从目镜中观察，找到从双面反射镜反射回来的光斑，前后移动目镜装置11，对望远镜调焦，使绿十字叉丝成像清晰。往复移动目镜装置，使绿十字叉丝像与分划板上十字刻度线无视差，最后锁紧目镜装置锁紧螺丝10 . （三）调节望远镜光轴垂直于分光计中心轴（各调一半法） 调节如图7所示的载物台调平螺丝b和c以及望远镜光轴仰角调节螺丝13，使分别从双面反射镜的两个面反射的绿十字叉丝像皆与分划板上方的十字刻度线重合，如图8（a）所示。此时望远镜光轴就垂直于分光计中心轴了。具体调节方法如下： （1）将双面反射镜放在载物台上，使镜面处于任意两个载物台调平螺丝间连线的中垂面，如图7所示。 图7 用平面镜调整分光计 （2）目测粗调。用目测法调节载物台调平螺丝7及望远镜、平行光管光轴仰角调节螺丝13、29，使载物台平面及望远镜、平行光管光轴与分光计中心轴大致垂直。 由于望远镜视野很小，观察的范围有限，要从望远镜中观察到由双面反射镜反射的光线，应首先保证该反射光线能进入望远镜。因此，应先在望远镜外找到该反射光线。转动载物台，使望远镜光轴与双面反射镜的法线成一小角度，眼睛在望远镜外侧旁观察双面反射镜，找到由双面反射镜反射的绿十字叉丝像，并调节望远镜光轴仰角调节螺丝13及载物台调平螺丝b和c，使得从双面反射镜的两个镜面反射的绿十字叉丝像的位置应与望远镜处于同一水平状态。 （3）从望远镜中观察。转动载物台，使双面反射镜反射的光线进入望远镜内。此时在望远镜内出现清晰的绿十字叉丝像，但该像一般不在图8（a）所示的准确位置，而与分划板上方的十字刻度线有一定的高度差，如图8（b）所示。调节望远镜光轴仰角调节螺丝
分光计调节及三棱镜顶角测量数据处理范例 1、 表1、实验数据记录表 次序 1? ' 1? 2? ' 2? 1 279°5’ 99°6’ 399°12’ 219°9’ 2 279°5’ 99°5’ 399°12’ 219°8’ 3 279°6’ 99°7’ 399°12’ 219°7’ 4 279°6’ 99°6’ 399°12’ 219°8’ 5 279°6’ 99°6’ 399°12’ 219°8’ 6 279°5’ 99°6’ 399°10’ 219°8’ 7 279°6’ 99°6’ 399°11’ 219°8’ 8 279°4’ 99°4’ 399°11’ 219°9’ 注：极限误差0.017m ?=? 2、实验数据处理 A 、对1?进行数据处理: 根据肖维涅准则，对以 1 ? 测量量进行检查，无坏值出现。 8 111 1 279.098 i i ??== =? ∑ 10.0044S ?= =? vp t =1.08 10.0047 A vp u t S ?== 0.0098 B u = = 10.011u ==? B 、对 1' ?进行数据处理: 根据肖维涅准则，对以1' ?测量量进行检查, 发现第8组数据为坏值,剔除其值后无再 发现其它坏值。 7 111 1 '99.107 i i ??== =? ∑ 1'0.0037S ?= =? vp t =1.09 1 '0.0040 A vp u t S ?== 0.0098 B u = = 1'0.010u ==?
C 、对2?进行数据处理: 根据肖维涅准则，对以2?测量量进行检查，发现第6组数据为坏值,剔除其值后无再发现其它坏值。 7 221 1 399.207 i i ??== =? ∑ 20.0031S ?= =? vp t =1.09 20.0034 A vp u t S ?== 0.0098 B u = = 20.010u ==? D 、对2'?进行数据处理: 根据肖维涅准则，对以2'?测量量进行检查,无坏值出现。 8 221 1 '219.148 i i ??== =? ∑ 2'0.0038S ?= =? vp t =1.08 2 '0.0041A vp u t S ?== 0.0098 B u = = 2'0.010u ==? 总结： 顶角平均值： ' ' 12121[]60.044 A ????= -+-=? 不确定度： 0.01k A u = ≈? 三棱镜顶角： 60.040.01A =?±? (p=0.683) 相对不确定度： 0.0160.04A E ? = ?=0.017% 3、讨论： A 、谈谈你对本实验的理解。 B 、为什么三棱镜的顶点应放在靠近载物台中心？（选作） C 、证明 2? = A ？（选作） 答：（略） 注：数据处理软件里的“实验项目->分光计”可以把分自动转化为度
