物理科

布朗運動，在人最常接觸的空氣與水中都會發生，卻很少人注意到，偶然的機會下我們開始探討其現象。對於亞佛加厥數好奇嗎?在物理與化學中，這是個非常重要的常數，卻不知道它如何而來。為了證明其正確性，我們找到了愛因斯坦推導出的公式並藉由布朗運動，以創新的方法、便宜的儀器，觀察與測量並導入公式內，求出其值到1023的科學尺度。現階段，測量濃度極小的溶液是相當不容易的，需要昂貴儀器、特定的限制。實驗觀察的同時，我們發現有趣的現象：不同的濃度下，微小粒子在溶液中運動方式竟然不同！於是對此現象加以探討，經由多次測量與計算，我們僅藉著實驗室中簡單的儀器：攝影機、電腦、顯微鏡，便能推測離子溶液的濃度。

我們有很多次這種經驗：「前面的馬路上有水」，可是當我們走近那地方，卻發現水不見了！原來看見水的感覺是錯覺，是虛幻的；這到底怎麼一回事？我們想揭開柏油路面上虛幻水光的謎底。本實驗分四個步驟進行：步驟一：實地觀察---透過觀察找出形成虛幻水光的可能因素。步驟二：資料蒐集與分析---分析第一階段實地觀察得來的數據及參考有關文獻，提出假設。步驟三：實驗驗證---在實驗室中模擬戶外情境驗證假設。步驟四：再觀測、驗證---「假設」在實驗室中得到證明後，回到馬路現場，再驗證一次。由本實驗知道柏油路上虛幻水光的形成原因是：1. 鏡面反射—只要入射角度夠大，在柏油路面也可以看到鏡面反射現象。2. 溫 差—溫差使柏油路面上的空氣密度有了漸層的變化，貼近路面的那一疏空氣層使射入路面的光產生全反射，也使我們看到亮亮的水光。

本作品主要在探討“如何使不插電的燈發亮”。從元宵燈會中，螢光棒發亮的現象觀察起，先用自然課學到的方法—接通電路和常見的摩擦方式來實驗，再推想其他方法，使不插電的燈發亮，進而探討哪些燈不插電也會亮，哪些因素會影響不插電的燈的亮度，哪種摩擦物最快使不插電的燈發亮，最後試壞掉的燈管是否也會亮。一連串的問題終於一一解開：原來不插電的燈管，用接通電路、摩擦、接觸電視螢幕及用檯燈照射等方法都會亮；凡是含有螢光物質的燈，不插電都可以讓它們亮；摩擦物的材質、溼度、溫度及摩擦時的環境溫度、溼度和摩擦的速度，都會影響不插電的燈管的亮度；用氣球摩擦最快使燈管發亮；最後連閃爍和全不亮的燈管，摩擦都會亮。

海市蜃樓形成的原理就我們所知只有一個：光線經過多層折射率不同的均勻介質，當折射角大於或等於90 度時，光直接全反射。既然海市蜃樓是因為光通過折射率不同之均勻介質而產生，於是我們由最簡單的現象著手：探討物體在一層的各均勻介質中，其折射率與成像位置的關係、介質厚度與成像位置的關係、不同均勻液體層數與成像位置的關係，並由實驗結果，揣測光在自然界的行徑路徑。

沉澱於液體底部的溶質擴散後，在鉛直面上會呈現濃度不均的現象。本研究利用雷射光折射後的偏移量特性，來觀察溶液經擴散後濃度對高度的關係。我們觀察30天內六種溶質在不同擴散條件的濃度分布。實驗結果顯示：(1)不同溶質間存在著類似的擴散模式；(2)擴散模式劃分為兩類。為探討上述兩種擴散模式，我們修正擴散理論並用以比對實驗結果，發現公式中溶質的擴散係數亦分為有無離子團兩類，有離子團的溶質擴散係數較小，無離子團的溶質擴散係數較大。因此我們進而提出分群理論，以解釋為何擴散係數分兩種。最後，為了得到更長時間的濃度分佈情形，我們利用擴散理論的推論結果和實驗測得的擴散係數做數值模擬，得到千萬年以後的濃度分佈，並發現其最終態為波茲曼分佈。

本研究主要透過光的三原色(紅色、綠色、藍色)來分析顏料顏色。首先將紅、綠及藍三色發光二極體的光經過障礙物，觀察到光的三原色及顏料三原色(洋紅色、青色、黃色)的混合現象與關聯，藉此建立以光的三原色來分析顏料顏色的技術，並做為原色示範教學。其次，以混色色卡為樣品，量測紅、綠、藍光之反射功率，並利用光的三原色比重將顏料顏色用數值表示，也就是量化。最後，從顏料三原色量到的紅、綠、藍光之反射率，可模擬出不同比例顏色混合下的紅、綠、藍原色比重，與實驗相符，以此方法可以獲得某一顏料顏色的洋紅色、青色、黃色原色組成比例。基於此研究，我們提出顏色混合比例分析儀的構想，並驗證便宜的光敏電阻可做為此構想的量測工具。

本研究實驗結果顯示市售的奶瓶測溫貼因為瓶內外溫度差，及本身顯示的度數極少，造成瓶內真實溫度和瓶外貼片顯示溫度有極大的差別，可能對於嬰兒的喝奶溫度造成誤差而使嬰兒受到傷害。實驗中我們也探討了不同材質的奶瓶，測得誤差值的大小有所不同，並最後也推算出修正函數讓貼片顯示的溫度能夠更準確。最後本實驗以14.89%的奶水外側以紅外線感測器來測量外側溫度，發現無論為玻璃或是塑膠材質的奶瓶，其外側中間與內側中間的溫度變化趨勢幾乎一致，且兩者相關係數達到0.92 以上，可用來設計製造出一個更能測得奶瓶內真正溫度的測量儀器。

在這個研究中，我們透過各種實驗來進行不同品牌衛生紙的紙質比較，包括比較紙張的重量、觀察紙張的紋路以及張力大小等等，主要的目的是為了找出哪一個牌子的衛生紙能夠承受較大的拉力。另外，我們還將衛生紙以不同的對折、內捲或外捲的方式，來測試何種方式可以讓衛生紙承受更大外力的拉扯。而在研究結果中，我們發現各個廠牌中，以百吉牌衛生紙的拉力最好，而且由實驗觀察可以發現，從「直的」纖維紋路方向對折四次後，再捲 10 圈，甚至更多圈，都能增加衛生紙的拉力。

本研究是從自然與生活科技領域中有關「力」的單元出發，利用銣鐵錋磁鐵與鋼珠的組合，探究其中發生的碰撞及能量傳遞現象。研究中，我們發明了「滑輪磁力測量儀」及「磁力測量儀進化版」，進一步研究鋼珠與銣鐵錋磁鐵發生碰撞時，最右端的鋼珠所受到的吸力多寡及能量的傳遞情形。 最後，我們改裝原本的碰撞儀來測試各種防撞材質的反彈及能量傳遞情形，企圖找出最好的防撞材質應用於日常生活中。 我們利用一整年的時間完成這個銣鐵錋磁鐵與鋼珠的碰撞研究，獲得非常多的收穫。

水是萬物生命的泉源，是一切生命的基礎。而水在大自然中會以許多不同的狀態呈現在世人眼前，這些不外乎就是固體、液體、氣體。在國高中的課程中我們學到了水的三相圖，了解了水在溫度或是壓力的改變下所產生的變化。