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物理科

深水炸彈~探究撞擊波對水體與浮球之力學交互作用

本實驗是探討球體受到水與寶特瓶交互作用產生噴射的實驗。藉由研究裝球與水的寶特瓶落下高度與球的噴射高度的數據,找出交互作用的關聯性,進而找到噴射的最佳條件,並探討球噴射的原理。我們藉由電磁鐵、滑軌裝置,以攝影慢速播放方式,發現球體噴射的力來自於撞擊波,藉由寶特瓶瓶身及水體傳遞能量,在水面中央形成空腔及水柱噴射。本實驗以直徑4公分的保麗龍球、使用釣魚線及磁鐵固定在水面中央、約2公分沒入水中;直徑11公分瓶頸斜度大、撞擊面積小的寶特瓶的組合,產生的撞擊波對球體有最佳噴射高度。

「橋」見摩擦力-探討達文西橋不同結構之形抗結果

為了發現達文西橋的秘密,本研究嘗試採用不同材質棍子、不同搭橋方式來研究達文西橋承重力與形抗結構。經實驗後發現:(1)與木棍相比下,竹棍的韌性和彈力較好且更紮實,具有較大的承重力,其中,尺寸0.5*0.5*20竹棍的承重力最大;(2)橋體層數越多,越接近拱形,其承重量越大,但三層以上的橋體角度太大,容易崩塌,因此兩層的達文西橋為最佳;(3)竹棍間的實際接觸面積愈大、支點愈多時,摩擦力就愈大,橋體將會愈穩固,如直橫交錯鋪滿的橋體;(4)地面材質的摩擦力太大或太小皆不適合搭建達文西橋。因此,使用較多棍子搭橋不一定好,並且需要考慮棍子材質、搭橋方式,以及地面材質的影響,才能搭出穩固、承重力大、形變率小的達文西橋。

Rangay-壓鼠陷阱變捉貓神器

泰雅族的傳統陷阱中,利用重力位能儲存能量下壓後,來捕捉住動物的陷阱,統稱為Rangay。老師指導我們,以Rangay壓鼠陷阱為基礎,設計了多組的實驗來探討其安裝方式及科學原理。實驗過程中,我們熟悉了Rangay壓鼠陷阱的安裝方式,也學習祖先流傳蘊藏在Rangay壓鼠陷阱中的智慧。研究過程中,對於槓桿、力矩、摩擦力、重心、繩子張力、合力分力等物理觀念也有進一步的了解。我們參考前人經驗,突發奇想把Rangay壓鼠陷阱做了些調整,將石板換成了籃子,用來捕捉校園裡的流浪貓。過程中遇到的某些難題,也能利用實驗得到的結果及習得的物理觀念,逐一克服解決難題。最後也多次利用改裝調整後的陷阱,成功活捉到流浪貓。所以我們將它稱為捉貓神器。

親疏有別—水滴在親疏交錯界面之運動現象探討

當水滴碰撞親疏交錯界面,直線、弧線及螺線親疏線條決定了水滴鋪展收縮的對稱形態與受力,研究發現水滴有分割、彈跳、移動、旋轉等多樣化運動現象,接著以此基礎提出「水滴移動猜想」並且驗證成功水滴置於 繪有親水弧線道的疏水振動平板上,會因為持續的不對稱鋪展收縮產生了振動-移動現象,且和水滴大小、振幅頻率、親疏線型、平板材質、張力黏度、角度…有關。本研究亦嘗試控制水滴使其產生繞圓周、直角過彎、 爬坡下坡等現象,更測試出「懸吊」水滴的振動-移動。最後,針對其形態、受力加以分析,提出模型予以解釋。

轉吧~風動陀螺

我們曾於網路影音平台中看到有趣的風動陀螺影片,激起我們想進一步研究風動陀螺無限旋轉的秘密。本文主要針對「扇葉設計、陀螺配重、循環扇」三個部分探討:發現(1)風動陀螺扇葉長度影響轉速但沒有改變穩定度(2)風動陀螺寬度會影響陀螺轉速與穩定度(3)扇葉形狀以圓形最佳(4)當傾角位置為1cm角度15度時,陀螺轉速最快且旋轉穩定(5)於陀螺中心配重或配重於扇葉下方都能提升轉動穩定度(6)限制陀螺旋轉範圍,半徑越小轉速越快但越不穩定(7)當循環扇中央遮風板半徑大小改變時會影響陀螺轉速與穩定度(8)陀螺與循環扇的半徑比會影響轉動穩定度,最佳範圍在0.5~0.8。