实验三UC-OS移植实验 一、实验目的 在内核移植了uCOS-II 的处理器上创建任务。 二、实验内容 1．运行实验十，在超级终端上观察四个任务的切换。 2. 任务1~3，每个控制“红”、“绿”、“蓝”一种颜色的显示，适当增加OSTimeDly()的时间，且优先级高的任务延时时间加长，以便看清三种颜色。 3.引入一个全局变量BOOLEAN ac_key，解决完整刷屏问题。 4. #define rUTRSTAT0 (*(volatile unsigned *)0x50000010) #define RdURXH0（）(*(volatile unsigned char *)0x50000024) 当键盘有输入时在超级终端上显示相应的字符。 三、实验设备 硬件：ARM嵌入式开发平台、用于ARM920T的JTAG仿真器、PC机Pentium100以上。 软件：PC机操作系统Win2000或WinXP、ARM ADS1.2集成开发环境、仿真器驱动程序、超级终端通讯程序。 四、实验原理 所谓移植，指的是一个操作系统可以在某个微处理器或者微控制器上运行。虽然uCOS-II的大部分源代码是用C语言写成的，仍需要用C语言和汇编语言完成一些与处理器相关的代码。比如:uCOS-II在读写处理器、寄存器时只能通过汇编语言来实现。因为uCOS-II在设计的时候就己经充分考虑了可移植性，所以，uCOS-II的移植还是比较容易的。 要使uCOS一工工可以正常工作，处理器必须满足以下要求: 1）处理器的C编译器能产生可重入代码。 2）在程序中可以打开或者关闭中断。 3）处理器支持中断，并A能产生定时中断(通常在10Hz}1000Hz之间)。 4）处理器支持能够容纳一定量数据的硬件堆栈。 5）处理器有将堆栈指针和其它CPU寄存器存储和读出到堆栈(或者内存)的指
实验练习一 用分光计测三棱镜的顶角 【实验目的】 1、了解分光计的结构及其基本原理； 2、学习分光计的调节方法； 3、用自准直法或反射法测三棱镜的顶角。 【实验仪器】JJY 型分光计，汞灯或钠灯，平面反射镜，三棱镜 【实验原理】 玻璃三棱镜是光学基本元件如图1-1所示。AB 和AC 是两个透光的光学表面，称为“折射面”，其夹角a 称为三棱镜的顶角；BC 面一般为毛玻璃面，称为“三棱镜的底面”。 C B 图11-1-1 玻璃三棱镜 图11-1-2 自准直法测三棱镜顶角 1、自准直法测量三棱镜的顶角 图1-2所示为自准直法测量三棱镜顶角的示意图。将三棱镜放到分光计载物台上，三棱镜放置方法如图1-3（a ）所示。望远镜照明小灯发出的光线垂直入射于三棱镜AB 面而沿原路反射回来，记下此时光线入射方位1T (）、21θθ两角度值；然后转动望远镜使光线垂直入射于AC 面，记下沿原路反射回来的方位2T (43θθ、)两角度值，则望远镜转角?，三棱镜顶角a 分别为 ()21314212T T ?θθθθ=-= -+- ()0314211802a θθθθ=--+-（11-1-1） A C B C A ? 1T (21θθ、) a b B ）、212(θθT
图 11-1-3（a ） 图 11-1-3（b ） 2、反射法测三棱镜的顶角 将三棱镜放置在载物台上并离平行光管远些，转动载物台，使三棱镜顶角对准平行光管，让平行光管射出的光束照在三棱镜两个折射面上（见图1-4（b ））。将望远镜转至I 处观测反射光，调节望远镜微调螺丝使望远镜竖直叉丝对准狭缝像中心线。再分别从两个游标（设左游标为A ，右游标为B ）读出反射光的方位角21θθ、；然后将望远镜转至Ⅱ处观测反射光，相同方法读出反射光的方位角43θθ、。由图1-4(a)光路图可以证明得到： 21∠+∠+∠=A ? 21∠+∠=∠A ?21==∠a A 图11-1-4（a ） 反射法光路图 ()3142124 a ? θθθθ==-+- （11-1-2） 【实验内容及要求】 1、分光计的调节 1）目测粗调（调节内容见前述）；2）调望远镜的焦距（调节方法见前述）； 3）调节望远镜光轴和载物台平面与分光计中心轴相垂直（调节方法见前述）； 4）调整平行光管，使之能发出平行光，并使其光轴与分光计中心轴相垂直（调节方法见前述）。 2、用自准直法测三棱镜的顶角 1）点亮望远镜照明灯并正对三棱镜AC 反射面，使反射小十字像与望远镜分划板上十字叉丝重合，若偏高或偏低，可调载物台下螺钉b,再使望远镜正对三棱镜AB 反射面，若反射小十字像偏高或偏低，只调载物台下螺钉c ，使小十字像与分划板上十字叉丝重合。 A ?1 1 2 2 入射光线 反射光线 反射光线 c B C 图11-1-4（b ）反射法测棱镜顶
实验名称： 用分光镜测三棱镜顶角 一、实验目的 采用自准法测量三棱镜的顶角。 二、实验器材 1、分光计 （1）望远镜（2）载物台（3）平行光管（4）读数装置（5）底座 2、双面反射镜 3、三棱镜 三、实验原理 图1是自准法测量三棱镜 顶角的示意图，图中所示三 棱镜是横截面为等边三角形 的柱体。AB和AC是透光的 光学表面，又称折射面，其
