全國中小學科展

物理科

一折不兩斷的義大利麵條 —探討不同條件下義大利麵條的斷裂情況

用手折義大利麵條,並不容易斷成兩段,反而常斷為三段以上。我們建立能控制變因的折麵條機構,模擬手折的情況,探討不同義大利麵條斷裂的情況。 發現砝碼的落下距離越大、兩施力點越近、施力點與支點越遠,麵條容易斷成兩段,當麵條越彎曲,越容易斷裂。圓形麵條越粗,容易斷裂較多段。而寬扁麵條的平均斷裂條數少於圓形麵條。 當麵條受力後,彎曲處會像波一樣傳遞。若是慢慢彎曲麵條,會使麵條在最脆弱處產生第一個斷裂點,接下來會因能量傳遞而在其他點繼續斷裂;若以一定速度彎曲,曲率半徑最小處傳遞後,會在先轉動的施力點另一側發生第一次斷裂點;文獻與實驗都可發現斷裂的麵條會被拉直,產生曲率半徑較小的位置,而繼續斷裂成多斷。

翻轉紙片—大嘴巴飛行器

大嘴巴旋轉方向要符合馬格努斯效應,才能使紙片上升,製作大嘴巴時需選擇紙張材質輕盈,形狀必須符合慣性旋轉,並搭配不易變形容易操控的起風板,輔以玩家本身的訓練,便可成為好玩的科學小遊戲。實驗中,最佳的大嘴巴飛行器造型如下:利用日曆紙製作成長寬比值為4.0,長為20公分、寬為5公分的長方形,利用錯開接合的方式,讓兩端薄翼呈現2公分、且讓兩翼完整、成一字形,中空處為自然狀態的橢圓形。起風板選擇不易變形、輕盈的厚珍珠板。操作方式首先需先控制好大嘴巴啟動時為逆時針旋轉方向(從實驗者右側面觀察),接著調整起風板角度,掌握好上升、下降、轉彎時的起風板角度及方向的訣竅,在無風的環境中便可大玩『大嘴巴飛行器』。

水的圓舞曲

洗東西時,有時會形成水膜、水苞,讓我們驚嘆,但有時卻噴得到處都是,造成我們的困擾,所以我們想找出水柱沖在物體上的規律性。我們將物體分為平面與凹凸面,用水以不同流速、水柱長沖在物體上做探討,結果發現平面物體正多邊形邊數愈多,水沖在上面愈容易形成水苞,且物體愈小、流速愈快,水苞變寬率愈大。我們也發現平面物體,只要傾斜60度以上,不管水的流速有多快,水都會沿著物體傾斜處斜斜流下來,不會形成圓弧狀。而流速愈快,沖在愈小、愈淺的凹物體上,水平噴水距離會愈遠。藉由這些實驗結果,我們就知道該如何沖洗東西而不把自己弄濕,而所探討出的水膜、水苞規律性,也可以應用在噴水池公共裝置藝術當中,讓我們的生活環境更加美好。

欺騙你的小眼睛─視我本色

我們主要是在探討眼睛看到的顏色不一定是真實的顏色;我們主要有兩個研究主題,一個是探討色彩對比後的視覺,另一個則在研究色彩同化後所產生的顏色變化。我們要探討的變因有:顏色變化與底色的顏色及線條的粗細、間距、密度、彩度等的關係,最後也結合了「色彩對比」及「色彩同化」的原理與視錯覺「白色僧侶幻覺」的關係。

表面功夫-用自製儀器測量液體的表面張力

自然界中存在著表面張力,它讓水黽浮在水面上讓大王蓮載重,所謂表面張力就是液體表面會有分子的作用形成一層膜,這層膜會將表面積收縮成為最小,這收縮的力就是表面張力。在實驗中我們利用生活中的物品,組裝出一個自製測量表面張力的儀器,水的表面張力經過水溫、界面活性劑以及不同液體的測定實驗後,發現我們自製的儀器很精準,原來許多自然科實驗不需要花大錢來買測定儀器,自己研究出來的才會有實驗的樂趣與成就感。而我們也利用各種清潔劑來探討表面張力被破壞的情形,原來清潔劑又稱界面活性劑有著親水基與親油基,親水基會跟液體表面的薄膜作用進而破壞了表面張力,不同清潔劑溶液有不同的表面張力,有些更會隨著濃度改變而變化。

