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物理與天文學科

波妞的熱管-氣泡週期性生滅運動的探討

我們經過一系列的實驗,確認鎳鉻絲經由玻璃管壁、水將熱沿徑向傳導給氣泡吸收,類似池沸騰作用,大氣泡會因熱傳導效果差而截斷傳熱,降低吸熱效果;同時因氣泡往下方冷水庫延展擴張,除了經由冷管壁傳導、冷水對流置換來散熱外,膨脹變大的氣泡也因表面積的增加而加大了輻射散熱作用。因此,要使波妞的熱管形成大氣泡,且能穩定持續地週期性生滅,需要使其儲熱與放熱速率達到一個動態的平衡,故我們僅能在特定的實驗條件下看到這個現象。此外,在進一步的實驗中,我們將波妞熱管設置了上、下兩個加熱區,意外看到了大氣泡的耦合作用,十分地有趣,也應用作為我們突破管徑過大實驗限制的方法。

不翼而飛—論圓筒飛行器轉速與初速對飛行的影響

本實驗利用自製的x-Zylo(圓筒飛行器)發射器,觀察不同飛行條件下,圓筒飛行器的總位移及側偏距離有何不同。在做完測試後,我們發現轉速與初速是個值得研究的方向,於是我們決定深入探討圓筒飛行器旋轉速度與初速對飛行筒的側偏距離及總位移的影響。結果顯示,轉速較快的狀況下圓筒飛行器側偏距離較小;轉速與初速都和總位移成正相關;而初速越大,側位移越大。於是我們憑藉此結果,並參考文獻,提出了幾項理論來解釋此現象,並且將我們的理論寫成程式,希望能驗證我們理論的可行性。

芭蕾舞之無限旋轉——Fouetté turns物理剖析

芭蕾和物理有密不可分的關係,每個動作都能用物理原理來剖析。本報告對於無限旋轉─Fouetté turns進行討論,在有摩擦力的情況下,舞者為何能不斷的旋轉,必定是有得到新的角動量。而我們推論,舞者角動量的補充是來自旋轉時上下腳的動作配合,上腳伸直在外面畫圈時,下腳全踩,利用靜摩擦力產生新的角動量;而上腳收回時,下腳踮起,新的角動量使舞者維持旋轉。這樣一來一往,芭蕾舞者便能做出看似不可能、不合理的無限旋轉動作了。

聲聲不熄--熱聲效應之探討

本實驗以試管、鋼絲絨、酒精燈為主體,將鋼絲絨放入試管做為發聲裝置,並以酒精燈加熱試管,使鋼絲絨兩端產生溫差,而後產生音波,利用音訊分析軟體進行錄音、分析,搭配溫度感測器記錄、分析溫度,藉以探討 此裝置發聲的成因以及相關參數對其聲音的影響。 本研究分析了裝置發聲之過程,並製作五種變因,分別為鋼絲絨密度、試管口徑、試管長度、鋼絲絨位置以及 試管與火焰距離,並統整出四點通則1.溫差與分貝有直接關聯2.發聲與熱穿透深度、堆棧位置和空氣黏性有關 3.綜合熱穿透深度以及空氣黏性,發聲效果較佳者,會有上升速率快下降速率慢的特性4.堆棧所在位置之空氣塊移動及壓縮性,影響其音量、發聲時間與上升下降速率。

「鹽」上雙擴散–雙擴散對流及鹽手指現象

在雙擴散的研究範圍,都只看到物理理論的研究,卻少有研究利用實驗來驗證。因此,我們以過錳酸鉀(KMnO₄)當成可追蹤的染劑,將它水平或垂直緩慢倒入一個上、下層有不同梯度的水域中時,首先發現了鹽手指的產生,此現象為雙擴散對流的一種,再來確定了只有一梯度差時不會有鹽手指後,聚焦在不同(溫度、濃度)梯度差時,對鹽手指的圖形、擴散速率以及擴散分層深度的影響。接著我們深入探討海洋學中的溫鹽環流,以水泥製作海底地形,來模擬直布羅陀海峽的雙擴散對流,探討高溫、高濃度的地中海海水,流入較低溫、低濃度的大西洋海水時的擴散速率以及擴散圖形並模擬冷流與暖流的雙擴散現象,希望對「雙擴散現象」有更深的了解。