夹角A 称为三棱角的顶角；BC 为毛玻璃面，称为三棱角的底面。 实验中利用望远镜自身产生平行光，固定载物台（或固定望远镜），转动望远镜光轴（或转动载物台），先使棱镜AB 面反射的十字像落在分划板上双十字叉丝上部的交点上（即望远镜光轴与三棱镜AB 垂直），记下刻度盘对称游标的方位角读数I I ??'和。然后再转动望远镜（或载物台）使AC 面反射的十字像与双十字叉丝的上交点重合（即望远镜光轴与AC 面垂直），记下读数 ??II II '和（注意?I 与?II 分别为同一游标窗口上读得的望远镜在位置I 和位置II 的方位角，而和则为另一游标窗口上读得的方位角），两次读数相减即得顶角A 的补角?。 ()()() 121122???????II I II I ? ?''= +=-+-? ??? 则三棱镜的顶角 ()() 1 1801802A ?????II I II I ??''=-=--+-? ???o o 四、 实验步骤 （一）分光计的调节 为了精确测量角度，必须使待测角平面平行于读数盘平面，所以测量前须对分光计进行调节。调节分光计的要求是： （1） 平行光管出射平行光； （2） 望远镜接收平行光（即望远镜聚焦于无穷远）； （3） 经过光学元件的光线构成的平面应与仪器的中心转轴垂直，即平行光管和 望远镜的光轴与分光计的中心转轴垂直，载物台中轴线与中心转轴重合。 调节前，应对照实物和图1的结构熟悉仪器，了解各个调节螺钉的作用。调节时要先粗调再细调。 1、目测粗调 根据眼睛的粗略估计，调节望远镜和平行光管上的高低调节螺钉14和29，使它们的光轴大致与中心转轴垂直；调节载物台下的三个水平调节螺钉，使其大致
光电子技术实验报告
实验五光电池特性实验 一．实验目的： 1．学习掌握硅光电池的工作原理。 2．学习掌握硅光电池的基本特性。 3．掌握硅光电池基本特性测试方法。 二．实验原理： 光电池是一种不需要加偏置电压就能把光能直接转换成电能的ＰＮ结光电器件，按光电池的功用可将其分为两大类：即太阳能光电池和测量光电池，本仪器用的是测量用的硅光电池，其主要功能是作为光电探测，即在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号。 图（20）图（21）如图（20）所示为2DR型硅光电池的结构，它是以P型硅为衬底（即在本征型硅材料中掺入三价元素硼或镓等），然后在衬底上扩散磷而形成N型层并将其作为受光面。如图（21）所示当光作用于PN结时，耗尽区内的光生电子与空穴在内建电场力的作用下分别向N区和P区运动，在闭合电路中将产生输出电流IL,且负载电阻RL上产生电压降为U。显然，PN结获得的偏置电压U与光电池输出电流IL与负载电阻RL有关，即U=IL?RL，当以输出电流的IL为电流和电压的正方向时，可以得到如图（22）所示的伏安特性曲线。
图（22）图（23）光电池在不同的光强照射下可以产生不同的光电流和光生电动势，硅光电池的光照特性曲线如图（23）所示，短路电流在很大范围内与光强成线性关系，开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时就趋于饱和，因此，把光电池作为测量元件时，应把它当作电流源来使用，不宜用作电压源。 硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线如图（25）所示，不同的光电池其光谱峰值的位置不同，硅光电池的在800nm附近，硒光电池的在540nm附近，硅光电池的光谱范围很广，在450～1100nm之间，硒光电池的光谱范围为340～750nm。 图（24）图（25）光电池的温度特性主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况，由于它关系到应用光电池设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等主要指标，光电池的温度特性如图（24）所示。开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加，因此，当使用光电池作为测量元件时，在系统设计中应考虑到温度的漂移，并采取相应的措施进行补偿。 三．实验所需部件： 两种光电池、各类光源、实验选配单元、数字电压表(4 1/2位)自备、微安表（毫安表）、激光器、照度计（用户选配）。
分光计的调整与三棱镜顶角的测量示范报告 【实验目的】 1、了解分光计的结构和各个组成部分的作用； 2、学习分光计调节的要求和调节方法； 3、测量三棱镜顶角 【实验仪器】 1、分光计：（型号：JJY-n型），最小刻度1'； 2、钠灯：（型号：GY-5）； 3、三棱镜棱角：60o ±5'（材料：重火石玻璃，nD = 1.6475 ）; 4、双面反射镜，变压器（6.3V/220V） 【实验原理】 （ 1 ）分光计调整 总要求：望远镜和平行光管的光轴共线并与分光计中心轴垂直。分要求：有三个如下： 〈1〉望远镜调焦到无穷远（接收平行光）、其光轴与分光计中心轴垂直调整方法： ①对望远镜的目镜进行调焦，从望远镜中能清晰看到分划板十字准线 ②对望远镜的物镜进行调焦，用“自准直法”进行，从望远镜中能清晰看到绿“ +”字像、且无视差。 ③分别从望远镜看到从小镜两反射面反射回来的两绿“ +”字反射像，均与分光板的调整用线（分划板上方的十字叉线）重合。 ④在望远镜能接收平行光的基础上，根据反射定律，应用“各半调节
