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物理與天文學科

頻率窺秘:轉速遇見CD孔數的樂章

當我們日常使用光碟時,很少有人會注意到:如果對正在旋轉的光碟上吹氣,是否會產生有趣的聲音現象?這項研究正是從這個問題出發,探討已鑽孔的光碟,在不同轉速下對聲音頻率的影響。我們設計了一系列實驗,改變光碟上的孔洞數量、分佈,並調整CD旋轉的速度,記錄吹氣後產生的聲音頻率變化。結果表明,風速只會影響聲音強度,不影響聲音頻率、頻率對轉速呈線性關係、轉速與頻率關係式係數呈線性關係、轉速與頻率關係式係數相似、CD孔數對稱性被破壞數據將會與1孔吻合、將12孔變成12-1和12-2孔之傅立葉轉換後的圖 的變化,會發現主頻跟旁邊的小山峰相對強度差距變小、12和6孔平均分布的CD片少鑽幾個孔得出的主頻會較低。

「蝕」無忌憚—空蝕效應中空穴產生的機制及特性之探討

本實驗探討空蝕效應空穴產生和氣泡附著於鋁箔紙上的情形。我們使用超音波洗淨機為製造超音波場的工具,將固定大小的鋁箔紙放入超音波場中產生破洞,透過破洞在鋁箔紙上的分布,推論在腔體裡氣泡的分布與傾向附著的部分,也利用顯微鏡在微觀下更仔細地觀察破洞的擴張情形,藉以得知氣泡如何在鋁箔紙上附著。 實驗中我們利用不同觀察方式,推論出氣泡在鋁箔紙上造成破壞的位置,也利用顯微鏡實際觀察破洞,確認我們的推論,使用顯微鏡實際看到破洞後,我們透過破洞的變化,建立許多模型,最後根據我們推導出的理論製作程式,模擬一個完整的鋁箔紙,按照這些氣泡產生與附著機制產出的破洞分布,和實驗結果有無相符,再次證明我們對氣泡的理論。

隱形斗篷-超聲波在水下光導之探討

當使物體後面的光線繞過物體至另一側觀測者眼中,該物體便會消失,如同隱形斗 篷。本研究在水中以探頭打出超聲波,藉由空化現象在聲壓聚集的位置打出空泡。以光在水中碰到空泡產生的全反射產生光導,使光按照期望的路徑前進。參考艾里光束波包沿弧線行進的特性,依照各陣元的座標調整相位,製造出聲壓聚集在一弧線上的聲場。以線形和平面探頭測得其偏折角度,接著導入漩渦式聲鉗,使聲壓由弧線中心偏移到周圍,並使中心聲壓相較於普通聚焦減少75%。最後將兩種相位疊加在一起,用螺旋排列探頭將超聲波打入水中,取得約3度的偏折,得到初步成果。未來將透過聲壓的加強和改良路徑,期望達到自由控制偏折軌跡,並在醫學等方面有所應用。

探討不同光圖形對光介電泳力應用在微流體中的影響

本研究整合光介電泳(Optically-induced dielectrophoresis;ODEP)與微流體技術,通過修改微流體晶片內的光照圖案光照強度、角度來改變作用於微粒的ODEP力強度與角度,並透過層流流體控制來嘗試實現三種不同半徑(5.8μm、 10.8μm與15.8μm)塑膠微粒的自動化分離與收集。

簡單離心水泵的未滿水流動模態

這份研究探討利用正三角形旋轉吸管構成的離心泵抽水的現象。我利用電鑽固定此三角形結構,使其部分浸入水中並定速旋轉。我們發現在吸管的管徑-旋轉半徑比大於一定值時,水流因無法穩定地充滿整個吸管,離心泵中的水流將會穩定的僅占據吸管的一部分。我測量「吸管的幾何參數和旋轉角速率」對「抽水流率」的關係;以及「旋轉角速率」對「抽水流速」的關係,並以穩層流下的流體力學模型(白努力方程式在旋轉座標系中的修正+流體力學穩定性分析)加以解釋,在不使用數值模擬的情況下方了解了此未滿水模態的水流情形。

