全國中小學科展

物理與天文學科

Cheerios Effect 水面上微小浮體運動的影響

本實驗探討浮體在水面上聚集、吸引的現象,由測量運動討論其運動過程中所受各種力的變化。 討論兩球體吸引的模型,由位移與時間關係圖推測模型,發現其運動與時間接近指數變化,但後段卻有x2與時間t的線性關係。因此可推測其後段模型中阻力與速率成正比。 接著改以密度>1的圖釘,討論其運動與水面上凸高度之關係。發現除了速率與位移有對數關係外,其對數係數也與高度成正比。經由實驗,與容器壁的吸引運動可寫成與相吸運動類似的方程,再利用鏡像法加上修正項得出臨界距離。並由實驗得平均密度與受力的關係,以及表面張力與受力的關係。 未來將探討油滴在水面上的運動,進而發想不同的汙染物於水面上的聚集。

破風者-紊流與噪聲之流體力學探討

台灣綠能發展目前為能源界顯學,台灣為季風氣候,有得天獨厚的風場條件,然風機扇葉產生之低頻噪聲卻會對居民造成身心健康的影響。本研究嘗試研究扇葉噪聲之物裡蘊含,並以實作及模擬雙管齊下之方式,研究風機噪聲之行為特徵,實作實驗以自製之兩款風洞及四組扇葉,確實觀測到紊流,且與模擬圖形相似,並透過傅立葉轉換方法,得出噪聲強度最高處落於低頻。而模擬結果顯示,風機噪聲與紊流強度高度相關,且在攻角上升的情況下,會有愈大的紊流強度及噪聲,但商用型確有攻角上升,紊流與噪聲下降之情形。最後根據實驗結果比較改良,設計出自製創新型扇葉,其垂直最用力皆優於前列四款,且產出較低的噪聲強度,尤其在高攻角條件之下減噪效果更佳。

利用紫外線激化法製作奈米銀粒子-------------並探討其熱輻射吸收現象

奈米銀粒子對熱輻射在一定波段有吸收的效應,有隱熱的效果。傳統上以還原法及電化學法製作奈米銀,但步驟較為繁複不易擷取粒子。本實驗以紫外線激化法製作奈米銀粒子,使用醋酸銀作為原材料,經由照射紫外光、並利用二氧化鈦薄膜作為轉換光觸媒,調製照射紫外光距離、原材料種類及濃度,使得產生不同奈米銀粒子濃度之溶液。利用粒徑分析、SEM、X-ray繞射實驗及顏色判斷奈米銀顆粒大小,並以光譜分析儀來探討濃度、照射距離與奈米銀光譜曲線分析之相關係。本研究以實驗製作出的奈米銀粒子來設計隱熱實驗,以驗證奈米銀粒子的熱輻射吸收效應。 經由本研究特殊設計之熱輻射分布實驗及多點溫度量製布置,可判斷有塗佈奈米銀顆粒有吸收熱輻射的效應。

訊號魔術師

本文我從文獻已有的布洛卡三角形及其三種變換出發作各種推廣。首先將布洛卡點在三角形內的情形推廣至多邊形,發現並非任意多邊形皆存在布洛卡點。我發現了存在布洛卡點的充要條件,及布洛卡角、邊、面積的關係式。然後探討四邊形的情形,發現存在正、負布洛卡點的四邊形皆為調和四邊形。接著將文獻中三種布洛卡三角形的變換整併為更具數學風味的旋轉與伸縮變換。再以此方法為基礎,發現一系列布洛卡點、外心間的幾何性質,同時進一步推廣至多邊形,其中美妙的結果是:從任意布洛卡n邊形出發的n條全等的等角螺線皆會收斂至布洛卡點;最後,本文最驚艷的發現是:所有存在正、負布洛卡點的n邊形,其頂點皆為正n邊形的頂點經過反演後的反形。

