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物理與天文學科

擺撞協奏曲:相位完美節奏—Lato Lato運動機制之研究

本研究探討Lato-Lato與物理機制相關的系統:在一根繩子的兩端各懸掛一顆球,並將繩子的中點固定在一個能夠垂直振動的支點上。當支點以一定的頻率和振幅進行振動時,系統最初表現為規律的單擺運動,但隨著振動條件的改變,球體間逐漸發生碰撞,並開始出現能量累積現象,導致整個擺動幅度顯著增大。本研究從直觀的實驗觀察和嚴謹的數據分析兩個角度入手,通過設計精密的實驗裝置和採集詳細的運動數據,深入探討這一現象背後的機理。我們著重研究了碰撞過程中能量與動量的轉換,以及振動頻率、振幅、繩長與球重等參數如何影響系統的運動狀態。最終,我們提出了調整支點振動相位以實現最佳能量傳遞效率的方案,為未來相關工程應用提供一些新的思路與參考。

「鋸」我所知

我們主要研究鋸琴(伐木鋸)發聲的原理,探討演奏過程中可以用來調整的因素,如施力大小、方式、形狀...等,研究這些不同變因與發出聲音的關係;並討論使用不同引發聲音的工具(塑膠槌和弓弦)與擾動位置對聲音的影響。此外,還有對參考文獻中所描述鋸琴彎曲形狀之J形、S形與甜蜜點的定義加以分析,參考金屬薄片振盪狀態的理論及其拓樸區域模態對聲音的關係,理解演奏時鋸子彎曲形狀和甜蜜點在實驗中的角色,歸納出彈奏鋸琴時可使用的規律。

流體力學的潛力-卡門渦街現象的探究與應用

本實驗主要在一條整流過的水道中放置一可左右擺動的圓柱狀阻流體。當流體流經該阻流體時,其後方會形成卡門渦街,導致阻流體因漩渦剝落所產生的反作用力而左右擺動。由於此現象是受到卡門渦街剝落而強制驅動,透過觀察此 擺動現象,可測得渦街的剝落頻率 。 本研究進一步探討不同黏滯性液體對阻流體擺動頻率的影響。同時,我們也在阻流體前後不同距離處設置第二個圓柱體,以分析其對擺動頻率與擺幅的影響,最後我們運用我們設計的發電機,來尋找我們運用所想要找到的最佳解。

范氏起電機驅動之靜電風車運動模型探討

本作品係 利用范氏起電機產生靜電,並以電壓驅動標準靜電風車及自製鋁質靜電風車模型。其中標準靜電風車為范氏起電機附帶之零件,而自製靜電風車可改變包含尖端角度,風車半徑與阻力係數。以電鑽增加轉速改變范氏起電機輸出電壓。在各項實驗中分別測量包含電壓,離子風穩定性與轉動角速度。透過參考資料與實驗建立風車系統轉動時的統御方程式。結論包含推力與電壓呈正相關並在尖端角度介於30-45度間有最大推力,半徑影響特徵時間與終端角速度,阻力係數影響轉動方程,使系統分為指數飽和與雙曲正切飽和。最後探討其對空氣中微粒清潔之實際應用。

船有吸引力?用疏水性材料破解船吸現象

本研究主要探討親水性與疏水性船體在船吸現象的影響。在原理方面,藉由作圖研究船吸現象、親水性與疏水性對彼此的影響,並藉此推導在理想情況下的加速度;在實驗方面,我們以試管去做驗證,發現親水性會互相吸引,而疏水性與親水性間會互相排斥。接著探討在不同變因下,親水性的船吸現象是否符合公式推導,而結果與推導出的公式相似:船寬及初始流速都與其成正相關,並且與質量不太有影響。進一步分析疏水性船體的影響,探討不同流速下疏水性是否都能對抗此現象,而在實驗過程中發覺中間水流似乎會衝向另一艘船,進而研究康達效應在本實驗的影響,並用其解釋實驗結果,最終,模擬真實情況的親水性障礙物,測試疏水性的船體是否能避免與它相撞。