法”进行调整。 〈2〉载物台垂直仪器主轴 调整方法： 将双面镜旋转90°，同时旋转载物台90°，调节一个螺丝，分别从望远镜看 到从双面镜两反射面反射回来的两绿“ +”字反射像，均与分光板的调整用线（分 划板上方的十字叉线）重合。 〈3〉平行光管出射平行光； 调整方法：从望远镜里看到平行光管狭缝清晰像呈现在分划板上且无视差。望远镜对准平行光管（注意：这一步及后面操作绝对不能动望远镜的仰角调节螺丝以及物镜和目镜的焦距），从望远镜观察平行光管狭缝的像，调节平行光管透镜的焦距，使从望远镜清晰看到狭缝的像（一条明亮的细线）呈现在分划板上为止。这时望远镜接收到的是平行光，也就是说，平行光管出射的是平行光。 〈4〉平行光管光轴与望远镜光轴共线并与分光计中心轴垂直调整方法： 望远镜看狭缝像与分光板竖直准线重合，狭缝像转90o 后又能与中心水平准线重合。 在上一步的基础上，调节平行光管（或望远镜）的水平摆向调节螺丝，使狭缝细线像与十字竖线重合，然后转动狭缝90o,调节平行光管的仰
数字图像处理实验报告 实验二图像变换实验 1．实验目的 学会对图像进行傅立叶等变换，在频谱上对图像进行分析，增进对图像频域上的感性认识，并用图像变换进行压缩。 2．实验内容 对Lena或cameraman图像进行傅立叶、离散余弦、哈达玛变换。在频域，对比他们的变换后系数矩阵的频谱情况，进一步，通过逆变换观察不同变换下的图像重建质量情况。 3. 实验要求 实验采用获取的图像，为灰度图像，该图像每象素由8比特表示。具体要求如下： （1）输入图像采用实验1所获取的图像（Lena、Cameraman）； （2）对图像进行傅立叶变换、获得变换后的系数矩阵； （3）将傅立叶变换后系数矩阵的频谱用图像输出，观察频谱； （4）通过设定门限，将系数矩阵中95%的（小值）系数置为0，对图像进行反变换，获得逆变换后图像； （5）观察逆变换后图像质量，并比较原始图像与逆变后的峰值信噪比（PSNR）。 （6）对输入图像进行离散余弦、哈达玛变换，重复步骤1-5； （7）比较三种变换的频谱情况、以及逆变换后图像的质量（PSNR）。 4. 实验结果 1. DFT的源程序及结果 J=imread('10021033.bmp'); P=fft2(J); for i=0:size(P,1)-1 for j=1:size(P,2) G(i*size(P,2)+j)=P(i+1,j); end end Q=sort(G); for i=1:size(Q,2) if (i 北航物理研究性实验报告 专题：模拟示波器的使用及其应用 学号：10151192 班级：101517 姓名：王波 目录 目录 (2) 摘要 (3) 一．实验目的 (3) 二．实验原理 (3) 1.模拟示波器简介 (3) 2.示波器的应用 (6) 三．实验仪器 (6) 四．实验步骤 (7) 1.模拟示波器的使用 (7) 2.声速测量 (8) 五．数据记录与处理 (8) 六．讨论 (10) 摘要 示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器，它能直观、动态地显示电压信号随时间变化的波形，便于人们研究各种电现象的变化过程，并可直接测量信号的幅度、频率以及信号之间相位关系等各种参数。示波器是观察电路实验现象、分析实验中的问题、测量实验结果的重要仪器，也是调试、检验、修理和制作各种电子仪表、设备时不可或缺的工具。 一．实验目的 1.了解示波器的主要结构和波形显示及参数测量的基本原理，掌握 示波器、信号发生器的使用方法； 2.学习用示波器观察波形以及测量电压、周期和频率的方法； 3.学会用连续波方法测量空气速度，加深对共振、相位等概念的理 解； 4.用示波器研究电信号谐振频率、二极管的伏安特性曲线、同轴电 缆中电信号传播速度等测量方法。 二．实验原理 1.模拟示波器简介 模拟示波器是利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观测的交变电信号转换成图像并显示在荧光屏上以便测量和分析的电子仪器。它主要由阴极射线示波管，扫描、触发系统，放大系统，电源系统四部分组成。 示波管结构图 （1）工作原理 模拟示波器的基本工作原理是：被测信号经Y轴衰减后送至Y1放大器，经延迟级后到Y2放大器，信号放大后加到示波管的Y轴偏转板上。 若Y轴所加信号为图所示的正弦信号，X输入开关S切换到“外”输入，且X轴没有输入信号，则光点在荧光屏竖直方向上按正弦规律上下运动，随着Y轴方向信号的提高，由于视觉暂留，在荧光屏上显示一条竖直扫描线。同理，如在X轴所加信号为锯齿波信号，且Y轴没有输入信号，则光点在荧光屏上显示一条水平直线。 介绍三种测三棱镜顶角 的方法 -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1 2介绍三种测三棱镜顶角的方法 要想用这三种方法准确的测出三棱镜的顶角，实验中必须让分光计达到以下三点要求：⑴望远镜达到自准。⑵望远镜、平行光管的光轴与分光计的中心轴达到垂直。