你很「形渦」!-多邊形渦漩(Polygon Vortex)的幾何性質與受力分析

本實驗源自於IYPT競賽中的實驗主題之一,其目的在於探討水旋渦的多邊形幾何性質與其相應變因。該問題打破了我們對於渦漩應該是圓形的基本認知,又在查詢相關資料時發現該流體性質在龍捲風、颱風與木星極點上等渦旋結構也具相同現象,因此我們決定探究多邊形渦漩的邊形結構與流體黏滯力、轉速、液體深度之關係,並探討流體形成多邊形之流場變化。在實驗結果中我們發現液體的黏滯力越高、水面離轉盤深度越高所需形成多邊形的轉速越高,但轉盤下水深與多邊形的邊形形成較無影響,另外,液體流速在邊形的邊角上較快且具備小渦漩的性質,可以用Kelvin-Helmholtz instability進行討論。我們期望在未來可以將此延伸應用於渦流分選器或是對於渦漩成因的理解上有所助益。

三面骰子機率與解析度

本研究探討「三面骰」機率,由直徑厚度比(R/d)入手,製作不同R/d骰子111種各擲300次,計33300次,繪製機率與R/d關係圖。側面機率100%的R/d界線為0.52,0%的R/d界線為8.15,33.33%的R/d範圍為1.86至2.10,三面機率相同時三面面積1:2:1。再分別以面積、環形、球體理論建模,發現理論趨勢與實驗相符(P<0.001***,R2=0.9185)。 另發現其他物理量亦影響機率,進行「投擲高度、初速度、初角速度、恢復係數」為變因的實驗,擲18000次,顯示各參數對機率的影響。於是參考文獻並建模骰子動力理論,精確計算骰子的最終面,但實驗上骰子各面為何仍存在機率呢?我們發現機率來自參數的微擾,而各骰子對微擾的敏感度不同,進而提出骰子對微擾的「解析度」概念,評估骰子的公平性。

懸浮微粒PM2.5擴散作用研究

本實驗以懸浮微粒PM2.5擴散作用為主題,將實驗結果做計算找出擴散作用的半衰期(τ1⁄2),將擴散快慢以時間尺度來表現;此外,同時測量懸浮微粒PM10,其行為表現與懸浮微粒PM2.5相似。實驗過程分為四個部分,分別改變體積、溫度、風向與開窗方式來進行。結果顯示體積與半衰期呈現正相關;溫度越高,半衰期越短;有風環境中半衰期較小且與風向角度有關;開窗面積相同情況下,側邊單開的半衰期較中間單開小,而中間對開的半衰期較側邊斜對開小。在所有開窗方式中,中間單開的半衰期最長,而中間對開半衰期最短。最後,為了讓懸浮微粒的研究可以在更多中小學實驗室中進行,利用實驗室常見的器材(雷射和鏡子)建構一個可以測量懸浮微粒相對濃度的方法。

大珠小珠落鋁盤——探討三重萊頓佛羅斯特效應之液珠碰撞

本實驗利用自製的鋁板加熱,觀察不同條件下(液珠體積、液珠質量、鋁板溫度),水珠的萊頓佛羅斯特效應。我們找到了水、乙醇、乙酸乙酯的萊頓佛羅斯特點,依序為200℃、125℃、120℃。並且發現水珠體積和直徑立方成正比關係、恢復係數和水珠質量成反比關係、直徑立方與溫差乘積與液珠吸收熱能成正比關係。

探討霧的散射光

本實驗利用光譜儀測量煙霧和水霧的散射光,探討當煙霧與水霧濃度、與煙霧距離、與煙霧和水霧夾角不同時,散射光的特性與能量變化趨勢。結果顯示,同光源下,水霧濃度越高,散射的能量越強;且不論在煙霧還是水霧中,波長越短,散射光強度越大。同濃度下,與煙霧距離越遠,散射光強度越低,其強度與距離平方的倒數成正比。同濃度下,散射角度越接近0和180度,散射光強度越大;散射角度越接近90度,散射光強度越小。