來自鄒族的科學鳥羽箭-探討鳥羽箭的氣動流體力學與聲學之研究

鳥羽箭為鄒族獵人必須學習重要的狩獵技術,蘊含流體力學知識。經由耆老的指導鄒族鳥羽弓箭製作,發現鳥羽弓箭的確可以增加射程及準確率。接著進行最佳化探討,研究發現如下:(1)製弓要使用4節桂竹,(2)箭長度最佳為使用90公分箭竹,(3)最適合黏貼藍腹鷴羽毛於箭尾,(5)射擊的角度0o與45o有最遠的射程,箭尾增加射程及準確率也可於小型鳥羽箭射擊模型被證實。接著探討藍腹鷴羽毛作為箭羽的優點,經實體實驗及模擬實驗相互比對,發現藍腹鷴的羽毛具有穩定流場的功效,藉由實驗分析圖我們發現藍腹鷴鳥羽相較於其他羽毛有較高的風速,產生自較強氣流,紊流卻可減少,降低噪音。以上特點均可提高獵人狩獵成功率,同時支持原住民族科學也可以被西方科學證實。

水階

此主題是探討水在傾斜表面上流動時所產生的水階現象。實驗結果,表面傾斜角度、單位時間的水流量、水的流速、表面粗糙度及表面材質等,皆會影響水階現象的產生。表面粗糙度越大,水階現象越明顯,水階是因為前方的水流流速因為摩擦力變慢,而後方水流追上前方,累積的結果就產生了水階現象。板子傾斜角度介於3度到60度之間皆會產生水階現象。傾斜角度越大時,其產生水階現象時的最大水流量值,卻顯著變小。原因是傾斜角度較大時,將造成水流速較快,若再加上水流量較大,大量的水就會相互覆蓋而無法產生水階的現象,因此角度大時反而要小的水流量才能顯現出水階現象。表面若為疏水性材質,造成水流集中而無法擴散流動,亦無法產生水階現象。

水中龍捲動起來!

漩渦樣態像極了水中的龍捲,生活中有許多水中龍捲的發生與應用。我們想要製造出美麗完整的多龍捲,並且讓它們能自由自在的移動,那麼需要哪些條件呢?首先本研究先從電磁攪拌器產生的水中龍捲了解基礎特性,然後自製小體積的可移動水中龍捲產生器,接著有系統的實驗,依序由移動單龍捲、移動雙龍捲、再到移動三龍捲,逐步探索移動水中龍捲的生成條件與影響因素。實驗結果發現水中龍捲會受到移動速率與彼此距離的影響,移動越慢越有利於生成,而多龍捲之間過於靠近則會有相互消長的變化。值得一提的是,旋轉移動的方向如果與龍捲自轉同向,竟然會讓各種移動多龍捲的生成,全部都有顯著的提升。移動中的多龍捲具有豐富多樣的變化,十分有趣。

溶液深淺長短跑-創新方法精密測量折射率與液體濃度的關係

我們利用一般裝潢使用測量距離的雷射測距儀,配合理論推導,自行設計實驗方法與步驟,成功地精確測量各種水溶液在室溫下的折射率。透過我們的實驗方法與高中光學插針法測量液體折射率的實驗比較,測量誤差比插針法得到的實驗結果小一個數量級。我們還利用此實驗方法精確測量不同濃度的各種水溶液之折射率,探討折射率與濃度之間的線性關係。我們更進一步測量雙溶質水溶液與不互溶的兩液體,發現其折射率皆具有線性疊加的關係。

踢出完美曲線~足球香蕉球運動軌跡的物理探秘

常常在足球比賽過程中,看見踢定位球時,球在空中劃出弧線後進球得分,實在令人著迷。這美妙的弧線球是如何踢出的呢?本研究係運用所學過「槓桿原理」、「輪軸裝置」等省力原理,自製一臺「足球發射器」,藉由實驗得知足球香蕉球飛行的情形,並印證其中原理。 本次的實驗結果,當鞋面偏角設定為30與45度時,踢中球的第5點(足球正視圖的中心點往右3公分的垂直線及往下3公分的水平線之交點),以及將鞋面偏角設定為30及60度踢中足球的第6點(足球正視圖的中心點往下3公分的點)時,能讓足球產生較大的向左彎曲的情形。期能讓學生能透過更科學、更有效率的方式 來學習踢出「足球香蕉球」,也能體會更多的踢球樂趣喔!