拍音型駐波與雙聲源肯特管的印證

兩振幅相同,頻率非常接近的聲波,反方向進行干涉,所形成具有駐波與拍音雙重特性的合成波。我們稱之為「拍音型駐波」。我們使用三角函數的和差化積分析其數學性質,預測其行為,並使用程式模擬合成波波型。 為了觀察聲波,先進行普通肯特管的研究,對照文獻,了解保麗龍球的行為。最後擴充為雙聲源肯特管,使用MATLAB撰寫雙聲道聲波程式,準確控制2個聲源的音量、頻率與相位,頻率差可以達到0.01Hz,成功驗證拍音型駐波的性質,並發現其可在介質中有效推動粒子,具有潛在的工程學應用價值。

彗星彗尾實際值與理論值的對比

本研究旨在探討彗星塵埃尾與離子尾之方向與長度的形成機制,並建立數學模型與Python模擬系統,以模擬彗尾在不同時間與位置下的形態變化。我們選取哈雷彗星、海爾-波普彗星與C/2020 F3 (NEOWISE) 為樣本,蒐集歷史觀測影像並進行模擬對比。研究結果顯示:模擬所得的彗尾角度大致與實際觀測相符,且太陽輻射壓比例因子β與彗尾軌跡偏移程度高度相關。本研究所建立的模擬系統與公式可作為未來觀測與預測彗星彗尾形態之基礎。

橢球形柔性氣壓致動器的分析與建模

本研究透過實驗探討橢球形氣球與圓柱形氣球在受力狀態下長軸與短軸伸長量的差異。基於圓柱形氣球所建立的理論與公式,本研究針對橢球形氣球的形狀進行修正,以更精確描述其變形行為。因此設計了兩組實驗。實驗一施加不同負載,測量長短軸的伸長量,分析負載對氣球變形的影響,並與理想圓柱體做比較。實驗二在氣球外包覆編織網,觀察編織網對氣球在不同負載下伸長量的作用。通過比較兩組實驗結果,研究負載與編織網對氣球長短軸伸長的影響,進一步推導出相關的數學關係式。此關係式能有效描述氣球在不同形狀下的變形行為,為氣壓驅動柔性致動器提供更完善的模型,能提升實際應用中的控制精度與效能,促進其在機械、醫療器械等領域的發展與應用。

不對稱上反角與滑翔機滯空時間之研究

本研究探討滑翔機左右機翼上反角(Dihedral Angle)不對稱設計對滯空時間的影響。傳統認為對稱設計較穩定,但比賽經驗發現,適度不對稱反而能提升飛行表現,引發驗證動機。 依據滾轉力矩(Rolling Moment)原理,規劃11 組上反角組合,結合理論與實驗進行分析,並以標準差檢視數據穩定性與可信度。結果顯示,當上反角差處於適度範圍時,可產生有利滾轉力矩,挑戰了對稱設計的傳統觀念,證實其對飛行穩定與滯空表現的貢獻。 研究成果可應用於無人機及無動力飛行器,提供優化滯空設計的新視角。同時也希望傳達:科學來自生活,只要善用身邊資源,便能設計出具探究價值的實驗,進而激發更多人對科學研究的興趣。

反泡泡的變形之舞:拉格朗日分析看見動力系統

入射界面活性劑滴第一次觸碰水面時可能直接入水,也可能不會穿透,形成水珠,但在高度較高而使其產生液柱之後再次掉落時,某些情況會產生反泡泡,本實驗將探討其發生條件。並且研究反泡泡在水中的運動情形。首先,我們設計並建立了一套穩定產生反泡泡的裝置,以確保其生成的可控性與重現性。其次,我們透過調整內部液體的密度,探討內部液體密度對反泡泡運動情形的影響。另外我們利用生成大量反泡泡使他們發生碰撞並探討其運動方程式。