全國中小學科展

物理科

聲波激擾對噴流擴散特性與燃燒性能之影響

本研究以實驗方法觀察受聲波激擾的噴流之等溫流場特徵及燃燒火焰行為,探討聲波激擾對噴流的混合特性及燃燒性能之影響。使用熱線風速儀量測聲波激擾引致噴流出口速度振盪的特性;應用流場可視化技術,觀察噴流的流場特徵;藉著量測噴流之側向擴展寬度,比較噴流受聲波激擾之前與之後的混合與擴散特性。最後,丙烷作為噴流的流體,點燃噴流形成燃燒火焰。觀察燃燒火焰的顏色與外觀尺寸變化,探討聲波激擾對燃燒噴流的燃燒性能之改善。結果發現聲波激擾噴流時,藉著「回吸預混」、「渦漩形成、演化、捲入、破碎」與「紊流增強」效應等物理機制,有效提升噴流與週遭空氣的混合與擴散特性,因此,在實際燃燒噴流的工業應用,可以明顯的提升燃燒效率。

帶「靜」紗窗,防塵來「勁」-靜電紗窗防塵效果研究

我們發現學校、家裡到處有灰塵,室外的灰塵會經由紗窗進入室內,無論在櫃子上、桌上、地上都常常有灰塵,心想如果利用靜電吸塵的原理,讓靜電導入紗窗,是否能成功阻擋灰塵進入,來改善室內空氣品質,實驗結果發現我們研發的靜電紗窗,確實能攔截灰塵,攔阻80—90%的懸浮微粒進入室內,且透過並聯兩台靜電產生器的效果尤佳;同時利用線香煙粒,發現線香在通風環境正常燃燒下,靜電紗窗也可延緩室內空氣品質惡化。我們成功地在不鏽鋼紗窗上裝置自動型靜電產生器,研發出靜電紗窗來取代市面昂貴的靜電紗窗,有效地減少灰塵進入室內,維護空氣品質。

來自光的你─光學幽浮現象之探討及應用

本研究主要為探討光學幽浮的可能成因,我們利用實驗搭配模擬的方式研究,共嘗試了兩個模擬方法與四代的實驗方法。首先模擬出空氣折射率變化層與材料折射率變化層的光線行進路徑模式,再利用實驗直接驗證在材料折射率變化層的結果是正確的,間接驗證在空氣折射率變化層的正確性,也就證明了空氣折射率變化層真的可能造成幽浮現象。其中材料折射率變化層未來有機會應用在光纖轉接頭、隱形斗篷等的設計與製作。

奈米球排排站

奈米結構的廣泛應用,使得蝕刻技術不斷進步,為了追求兼顧經濟,且具高效率的蝕刻技術米球,製作遮罩的技術因此孕育而生。1993年開始利用自組裝效應,研發出奈米球微影蝕刻的技術。這個方法是使用標準尺寸的奈米球膠體,利用其高度排列整齊的自組裝效應來製作遮罩,在基板上以六方最密堆積的形式排列成週期性結構,調整不同製程參數,就可以改變奈米球最密堆疊層數,進而得到不同之遮罩,另外在教授的實驗室發現在不同的磊晶機制以及舉離溶液的搭配下,可以得到不同之蝕刻圖樣。這種蝕刻方法的好處在於所需的儀器設備相當低廉、製程操作容易;只需變化不同奈米顆粒球的粒徑,便可在各種基板上得到不同奈米尺寸的大面積週期陣列結構。

電磁線圈與磁鐵的愛恨情仇

通電線圈與永久磁鐵均有NS極,憑此相同磁極的推力可將線圈與磁鐵當成電磁砲。在研究中,我找到一種可以立即得到磁力大小資訊的探索方法――利用推拉力計與量錶測量出線圈內部力量與距離的曲線,得知線圈內部磁力大小的分布。實驗一將永久磁鐵由線圈的單端進入,發現推力與位置關係呈現鐘形,過特定位置後推力降為零。實驗二的永久磁鐵起始放置位置與發射距離關係也印證此結果,放置位置的推力與距離所圍出的面積(代表作功)越大,則發射的距離也越遠。這又引導我增加繞線單位密度,經實驗證實,短線圈確實能產生更大推力。最後在線圈中加入軟磁鐵棒,產生奇特的雙推力高峰現象,也確認能產生更大的推力與距離面積,也就能發射得更遠。

