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物理與天文學科

聲之形―探討膜管與聲音間的關係

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。

鴨行無阻-鴨子行進陣列與其省力情形之探究

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。

「腸」驅直入-大腸桿菌在Y型通道內的行為表現

本研究以數值模擬討論大腸桿菌在自行設計之有濃度梯度的Y形通道內的運動情形。在自然界中,大腸桿菌會判斷周圍營養物質的多寡並隨機旋轉,最終大致朝向營養物質濃度較高的地方移動。本實驗設想大腸桿菌在現實中可能會有的運動情形設計演算法,用程式進行模擬,分析大腸桿菌在此環境內的各種表現,並首次建立對比的實驗以驗證理論計算。 本模擬透過改變自行設計之Y形通道中的通道寬度、濃度梯度及通道傾斜角等變數,進行程式模擬後,觀察這些變數對大腸桿菌運動的影響,將數據點擬合成函數,輔以直觀分析後,分析方程式中各個特徵常數及函數本身具有的物理意義,以及在我們意料之外的特殊發現。最後進行實驗嘗試歸納出對於本研究模擬條件的理解。

有質量彈簧圈的複合振動與擺動

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。

偏心馬達振動對物體運動速度之影響

本研究探討振動體運動。調控馬達轉速帶動離心錘旋轉。閃頻同步測量轉動頻率,並追蹤軟體分析運動軌跡,各頻率下平移速度。 離心錘逆時針旋轉高於24Hz開始運動,移動速率與旋轉頻率關係:理論值26~47Hz轉一圈向右移動,47~56Hz轉兩圈向左,56~65Hz轉三圈向右,並以起跳至著地空中時段,合力向右或左比例,分析運動方向。 力圖分析列出水平驅動力、正向力、摩擦力等時間函數建構理論模型。由Desmos 軟體計算水平移動速率,藉頻率調控正向力、摩擦力,計算得各頻率下振動體速度,進行理論與實驗比對後,幾乎完全吻合,驗證此理論模型正確性。 安裝加速規得垂直加速度與時間關係,類似鋸齒波與正弦組合,似乎可由振動體底座為具彈性珍珠板加以解釋。

逆流而上--馬拉高尼效應之探討與應用

馬拉高尼效應是流體力學中常見的現象,由於表面張力梯度力,使得不同種類或是不同溫度的液體間產生相對位移,從表面張力小的往表面張力大的方向移動。本研究想藉由此微小的表面張力梯度力作為仿水黽的小型水上機器人移動的動力來源。研究過程中以tinkercad軟體設計模型,盡可能減輕機體重量並利用3D列印技術列印機器人本體。再藉由滴出界面活性劑並控制滴出方向以產生特定方向的馬拉高尼流,作為整體的動力來源。研究過程中探討界面活性劑濃度與模型移動速度以及表面張力梯度力的大小之關聯,和模型管徑與模型運動型態的關聯。

懸臂樑的聲學震盪與力學震盪—鐵尺的探究與實作

去年我們在全國物理探究實作競賽被淘汰,主題是鐵尺的磁機械振盪器,賽後我們決定試著把它研究清楚。最初我們以為鐵尺的振盪行為類似繩上的駐波,但後來發現,鐵尺其實表現出懸臂樑的運動特徵。懸臂樑在建築學、結構和材料力學中很重要,在尖端科學的 AFM、STM、MEMS中也有應用。我們一開始使用 Tracker、Phyphox App、以及超音波感測器進行實驗,最終我們使用手機APP偵測鐵尺的聲學振盪,以及線圈產生感應電流,透過示波器偵測鐵尺運動的力學振盪,這兩種是我們創新的量測方式。鐵尺振動須用懸臂樑的力學解釋,理論包含 sin與sinh 函數。我們在聲學、力學振盪的實驗結果是互相驗證的,並與懸臂樑理論預期的頻譜一致,驗證了鐵尺的振盪為懸臂樑的運動形式。

液中各表_動態表面張力分佈造成液面上彩圈之行為討論

以不同濃度的界面活性劑、容器面寬、水深來觀察界面活性劑在水中運動的種種現象。在界面活性劑中加入固定比例的紅色色素6號,使其滴入水面上時可以明顯觀察彩圈的漲縮現象,再藉由Tracker追蹤彩圈運動軌跡,進而計算出其直徑大小之改變,最後將實驗結果以圖的方式記錄下來,再觀察其運作規律並製作出函數圖形,確定此一現象的運動方式,並思考此現象形成的可能原因。

魚你翼鰭飛—探討飛魚腹鰭對飛行穩定度的作用

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。

探討特殊震動頻率下的倒立擺自主校正運動

本研究探討倒立擺在不同鉛直振動頻率下的擺動軌跡、擺動時間、擺動範圍及自主校正之情形。我們發現單一倒立擺是否能夠達成穩定自主校正主要受鉛直振動頻率影響,且隨著鉛直振動頻率增加,倒立擺擺動範圍會縮小。當倒立擺的長度增加時,擺達穩定所需之角頻率上升,相同頻率下的擺動範圍增加。接著再將不同長度的擺頭尾以螺絲相連組合,觀察雙擺之運動情形,我們發現在雙擺的情形下,下擺與上擺的長度會影響擺是否能穩定,在上下長度相同與下長上短時,擺在適當頻率下即可達成平衡,但在下短上長的狀況下,下擺及上擺長度則須達特定比例才可平衡。