物理與天文學科

為觀察氣流流經物體表面不易流動的現象，我們設計製造風洞實驗裝置。將筆芯墊在金屬片上，測量筆芯被吹動時的驅動速率，繼而變更筆芯的高度與水平位置，測量筆芯被吹動之驅動速率。由數據作圖可看出在風洞管下半部，筆芯驅動速率會隨著高度以乘冪減少，也就是從底層往上的流速是乘冪函數增加，與文獻之圖形類似。同時從數據作圖分析中也可看出筆芯越細，隨高度增加時，驅動速率較快變小。而筆芯超過風洞管一半鉛直高度後，數據曲線不如預期，故又繼續研究金屬塊破壞層流之效應。在底層放平行條狀物(簡稱肋條)，用筆芯來看出氣流的擾動，測出驅動速率有些區域大有些區域小，表示障礙物引起二次流的紊流並不是流速變快，是屬於擾動式的。

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。

高中所學的單擺及鉛直簡諧振動，都是在假設擺繩及彈簧沒質量的情況下掛重物的運動模式，本研究使用有質量的彈簧圈，在不掛重物的情況下進行擺動及振動實驗。實驗中發現有質量彈簧的振動週期與擺動週期非常接近，而且同時運作的情況下會有穩定的共振運動模式。經過我們仔細的實驗觀察，發現這樣的複合運動共振態，在單邊擺動一定的次數後，經由似橢圓形變換過程，產生換邊擺動的有趣情況，對照多種不同擺動模擬的結果(複擺、錐動擺)，我們推測振動為此模態周期的主要影響機制。

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。

本實驗以彈力膜、塑膠杯、鋼球為主體，將彈力膜繃緊於塑膠杯口作為發聲裝置，並以鋼球撞擊膜，使膜帶動腔體空氣一同振動，利用音訊分析軟體進行錄音、分析，藉以探討此裝置發聲的成因與相關參數對聲音的影響。 本研究中利用並聯彈簧機械模型解釋單膜與腔體間的交互關係，並透過實驗證明裝置的發聲取決於振動體間交互作用的強弱，且膜張力與聲音頻率呈正相關、杯子容積與聲音頻率呈負相關。 此外我們延伸探討兩端開管皆套膜的實驗，研究結果顯示此實驗上膜與純膜頻率相近，符合兩質量三彈簧振動模型，且一邊膜頻率>純膜(上膜)頻率，綜合各個實驗變因可知彈簧振動模型之有效性。

此研究是以實驗方式，驗證理論模擬中指出水漂在不同入水模式下，攻角為20度時皆可產生最佳的彈跳效果。因此我以壓克力板作為模擬水漂的模型，設計了以下四組操作變因，分別是入水攻角、水的流速、水漂邊界形狀以及不同粗糙程度的接觸面，透過Tracker分析壓克力板的質心彈跳高度及運動軌跡，再利用Excel、SciDAVis分析數據，找出其中的運動相關性。最後透過座標轉換，可以利用這些實驗來分析打水漂的運動行為，成功發現攻角在20度時有最佳的彈跳效果，並以此結論來優化打水漂的運動行為。

本研究探討腔體受聲音震動導致開口噴出氣流的現象。實驗以揚聲器播放聲音，使固定於其上的剛體錐形瓶共振，揚聲器與腔體之間並無直接接觸。通過改變聲音頻率、腔體參數（包括體積、瓶口截面積、瓶頸長度），以及揚聲器震動振幅與腔體內外氣壓，研究噴流流速的變化。 研究發現腔體內氣壓振幅超過臨界值時，腔體開口處會噴出一連串渦流環，根據拍攝的影像確認連續的渦流環組成的噴流即為合成氣流(synthetic jet)。噴流流速在聲音頻率與腔體共振頻率相同時達到峰值，並隨聲音頻率偏離共振頻率而急速下降。流速峰值頻率符合修正後的亥姆霍茲公式，且瓶頸長度越長，共振時合成氣流峰值流速越低。本研究為聲能轉動能方面提供新的研究途徑，並有進階研究的可能性。

本研究透過水池、橡皮鴨與伺服馬達，模擬鴨子在水面上游動的情況，藉由馬達回傳的電功率值，計算鴨子在游動時的阻力，希望找到鴨子在何種情況下最省力。透過改變鴨子的排列方式、大小、速度等變因，嘗試找出這些變因與其游動時阻力的關聯，並引入參考文獻中省力係數以描述省力的程度、用波長、水深、波速的函數關係來計算波長、並嘗試描繪尾波，透過這些以協助結果呈現並計算出難以測量的部分。最後會透過繪圖的方式來討論鴨子與水波的關聯以解釋阻力的變化，再總結出鴨子在何種排列方式、大小能夠達到最省力的狀態，完成本研究的主要目標。

本研究探討乙醇水溶液液滴於疏水流體表面之分裂現象。此現象可利用揮發造成乙醇之濃度梯度所驅動的表面張力梯度來解釋，又稱為馬倫哥尼現象(Marangoni Effect)。液體為達到最低表面能而改變表面積的普托瑞立不穩定現象(Plateau Rayleigh Instability)也可以做為液滴分裂的解釋之一。 在研究中，研究團隊發現溶液在油面上會隨時間分裂出子液滴，並對於最終子液滴的半徑與分裂現象分別進行定量與定性之探討。本研究於先遣實驗中發現乙醇水溶液濃度之臨界下限為65%~67%重量百分濃度，並以大於(含)此濃度之溶液進行關於乙醇濃度、溶液體積與油層厚度三項參數對於最終子液滴半徑、分裂時間、液滴最大擴散半徑與擴散半徑演變之影響。

在飛魚飛行時的影片發現，飛魚調整腹鰭來改變飛行狀態，可見在大家認為胸鰭為改變飛行主要原因之下，腹鰭在飛行時仍具作用，因此，我們測量班鰭飛魚標本、製作仿生飛魚和針對影片中的現象規劃兩項實驗：「運動行為實驗」、「風洞穩定度實驗」，發現在攻角為35~45度時，飛魚的穩定度最大。其中以A5、A7在外擴角θ5時，是最適合飛魚飛行的狀態，但又以腹鰭面積A7為最佳。