全國中小學科展

物理科

再造一個我─似假還真的立體影像

曾在科博館看到大型的全像片,市面上也常早見到這種可呈現 3 - D 立體影像的特殊照片,甚至信用卡上也可發現全像的應用,因此引起我去了解它的原理及加以深入討論的興趣,到底全像片是如何拍攝的?有何優缺點?有什麼應用價值?而一般全像片只能記錄物體 180°的立體影像,是否能改良成可看到物體 360°立體影像的全像片呢?

「危」風陣陣摧~探討微風對纜車的共振影響及改善方法

遇到強烈陣風為纜車停駛的條件之一,然而我們更想知道未達停駛之陣風是否也會引起纜車共振,造成隱憂?首先,利用樂高積木製作長短、角度不同的六隻吊臂連結自製車廂,取得擺盪時的張力變化、角度及角速度,更定義了擺盪指數=角度最大差值 ×角速度最大差值來比較吊臂的安全程度。再來,透過穩定遮風製造出不同頻率的陣風,得到陣風雖未達停駛標準,但若頻率接近纜車擺盪頻率時,確實能夠引發共振,其中以180度直臂最危險,來回角度高達80度。然而角速度愈大,造成的纜繩張力變化也大,致使塔柱負擔增加。最後,我們將吊臂改良為伸縮吊臂,透過無線遙控改變長度,破壞陣風的共振,成功在20秒內有效改善擺盪情形,以期爭取時間讓乘客安全到站。

橋的振動

在我們學校的操場上,有一個用鐵鍊和鐵棒做成的吊橋。下課時,站在樓上的走廊,看見有些小朋友玩著吊橋,隨著他們的走動,橋也跟著搖晃,有時左右動,有時上下動,忽大忽小,有很多種變化,使我們想研究這個實驗。

有趣的指尖陀螺

指尖陀螺旋轉時感覺有定向、牽引、穩定、改變重量的力量;我們以文獻探討、調查、定位觀測、吊掛觀測、滾輪觀測、三軸定位法來探究這些有趣的現象。我們發現指尖陀螺:(1)外型對稱,會穩定平衡的水平、垂直定向轉動,這和重量、翼數、精密有關(2)旋轉方式不影響旋轉時間,但重量有減輕現象(介於0.1~0.2克間)(3)水平吊掛順、逆時針轉動,會水平穩定旋轉,不受擺動影響;但旋轉路徑不同(4)吊掛垂直擺動時,軸距長旋轉時間久,這與垂直定位旋轉變水平定位旋轉有關(5)軸水平、垂直方向旋轉,會產生偏移的力(6)垂直、水平旋轉,有穩定滾動的作用(7)三軸定位器有穩定平衡的避震功能。我們希望擴展指尖陀螺有趣的研究成果,讓更多人喜歡研究科學。

被冰封的漩渦流-探討放熱式漩渦的氣體逃逸路線

所謂的放熱式漩渦,推測是一種類似對流的結果,由於水結冰前(4℃→0℃)體積變大而往上流動,加上與水中所析出氣體的逃逸路線(往上)相同,提供漩渦的動能,實驗發現渦流的旋轉方向皆有可能,故應屬於水體為平衡渦流動能系統的因應結果,導致整體旋轉的方向會保持一致。 所以我們利用色素水在結冰前的純化作用,從所排擠出的色素範圍形狀,及溶解的氣體由水中析出後的行進路徑來觀察,便能看出水體在凝固前,放熱式漩渦所形成的特殊結構,研究發現: 水在凝固結冰時的型態會受到容器的形狀、大小及冷卻部位差異的影響,就算不同的獨立水體靠近後,依舊會彼此相互影響,這些都會產生不同型式的放熱式漩渦流動。

中華民國第三十九屆中小學科學展覽-物理科評語

由此次科展,我們發現國內基礎國小、國中、高中之科學教育,己慢慢揚棄以前教條式、公式化之教學,學生己能培養主動去挖掘問題,並實際動手去搜集資料,以實驗去作驗證之精神。對實驗數據之分析,亦能使用正確之方法,國中生甚至國小學生亦能使用電腦作數據處理,並用網路去尋求答案或資料,實為難能可貴,亦可頂期我國教育之向下紮根表現,此為國內教育升學管道多元化以後,學生唸書不再以升學目標作導向之結果,以及中小學教學生活化、趣味化之結果。 另與去年比較,今年的國中、高小及初小三組題材比較活潑具有創意的題目比較多,顯示這三組學生的思考有活潑化的傾向,對科展也比較用心。高中組則表現平平沒有特別值得一提之處,大約是升學壓力還沒有減輕。又作品多偏向現象的描述,如何量化還有待努力 〈 指導老師的指導相當重要)。

微妙的震動

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。

尋找小水滴

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。

迷路之音─腔體共振減噪的研究

本研究主要探討開口管自然頻率的聲音在腔體共振後產生的減噪效果。我們利用穿孔管及密閉腔體自製共振減噪裝置,針對不同的變因設計實驗來驗證,研究結果如下:一、形成共振減噪須滿足條件為:(一)穿孔管長度為欲消除聲音波長的二分之一;(二)最佳開孔位置與入口端腔壁需距離四分之一波長;二、當腔體共振減噪時,開孔數量越多,減噪率越高,有效減噪頻率會越接近自然頻率;三、在最佳開孔位置前後端另外開孔,可同時增加自然頻率附近的減噪率,擴大有效減噪範圍;四、多位置開孔時,孔距對孔徑比為7:3,有最佳減噪率;五、密閉腔體容積會影響減噪效果,容積越大,減噪率越高。

幾何滾拉拉

我們的實驗是為了觀察物體旋轉落入水中的軌跡,其與轉動慣量、落水速度及轉速的關係,落水速度可用距水高度控制,而轉速則可用馬達來控制,至於轉動慣量,我們另外設計了一組實驗,利用能量守恆的慨念,測量待測物(不規則形)的轉動慣量後,再來觀察不同轉動慣量的物體入水的軌跡。測量轉動慣量部份,我們測量了三角形、正方形以及一些特殊形狀的物體,例如傾斜待測物和有挖洞的圓板,應用於後面的實驗。觀察物體旋轉落入水中的軌跡方面,我們重點放在物體在不同轉速、瞬時速度時,其移動與受力的關係,利用相機動態拍攝,拍下物體在下落的過程中,位置和轉速的變化,記錄並分析速度、加速度和受力,與轉速和落水速度的關係,並改變物體的轉動慣量(挖洞)來觀察其變化。