真實量子運算中的錯誤與修復:Qiskit 的噪聲模型與錯誤更正實驗

本研究旨在探討量子計算中由噪聲引發的兩種主要錯誤:位元翻轉錯誤(Bit-flip Error)與相位翻轉錯誤(Phase-flip Error)。我們首先利用 IBM Quantum 平台,透過即時模擬與圖像化操作,建構了一套重複更正碼系統,展示量子糾纏在錯誤校正中的應用。然而,當我們將錯誤更正碼送至真實的量子電腦運算時,發現額外的噪聲干擾使得錯誤更正碼的效率受到影響。因此,我們參考了 IBM 官方網站的資料,並結合在真實量子電腦上獲得的結果,使用 Google Colab 打造了一個最接近真實情況的噪聲模型,利用錯誤參數量化、分析真實量子電腦的出錯情形。

描圖紙的捲曲行為變因探討

描圖紙又稱硫酸紙,經硫酸處理後形成部分纖維被轉化成凝膠狀且不可滲透性澱粉樣蛋白的紙張。本研究旨在探討該捲曲、反轉現象的各種可能變因,並推估該紙張捲攤行為的機制。經探討發現環境的溫、濕度影響其現象,且描圖紙接觸的溶液不同也影響運動。描圖紙本身變因有表面材料、大小及重量。不論描圖紙形狀,最後都以同一方向平行捲曲,與描圖紙上的纖維方向有絕對關係。進行不同面積方形描圖紙捲曲實驗,表面積越大的正方形描圖紙在捲攤現象花費較多時間,長形描圖紙捲曲速度則以非捲曲長度為影響因素。描圖紙表面處理的實驗,無論凡士林塗於描圖紙任意面,皆影響其捲攤。描圖紙較厚需更多時間完成現象。根據以上,推測為吸水使描圖紙膨脹導致。

從帝王斑蝶色斑探究色塊排列之熱傳輸機制

本研究以帝王斑蝶色斑為發想,探討不同顏色與幾何圖形配置對熱傳輸機制的影響。實驗以鹵素燈模擬輻射熱源、熱像儀量測溫度分布,再以自製密閉觀察箱觀察樣本周遭氣流,分析輻射、傳導及對流的交互作用。結果顯示,黑色吸熱效率最高,與白或橘色塊接觸時,熱傳導效應使溫差降低,尤其色塊面積小、接觸邊數量多會增強熱傳導速率,接觸邊短時多餘的熱傾向於逸散至環境中,使色塊間溫差下降更顯著。氣流上升則隨顏色吸熱效果提升而旺盛。研究支持顏色與幾何配置對熱量流動有重要影響,進一步推測帝王斑蝶白斑的分布擴大了蝶翅外緣與內部溫差,導致周遭氣流的增強。未來我們期待透過軟體模擬,完善對於帝王斑蝶蝶翅熱傳輸機制的整合與應用探索。

流速與孔徑對於反泡泡生成的影響

本研究透過Arduino控制步進馬達,再由步進馬達穩定推動針筒,進而噴出泡泡水柱,在水中製造反泡泡。我們控制步進馬達的推進時間,改變泡泡水的注射水量;也以針頭距水面的高度、針頭孔徑大小為操作變因來改變泡泡水的注射速度。最後用Tracker應用程式測量出泡泡水的注射速度、反泡泡半徑,推算出不同的注射水量以及注射速度可生成的最多反泡泡的範圍以及最大的反泡泡半徑。

照妖鏡下的波濤洶湧

本作品藉由邊界層氣流下手,主要探究邊界層層流區之平均厚度(δ)對平面介面粗糙度(Ra)的變異程度(σ),並找到Ra、雷諾數(Re)對σ的預測公式,讓σ的研究更實用。不同於多數研究邊界層氣流的作品 採用導入煙霧的方式,通過煙霧的運動軌跡了解氣流的模式、結構。本作品在捕捉邊界層氣流時採用紋影技術,且在分析時結合紋影技術讓氣流可視化的特色使用圖像化代碼進行分析,不僅可以研究低流速、小尺度的邊界層氣流,也可以比擬更真實的空氣環境,亦是提供研究邊界層新的想法。 研究結果發現Ra與Re共同影響σ,且σ與Ra呈正相關,並有開口向下的二次多項式之趨勢;σ與Re呈負相關推測與流速越大導致邊界層厚度變薄有關 。