1⑶三棱镜的反射面与分光计的中心轴平行。 自准法 采用自准法测量的前提条件是：用双面反射镜将望远镜调节达到自准；调节待测三棱镜使其达到自准，在调节三棱镜时不能再调节望远镜，因为望远镜已经达到自准此时再调节它就会破坏它的自准条件。此时可以开始测量棱镜的顶角。 （a） (b) 图1 图2光路图 测三棱镜顶角A的步骤：图2是自准法测量时的光路。①给刻度盘上的两个游标标上记号1和2，合上小灯开关，使望远镜目镜中的叉丝被灯光照亮。②将三棱镜如图1（a）所示放在载物台上，锁紧望远镜支架与刻度盘联接螺丝及 C b a c 载物台锁紧螺丝，慢慢旋转内游标带着载物台一起，使三棱镜的AB 面与由望远镜射出的光线垂直，2此时从目镜里观察到的绿色“十”字像位于调整叉丝中心C 位置[如图1（b ）所示]。然后在刻度盘上分别读出游标1的度数1?和游标2的度数2?，并记录在表1中。③继续旋转载物台，直至AC 面与由望远镜射出的光线垂直，这时从目镜里观察到的绿色“十”字像同样位于调整叉丝的中心位置C 处。分别记下游标1和2的读数'1?和'2?，并记录在表1中。为了消除偏心差棱镜的AB 面和AC 面的法线的夹角 ()()11221''2?????=-+-???? 如果','2211????<<，则取它们差的绝对值。如果游标在转动的过程中经过零点，则该游标的度数应加上?360。例如游标2在三棱镜由AB 面转到AC 使AC 面对准望远镜的过程中经过了零点，则'2?的度数加上?360。由几何关系的望远镜的顶角： ()()11221180180''2A α?????∠=∠=-=--+-???? ⑴ 这样测量5组数据，把数据填到表1里，再计算出每组三棱镜顶角A 的值，最后计算A 的加权平均值。 反射法 用反射 法测量的前提条件是：调节平行光管的狭缝宽度使它发射出来的光是平行的，并且经三棱镜反射面反射后在望远镜目镜里的狭缝的像是清晰的。 反射法实验步骤：①接通汞灯光源，转动望远镜使其与平行光管构成一个θ角，θ角小于?90。此时将望远镜固定不动，且保持两者的位置不变。②移动载物台，带着刻度盘一起转，使狭缝射出的光经过AB 面反射后反射光线能够进入望远镜，此时从目镜里观察到的经过AB 面反射过来的狭缝的像应与望远镜的十字线的竖直线无视差。从度盘上读出两个游标1的度数1?和游标2的度数2?，并记录在表2中。这两个度数表示AB 光学面法线1n 的位置。③继续旋转载物台，使由狭缝射出的光经过AC 面反射后反射光线能够进入望远镜，并 基于运动规划的惯性导航系统动态实验 GAGGAGAGGAFFFFAFAF 二零一三年六月十日 实验4.1 惯性导航系统运动轨迹规划与设计实验一、实验目的 为进行动态下简化惯性导航算法的实验研究，进行路径和运动状态规划，以验证不同运动状态下惯导系统的性能。通过实验掌握步进电机控制方法，并产生不同运动路径和运动状态。 二、实验内容 学习利用6045B 控制板对步进电机进行控制的方法，并控制电机使运动滑轨产生定长运动和不同加速度下的定长运动。 三、实验系统组成 USB_PCL6045B 控制板（评估板）、运动滑轨和控制计算机组成。 四、实验原理 IMU安装误差系数的计算方法 GAGGAGAGGAFFFFAFAF USB_PCL6045B 控制板采用了USB 串行总线接口通信方式，不必拆卸计算机箱就可以在台式机或笔记本电脑上进行运动控制芯片PCL6045B 的学习和评估。 USB_PCL6045B 评估板采用USB 串行总线方式实现评估板同计算机的数据交换，由评估板的FIFO 控制回路完成步进电机以及伺服电机的高速脉冲控制，任意 2 轴的圆弧插补，2-4 轴的直线插补等运动控制功能。USB_PCL6045B 评估板上配置了全部PCL6045B 芯片的外部信号接口和增量编码器信号输入接口。由 USB_PCL6045B 评估测试软件可以进行PCL6045B 芯片的主要功能的评估测试。 GAGGAGAGGAFFFFAFAF 图4-1-1USB_PCL6045B 评估板原理框图如图4-1-1 所示，CN11 接口主要用于外部电源连接，可以选择DC5V 单一电源或DC5V/24V 电源。CN12 接口是USB 信号接口，用于USB_PCL6045B 评估板同计算机的数据交换。 USB_PCL6045B 评估板已经完成对PCL6045B 芯片的底层程序开发和硬件资源与端口的驱动，并封装成156 个API 接口函数。用户可直接在VC 环境下利用API 接口函数进行编程。 五、实验内容 GAGGAGAGGAFFFFAFAF 2介绍三种测三棱镜顶角的方法 要想用这三种方法准确的测出三棱镜的顶角，实验中必须让分光计达到以下三点要求：⑴望远镜达到自准。⑵望远镜、平行光管的光轴与分光计的中心轴达到垂直。1⑶三棱镜的反射面与分光计的中心轴平行。 自准法 采用自准法测量的前提条件是：用双面反射镜将望远镜调节达到自准；调节待测三棱镜使其达到自准，在调节三棱镜时不能再调节望远镜，因为望远镜已经达到自准此时再调节它就会破坏它的自准条件。