全國中小學科展

物理科

彈跳蟲的運動分析

彈跳蟲看似簡單的跳躍方式其實隱含了非常複雜的機制,本研究利用彈簧來模擬其跳躍運動,並藉由調整彈簧端點間距與離地時間差來進行分析,換言之,本研究希望以客觀的科學角度,探討存在於彈跳蟲跳躍運動的奧秘。由研究結果得知,在釋放一端後經四分之一周期後再釋放另一端可跳最遠。

流動「生」力-平面溝紋對氣流升力及渦流形成探討

蜻蜓飛行時翅脈造成空氣渦流提高翅膀升力。以鋁片製作仿生溝紋扇葉,改變溝紋斜面長及高度進行風洞試驗。相同風速下,將垂直式溝紋扇葉進行溝紋高度、數量、高度差、間距等物理量改變的風洞測試;藉空氣渦流、扇葉上空氣曲流觀察與升力變化比較,找出較佳組合條件,並比較不同風速下的差異。實驗發現,垂直式溝紋升力較傾斜式佳,渦流造成扇葉上氣流曲度增加。相同風速下,若渦流形狀較圓,則上層氣流曲度大,扇葉所受升力也較大。相同扇葉在氣流速快時,渦流較扁長,上層氣流曲度小,升力較大;依附壁效應推測,可能風速快形成曲流的向心力較大。風速每秒2.65m,三溝紋扇葉高度依序為8,6,4cm;間距依序為6、4cm有最佳升力效果。

層層有序

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。

360°旋轉─小鋼珠的驚奇之旅

一顆從斜面滾下來的珠子引起了討論,於是對球體滾動產生了許多的遐想。在遊戲中,看著鋼珠在 U 型軌道內翻滾、徘徊,似乎很想跳脫軌道的侷限;於是決定了研究主題分別是(一)拯救鋼珠大作戰(二)讓鋼珠乘坐雲霄飛車在 360°的軌道上自在遨遊、(三)鋼珠的登山之旅;這一系列活動組成了小鋼珠的驚奇之旅!本研究,要了解鋼珠在彎曲軌道上的滾動情形。過程中必須製造 u 形軌道、360°迴旋軌道,以及連續坡道;於是,拿著電鑽、鋸子、螺絲起子等,像木工一樣,這樣的體驗很特別;當工具完成,進行操作時,許多的問題又一個個冒出來了,我們一面讓自己反覆的操作使自己熟練;一方面必須仔細觀察、思考,找出問題也才能解決問題,例如測量滾動不停的鋼珠所到達之終點高度等等。然而,最後看到鋼珠在軌道上奔馳,那種欣喜的感覺,是不可言喻的!

我想把顏色變不見

老師教我們製作由紅、橙、黃、綠、藍及紫等比例六種顏色,組成的牛頓盤快速旋轉後會變成白色,但同學們所製作出來的牛頓盤沒有一個可以變成白色。我們想找出原因,由分析同學的牛頓盤開始,依顏色材質、尺寸大小、顏色排列及顏色比例等做實驗,結果發現使牛頓盤變白色要加一靛色,七種顏色等分,但必須要較淡且柔和的紅、橙、黃、綠、藍、靛及紫色組成,或者也可以不等比例的顏色組合,其比例必須以三稜鏡做光譜色散實驗,量算出各顏色所佔的比例,依其比例和顏色製作牛頓盤,快速旋轉後一定會變白色。製作牛頓盤所用的顏料以可調配的廣告顏料和水彩最好的選擇。

嘩啦啦與淅瀝瀝~水柱變水滴的探討

因在走廊上躲雨時產生了疑問,而展開這次水柱變水滴研究,首先我們製作一個可以提供不同水柱流速及不同直徑水柱的水箱,此水箱在進行水柱流動時,它的水面可以維持在同一個高度,利用照相機拍下落下水柱的照片,我們觀察到落下的水柱會有三段不同的變化,分別是穩定水柱、擾動水柱及水滴。我們發現,水柱初速越快穩定水柱越長、水柱直徑越大及表面張力越小,都會使擾動水柱越長,而水滴大小存在一定的極限值。

神奇的水中蛟龍

以往浮沉子除了在上課教學演示講述其原理外,很少做其他相關的應用,所以我們希望能藉由這次參加科展的機會,找出浮沉子的相關應用: (1) 製作各式的浮沉子及其原理的探討。 (2) 製作出浮力溫度計,可將浮沉子應用在測量溫度。 (3) 配合浮沉子設計簡易的實驗,可應用在測量未知液體的密度。 我們由實驗中推導出一個未知液體密度的測量公式: D未=M1Vc/(V1Vc-VB.△Vc) (M1=浮沉子重量 V1=浮沉子原體積 VB=浮沉子內空氣體積 Vc=實驗容器內預留空氣體積 △Vc=塑膠針筒壓縮體積)

葉葉生歌

大自然的一片葉子,如何吹奏出一首首動人的歌曲,經過我們的研究發現,「葉笛」是因葉片受到氣流吹拂,而振動發出聲音。若想吹出較高的音高,則葉片的受風寬度要窄、葉緣曲率半徑要大、受風長度要短、吹氣角度要小、葉片要柔軟等條件;若想吹出較低的音高,則葉片的受風寬度要寬、葉緣曲率半徑要小、受風長度要長、吹氣角度要大、葉片要厚實等條件。而想要利用葉子吹出動人的樂曲,葉子必須是容易吹奏且容易控制音高,因此葉子的葉緣曲率半徑、葉片的彈性、音域都必須適中,葉緣形狀也以平整較佳。只要選對葉子,知道吹奏的技巧,再加上「一直吹」的不斷練習,人人都有機會成為葉笛達人的。

水中鑽戒- 探討不同條件下對水鐘形狀的影響

清洗高腳杯時,發現水出現奇特形狀,決定研究水鐘。探討的變因包含擋水片的大小與形狀、水管粗細、出水量、出水口高度及不同表面張力的液體。發現流速不同時,固定溶液的水鐘長寬比變化不大,但不同溶液有不同的水鐘長寬比,表面張力愈大,水鐘愈矮胖。水鐘的寬長比與表面張力的關係圖為固定斜率的直線。也發現流速愈快,水鐘愈大。當擋水片為3cm及水管粗細為直徑1.29 cm時,都可以出現最大的水鐘。當出水量愈大,造成的水鐘愈大,形狀也愈矮胖;出水量太大,則出現水傘形狀。當出水口高度愈小,愈容易出現水鐘形狀,愈遠,則容易出現水傘形狀;而出水口高度愈大,則水鐘形狀愈矮胖也愈大。不同形狀的擋水片,則會在出水口高度較大時,出現水花瓣。

油比較就有熱趣

本實驗量測食用油與混合食用油在不同溫度下的比熱變化,利用恆溫加熱板與自製卡計,搭配Arduino開發板與熱電偶溫度感測器來進行實驗,我們根據牛頓冷卻定律修正加熱板功率,得到自製的卡計相較於化學實驗用卡計有較高的精確度,再利用自製卡計量測0~60℃食用油的比熱。我們發現混合食用油的比熱皆高於原本的純油,食用油在高溫時比熱些微下降,比熱(S-T)呈下彎曲線;混合食用油在高溫時比熱明顯上升,比熱(S-T)呈上彎曲線,這兩個比熱特性或許是除了光譜儀,另外一個可以用來區分純油和混合油的方法。