神氣「浮」現—氣浮裝置之原理探討

網路看到彰師大的氣浮球實驗,覺得很神奇有趣,便著手進行探討其中原理。經過多次失敗與改進,終於成功利用自製材料做出氣浮裝置。原理探究過程中,先後自製了風力測量裝置、氣壓測量裝置和斜面裝置來進行實驗。原本以為是產生的風力導致有氣浮作用,經實驗驗證發現,產生氣浮作用的真正原因,主要是利用渦輪扇將空氣吸入使得內部氣壓增加,然後氣體由底部逸出形成氣墊造成氣浮。此外,頂面開口口徑影響的進排氣速率、氣浮裝置高度、底部口徑、底部接觸面積等因素,都會影響氣浮作用。最後發現,雖然氣浮裝置自由滑動時有離開接觸面一微小距離,但與動態氣墊間還是有摩擦力存在,而動態氣墊會因氣墊量、密度、流速等不同,而有不同的摩擦係數。

漂浮液滴於液面上產生不連續性體積縮小的變化現象

水滴滴落液面的同時,水滴除了會產生漂浮之外,你是否可曾想到『水滴會產生至少兩次以上體積縮小的不連續現象』,如圖二。我們想知道,為何液滴不是一次就被吸附進入液面?而是在吸附進入液面時,會產生這種多次不連續性體積縮小的變化現象。我們實驗過程採用高速攝影機來觀察這個有趣的現象,實驗發現,液滴的表面張力、液滴滴落的高度、液滴體積的大小等,都會影響液滴是否產生這種不連續性的體積縮小現象。當表面張力越小,如酒精、洗碗精水等,液滴不僅會產生漂浮,而且在吸附進入液面時,產生至少兩次不連續性體積縮小的機率都達百分之百。而且,隨著液滴滴落高度的增加以及液滴體積越大時,產生至少兩次不連續性體積縮小的機率隨之下降。

神鰭魔力〝渦〞最行?!

本研究探討魚類擺動尾鰭,產生渦流與前進推力的關係。經測試與改良,製作能單純以尾鰭擺動前進的機械魚,並克服水中數據量測不易的困境,自製前進推力檢測裝置、水流流速偵測儀,也自製渦流製造機模擬魚體受力情況,希望找出尾鰭擺動造成加速的真相,結果如下: 一、魚以配速的方式擺動前進,速差越大,產生推力越大,前進速度也越快。 二、尾鰭擺動形成渦流作用於魚體,分為四個時期:單一渦流產生期、成對渦流產生期、渦流相遇期、合流期。 三、渦流相遇合流後,會產生強勁噴流,作用在尾鰭上是主要推力來源。 四、渦流重疊區越大,噴流強度越強,產生位置隨重疊區變小而往後移動。 五、噴流與尾鰭垂直方向夾角呈35度,有助魚體前進。

空氣的流動主宰著飛機的上升、下降和停止

今年有一架飛機從松山機場起飛,不久就墜入河中,因而死傷不少。於是我們便進行不同變因的飛機實驗,來驗證飛機在起飛、下降時會受到哪些因素影響。 飛機的機翼是上面凸下面平的;也利用這樣的設計來製作、模擬機翼,並用各種方法來實作,結果機翼真的會上升。 設計各種不同的擋風板貼在機翼上,並且設計飛機滑行的軌道(14m),結果測出了飛機降落滑行時的時間,也就是不同的擋風板,會使飛機下降滑行時受到阻擋而慢下來。

不『溶液』的華爾滋

太白粉溶液這類的黏稠液體受到外來驅動而產生溶液表面波或整體震盪;其圖形看似紊亂,但實際上是亂中有序的!我們使用訊號產生器連接喇叭並將溶液倒入固定於喇叭上的燒杯,利用攝影機拍攝溶液波動圖形,並使用Windows movie Maker來分析影片。探討不同初始條件下(Ex:濃度、深度)改變訊號源(驅動源)之頻率,發現相同濃度下波動種類隨溶液深度上升而增加也越複雜,但相同深度不同濃度下,則無太大關聯,於濃度Ⅲ 有較多波動現象。發現溶液具有分層的現象;發現溶液擁有記憶效應。當f=5~15時,一定頻率下的電壓值會愈來愈低;但當f>15時,一定頻率下的電壓值會增加。