此时可以开始测量棱镜的顶角。 （a） (b) 图1 图2光路图 测三棱镜顶角A的步骤：图2是自准法测量时的光路。①给刻度盘上的两个游标标上记号1和2，合上小灯开关，使望远镜目镜中的叉丝被灯光照亮。②将三棱镜如图1（a）所示放在载物台上，锁紧望远镜支架与刻度盘联接螺丝及载物台锁紧螺丝，慢慢旋转内游标带着载物台一起，使三棱镜的AB面与由望远镜 1江兴方.大学物理实验[M].科学出版社，—183. C b a c 射出的光线垂直，2此时从目镜里观察到的绿色“十”字像位于调整叉丝中心C 位置[如图1（b ）所示]。然后在刻度盘上分别读出游标1的度数1?和游标2的度数2?，并记录在表1中。③继续旋转载物台，直至AC 面与由望远镜射出的光线垂直，这时从目镜里观察到的绿色“十”字像同样位于调整叉丝的中心位置C 处。分别记下游标1和2的读数'1?和'2?，并记录在表1中。为了消除偏心差棱 镜的AB 面和AC 面的法线的夹角 ()()11221''2?????=-+-???? 如果','2211????<<，则取它们差的绝对值。如果游标在转动的过程中经过零点，则该游标的度数应加上?360。例如游标2在三棱镜由AB 面转到AC 使AC 面对准望远镜的过程中经过了零点，则'2?的度数加上?360。由几何关系的望远镜的顶角： ()()11221180180''2A α?????∠=∠=-=--+-???? ⑴ 这样测量5组数据，把数据填到表1里，再计算出每组三棱镜顶角A 的值，最后计算A 的加权平均值。 反射法 用反射 法测量的前提条件是：调节平行光管的狭缝宽度使它发射出来的光 是平行的，并且经三棱镜反射面反射后在望远镜目镜里的狭缝的像是清晰的。 反射法实验步骤：①接通汞灯光源，转动望远镜使其与平行光管构成一个θ角，θ角小于?90。此时将望远镜固定不动，且保持两者的位置不变。②移动载物台，带着刻度盘一起转，使狭缝射出的光经过AB 面反射后反射光线能够进入望远镜，此时从目镜里观察到的经过AB 面反射过来的狭缝的像应与望远镜的十字线的竖直线无视差。从度盘上读出两个游标1的度数1?和游标2的度数2?，并记录在表2中。这两个度数表示AB 光学面法线1n 的位置。③继续旋转载物台，使由狭缝射出的光经过AC 面反射后反射光线能够进入望远镜，并且从目镜里观察到狭缝的像应与望远镜的十字线的竖直线无视差。从度盘上读出两游标1和2对应的度数'1?和'2?，并记录在表2中。此度数表示AC 面法线 2n 的位置。 2江兴方.大学物理实验[M].科学出版社，—183. 目录 实验一 (2) 实验二 (8) 实验三 (14) 实验四 (27) 实验一 实验目的：熟悉硬件开发流程，掌握Modelsim设计与仿真环境，学会简单组合逻辑电路、简单时序逻辑电路设计，不要求掌握综合和综合后仿真。 实验内容：必做实验：练习一、简单的组合逻辑设计 练习二、简单分频时序逻辑电路的设计 选做实验：选做一、练习一的练习题 选做二、7段数码管译码电路 练习一、简单的组合逻辑设计 描述一个可综合的数据比较器，比较数据a 、b的大小，若相同，则给出结果1，否则给出结果0。 实验代码： 模块源代码： module compare(equal,a,b); input a,b; output equal; assign equal=(a==b)?1:0; endmodule 测试模块源代码： `timescale 1ns/1ns `include "./compare.v" module t; reg a,b; wire equal; initial begin a=0; b=0; #100 a=0;b=1; #100 a=1;b=1; #100 a=1;b=0; #100 a=0;b=0; #100 $stop; end compare m(.equal(equal),.a(a),.b(b)); endmodule 实验波形 练习二、简单分频时序逻辑电路的设计 用always块和@(posedge clk)或@(negedge clk)的结构表述一个1/2分频器的可综合模型，观察时序仿真结果。 实验代码： 模块源代码： module halfclk(reset,clkin,clkout); input clkin,reset; output clkout; reg clkout; always@(posedge clkin) begin if(!reset) clkout=0; else clkout=~clkout; end endmodule 测试模块源代码： `timescale 1ns/100ps `define clkcycle 50 module tt; reg clkin,reset; wire clkout; always#`clkcycle clkin=~clkin; initial begin clkin=0; reset=1; #10 reset=0; #110 reset=1; #100000 $stop; end halfclk m0(.reset(reset),.clkin(clkin),.clkout(clkout)); endmodule 实 验一 陀螺仪关键参数测试与分析实验 加速度计关键参数测试与分析实验 二零一三年五月十二日 实验一陀螺仪关键参数测试与分析实验 一、实验目得 通过在速率转台上得测试实验,增强动手能力与对惯性测试设备得感性认识；通过对陀螺仪测试数据得分析,对陀螺漂移等参数得物理意义有清晰得认识,同时为在实际工程中应用陀螺仪与对陀螺仪进行误差建模与补偿奠定基础。 