探討非牛頓流體對安全帽結構吸收衝擊力的影響

本研究希望透過測試安全帽結構提升其吸收撞擊力能量能力,以期增加日常生活經常使用的安全帽之安全性。而根據過往經驗,我們選擇具彈性的橡膠墊、刮泥板及受力時可變硬且吸收衝擊力的非牛頓流體,以及作為改變安全帽結構的實驗材料,並在文獻研究後自行設計出縮小尺寸的安全帽結構模型(後文稱測試模型),與模擬安全帽遭受撞擊的裝置來進行實驗。從實驗結果與影像軟體分析及動、位能相關公式分析可知,橡膠墊、刮泥板及非牛頓流體對測試模型吸收衝擊力能量有幫助。我們也以此為依據討論將橡膠墊、非牛頓流體加入真實安全帽的可行性,期望以此研究對生活有實質性幫助。

實驗探究轉動液體的遲滯現象

U形管繞著鉛直軸轉動時,如果鉛直軸和管的對稱軸未重疊,管中流動的液體會發生遲滯(Hysteresis)現象;利用三叉管、方形盒、圓柱筒和方形筒做實驗,發現液體在五種不同形狀的容器中都會發生遲滯現象。 U形管、三叉管、和方形盒轉動時,旋轉盤的轉速由慢漸快時,液柱高度在特定轉速時會大幅度的升高,旋轉盤的轉速由快漸慢時,液柱高度在特定轉速時會小幅度的下降,作液柱高度和轉速的關係圖,會呈現遲滯曲線。 圓柱筒和方形筒繞鉛直軸轉動時,遲滯現象會隨著鉛直軸轉盤中心點距離而異,液面觸底後乾燥區會呈現圓、橢圓、三角形和部分橢圓等不同圖樣。

1atm-大氣壓力相關性探討

可以由生活中的經驗發現:儘管在同一水平高度,氣壓均勻與否(相關性)的現象仍足以巨觀的影響著液氣交界面的平衡狀態。在此研究中,首先提出了數學模型推導平衡時的條件、並以裝有液體的倒立有孔容器之實驗來相互印證,檢視本篇研究中理論假設的正確性------氣壓的相關性直接影響了開孔的幾何圖形(開孔個數,大小,和形狀)。且在大小形狀皆異的開孔圖形中,我們發現「代表長度D」可以描述各圖形所覆蓋範圍的相關性。

聲壓懸浮PM2500—探討聲壓懸浮器可穩定漂浮物體之條件

聲壓懸浮(Acoustic levitation)是利用聲波產生的壓力,使物體懸浮在空中,而物體是否能飄浮在空中受到物體質量、物體密度、聲波波長、聲場強度等影響,本實驗利用實際實驗、Python程式模擬、等效位能理論推導,以冀求出物體成功懸浮在空中的準確條件。

日本高塔倒下來-敲敲達摩運動狀態分析

本次研究將使用相同的圓盤垂直疊放,放置於一平面,形成一個獨立的塔。當塔最底部的圓盤通過施加一個瞬間的水平力移除,塔身其餘的部分會掉落至平面上,且有機會保持直立狀態。因此透過本次科展,我們將分析底塊移除後至塔身落至地面的運動過程,設計相關實驗,並試著建立相符的理論模型,探討能使塔身保持靜止直立的條件。 經過初步的現象觀察與背景資料查詢,我們認為會影響塔身直立與否的相關參數有底塊移除速率快慢、底塊厚度、塔身高度、圓盤的摩擦係數。本作品將針對以上參數進行較為深入的研究。

雙滾軸間的摩擦振盪

一次生活中的經驗促成了這一次的研究,我們探討了在不同狀況下(如:管重、管長、轉速、動摩擦係數、滾筒間的距離…。) PVC管的運動狀況。進而發現,理論與真實的差距,在真實情況,PVC管並不會是不斷在做S.H.M.,而是逐漸衰減,於是我們順水推舟,開始向PVC管的衰減率進行研究。最後,我們發現,管重、管長、轉速均不會影響PVC管的週期,與其相關的是接觸面間的動摩擦係數及滾筒間的距離。而後,再將結果與模擬進行比較,分析其差異之影響因素。