二、实验内容 利用单轴速率转台,进行陀螺仪标度因数测试、零偏测试、零偏重复性测试、零漂测试实验与陀螺仪标度因数与零偏建模、误差补偿实验。 三、实验系统组成 单轴速率转台、MEMS 陀螺仪(或光纤陀螺仪)、稳压电源、数据采集系统与分析系统。 四、实验原理 1.陀螺仪原理 陀螺仪就是角速率传感器,用来测量载体相对惯性空间得角速度，通常输出与角速率对应得电压信号。也有得陀螺输出频率信号(如激光陀螺）与数字信号（把模拟电压数字化)。以电压表示得陀螺输出信号可表示为: (1-1）式中就是与比力有关得陀螺输出误差项，反映了陀螺输出受比力得影响,本实验不考虑此项误差。因此，式（１－１）简化为 (１-2）由（１－2）式得陀螺输出值所对应得角速度测量值: (1－3) 对于数字输出得陀螺仪,传感器内部已经利用标度因数对陀螺仪模拟输出进行了量化,直接输出角速度值,即： （１－4）就是就是陀螺仪得零偏，物理意义就是输入角速度为零时，陀螺仪输出值所对应得角速度。且 (１-5) 精度受陀螺仪标度因数、随机漂移、陀螺输出信号得检测精度与得影响。通常与表现为有规律性,可通过建模与补偿方法消除,表现为随机特性,可通过信号滤波方法抵制。因此，准确标定与就是实现角速度准确测量得基础。 五、陀螺仪测试实验步骤 1)标度因数与零偏测试实验 ａ、接通电源，预热一定时间; b、陀螺工作稳定后，测量静止情况下陀螺输出并保存数据; 参考报告 分光计测量三棱镜顶角 一、实验目的： 1、了解分光计的结构和各个组成部分的作用； 2、学习分光计调节的要求和调节方法； 3、测量三棱镜顶角； 二、仪器与用具： 1、分光计：（型号：JJY-Π型, 编号：99056400），最小刻度1'； 2、钠灯：（型号：GY-5, 编号：20020072）； 3、三棱镜棱角:60o±5′（材料：重火石玻璃，nD= 1.6475）； 4、双面反射镜，变压器(6.3V/220V) 三、预习报告： 1、实验原理（力求简要）： （1）分光计调整 总要求：望远镜和平行光管的光轴共线并与分光计中心轴垂直。 分要求：有三个如下： 〈1〉望远镜调焦到无穷远（接收平行光）、其光轴与分光计中心轴垂直 调整方法： ①对望远镜的目镜进行调焦，从望远镜中能清晰看到分划板十字准线 ②对望远镜的物镜进行调焦，用“自准直法”进行，从望远镜中能清晰看到绿“+”字像、 且无视差。 ③分别从望远镜看到从小镜两反射面反射回来的两绿“+”字反射像，均与分光板的调 整用线（分划板上方的十字叉线）重合。 ④在望远镜能接收平行光的基础上，根据反射定律，应用“各半调节法”进行调整。 〈2〉载物台垂直仪器主轴 调整方法： 将双面镜旋转90°，同时旋转载物台90°，调节一个螺丝，分别从望远镜看到从双面镜两反射面反射回来的两绿“+”字反射像，均与分光板的调整用线（分划板上方的 十字叉线）重合。 〈3〉平行光管出射平行光； 调整方法： 从望远镜里看到平行光管狭缝清晰像呈现在分划板上且无视差。 望远镜对准平行光管（注意：这一步及后面操作绝对不能动望远镜的仰角调节螺丝以及物镜 和目镜的焦距），从望远镜观察平行光管狭缝的像，调节平行光管透镜的焦距，使从望远镜 清晰看到狭缝的像（一条明亮的细线）呈现在分划板上为止。这时望远镜接收到的是平行光， 也就是说，平行光管出射的是平行光。 〈4〉平行光管光轴与望远镜光轴共线并与分光计中心轴垂直 调整方法： 望远镜看狭缝像与分光板竖直准线重合，狭缝像转90o后又能与中心水平准线重合。 在上一步的基础上，调节平行光管（或望远镜）的水平摆向调节螺丝，使狭缝细线像与十字竖线重合，然后转动狭缝90o，调节平行光管的仰角螺丝，使狭缝细线像与中心水平线重合。这时平行光管光轴与望远镜光轴共线，也就与分光计中心轴垂直 （2）三棱镜的顶角的测量 探究测定冰的熔解热实验冰水质量比 以及实验过程和数据处理的改进方法 周晓城，巨建树 （北京航空航天大学生物与医学工程学院北京 100191） 摘要：本文通过计算得到混合量热法中的最佳冰水质量比并在实验中对此进行比较讨论，验证计算值，得出结论；验证牛顿冷却定律，同时得到实验参照值；并就本人在实验过程中遇到的一些问题提出实验操作以及数据处理方面的一些改进意见和建议；以及在数据处理过程中发现的水量、温差与冷却常数和实验误差之间的大致关系。 关键词：冰水质量比；牛顿冷却定律；数据处理；改进意见；误差规律 中图分类号：043文献标识码：A文章编号： 1.实验背景 测量冰的熔解热的实验方法有很多，在大学物理实验中使用最多的是混合量热法，而作为大学物理少数几个热学实验中的一员，其重要性显而易见。然而在实验的操作过程中很多同学反映实验不好操作，具体的问题有： 1.依据《基础物理实验》[1]，实验中需要保证加冰前与加冰后的稳定温度与室温的温差大约在10-15℃能较好地依据牛顿冷却定律绘制温度补偿修正曲线，而对于没有经验的实验者来说实验中的水量和冰量添加不好把握，加冰太少，可能造成冰块溶解后水温高于室温而无法温度修正，或者加冰太多，造成温度稳定后冰块无法溶解完全，在实验中往往需要经过多次尝试才能取得较好的实验数据，费时费力费水； 2.取冰时，所有同学都是徒手取冰的，而对于较低温度（-21℃）的冰块，手的温度较高（30℃左右），即使在取冰和透冰过程中接触的时间很短（亲测至少15s），参照实验过程中冰块溶解降温曲线，吸热也会很明显，从而使得实验结果偏低，而在没有同伴的情况下，为了协调记录时间、记录温度，同时还要投冰动作迅速而使水不外溅，观察到通常同学会找特殊时刻投冰，在这种情况下不是冰块在外界的时间过长甚至开始融化了，就是手忙脚乱实验数据很难记录，实验效果不是很好； 3.同时，由于投冰之后冰融化的最初几分钟铂电阻温度计示数变化非常快，而且需记录的数据比较多，同时还要不断搅拌，使得这段数据点很容易记录不全或者记录偏差，而这段数据是数据处理过程中非常重要的部分，直接影响到温度的修正，所以很容易造成实验误差； 分光计调节及三棱镜顶角测量数据处理范例 1、 表1、实验数据记录表 次序 1? ' 1? 2? ' 2? 1 279°5’ 99°6’ 399°12’ 219°9’ 2 279°5’ 99°5’ 399°12’ 219°8’ 3 279°6’ 99°7’ 399°12’ 219°7’ 4 279°6’ 99°6’ 399°12’ 219°8’ 5 279°6’ 99°6’ 399°12’ 219°8’ 6 279°5’ 99°6’ 399°10’ 219°8’ 7 279°6’ 99°6’ 399°11’ 219°8’ 8 279°4’ 99°4’ 399°11’ 219°9’ 注：极限误差0.017m ?=? 2、实验数据处理 A 、对 1 ?进行数据处理: 根据肖维涅准则，对以 1 ?测量量进行检查，无坏值出现。 8 111 1 279.098 i i ??== =? ∑ 1 0.0044S ?= =? v p t =1.08 1 0.0047 A vp u t S ?= = 0.017 0.0098 B u = = 10.011u ==? B 、对 1' ?进行数据处理: 根据肖维涅准则，对以 1' ?测量量进行检查, 发现第8组数据为坏值,剔除其值后无再 发现其它坏值。 7 111 1'99.107 i i ?? == =? ∑ 1 ' 0.0037S ? = =? v p t =1.09 1 '0.0040 A vp u t S ?= = 0.0098 B u = = 1'0.010u ==? C 、对 2 ?进行数据处理: 根据肖维涅准则，对以2 ?测量量进行检查，发现第6组数据为坏值,剔除其值后无再发 现其它坏值。 7 2 21 1399.207 i i ? ? == =? ∑ 2 0.0031S ?= =? v p t =1.09 2 0.0034 A vp u t S ?== 0.017 0.0098 B u = = 20.010u ==? D 、对 2' ?进行数据处理: 根据肖维涅准则，对以 2' ?测量量进行检查,无坏值出现。 8 221 1 '219.148 i i ??== =? ∑ 2 ' 0.0038S ? = =? v p t =1.08 2 '0.0041 A vp u t S ?== 0.017 0.0098 B u = = 2'0.010u ==? 总结： 顶角平均值： ' ' 12121[]60.044 A ????= -+-=? 不确定度： 0.01k A u = ≈? 三棱镜顶角： 60.040.01A =?±? (p=0.683) 相对不确定度： 0.0160.04A E ? = ?=0.017% 3、讨论： A 、谈谈你对本实验的理解。 B 、为什么三棱镜的顶点应放在靠近载物台中心？（选作） C 、证明 2? = A ？（选作） 答：（略） 注：数据处理软件里的“实验项目->分光计”可以把分自动转化为度北航物理研究性实验报告——示波器
介绍三种测三棱镜顶角的方法
北航惯性导航综合实验四实验报告
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北航verilog实验报告(全)
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北京航空航天大学 基础物理实验 研究性试验报告
分光计调节及三棱镜顶角测量数据处理范例
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