『葉』藏『旋』機—應用熱對流原理降低地表溫度及其他相關應用

近幾年暖化造成全球均溫提高,水泥叢林讓地表溫度更高,午後聚集大樹下,發現樹蔭下涼風徐徐,空氣從樹冠外圍往樹蔭吹來,思考如何利用熱對流降低地表溫度,設計以下實驗1.探討不同地面物質及不同光源角度吸熱後溫度變化;2.利用太陽能風扇增加空氣流動速度,觀察溫度變化;3.製作不同大小及形狀圓錐,觀察各高度溫度變化;4.將圓錐加上太陽能風扇,觀察各高度溫差,依實驗結果提出概念一太陽能葉片,利用強制對流加速空氣流動速度,達到降低地表溫度效果,概念二探討熱對流發電的可能性,利用不同形狀的錐狀物組合,觀察自然對流及強制對流環境下的溫差,觀察是否能在不加入外部能源的條件下,利用熱對流造成的溫差,達到發電的效果及規模。

火 燄2004

我們從 2 個有趣的小實驗出發:就是在嘴巴和蠟燭的中間擺放一個物體,這三者必須等距約為10~15cm且必須在同一條線上;當中間擺放的物體為球體時:火燄很快得被嘴巴吹出的氣流吹滅。如果換成舊形火材盒大小(即長方體)那麼用力吹氣後,火燄不但不會熄滅,而且火燄的燭火也會朝向火材盒這邊。這個有趣的現象,引起我們研究的興趣。我們科展的實驗目的:是將上述會熄滅的想辦法,把他改成繼續燒,而原本不會熄滅的弄成會熄滅。經由邊界條件、改變遮蔽物的外型、表面的粗糙或圓滑、或在中間遮蔽物上挖洞觀察其變化情形、或者乾脆將遮蔽物換掉改成風扇,藉由葉片的轉動來探討有哪些因素是與空氣流動有關,從而得到答案與分析實驗結果。

看誰最神「氣」?―探討影響水火箭拋射距離之研究

探討如何將水火箭拋射得更遠的試驗之後,本研究的結論:⒈水火箭瓶內要裝水。至於裝入水與空氣的比例,依本研究而言是水量120ml/空氣480ml(1:4),水火箭被拋射的最遠。⒉裝入含洗衣粉濃度越低的水,水火箭被拋射的距離較近;含洗衣粉濃度越高,水火箭被拋射的距離較遠。⒊瓶內壓力越低,水火箭被拋射的距離較近;瓶內壓力越高,水火箭被拋射的距離較遠。⒋瓶內的水溫越低,水火箭被拋射的距離較近;瓶內的水溫越高,水火箭被拋射的距離較遠。

由塑性力學解釋夾鏈袋之裝置形變誤差

本研究針對不固定的包裝方式下,物體擺放及內容物所占空間及實際體積做一番物理及數學分析探討。企圖進行塑膠減量的方式,以減少包裝時塑膠袋的使用,研究實驗以夾鏈袋及粉筆為實驗材料,並記錄相關的的實驗數據,再以實驗解析方式建立模型,提出相關結果及建議。分析結論如下:由環保塑膠減量的角度思考,塑膠減量時若可以自由選擇裝載物品時,此時根據置入內容物的根數,以四層混合置入及五層混合置入是最好的選擇,且若推廣之日後物品的包裝應用時可以降少塑膠袋的使用,達到節能減碳的環保功能。

桐飛風舞—桐花旋轉之研究

我們觀察到桐花落下的旋轉情形,設計實驗來分析旋轉的因素。吾以樂高機器人製作發射器,高2.8公尺,進行各種模型落下的實驗,發現: 1. 平面模型落下會亂飄,無法形成旋轉。 2. 利用花瓣彎曲或增加花萼重量(重量為花瓣總重量2倍以上),讓模型穩定落下,形成氣流壓力差,成為旋轉的動力。 3. 發現花瓣越長,越易旋轉;三角形花瓣也優於長方形。 4. 花瓣俯視為右上左下重疊是順時針方向,左上右下是逆時針方向,我們也用氣流的分力來分析轉動因素。 5. 利用電扇,製作旋轉模擬器,以雷射光與光學感應器來記錄桐花模型旋轉的歷程,分析出3片花瓣的模型不易啟動,但轉動的末速度最快。 我們摘取櫻花、杜鵑花、雞蛋花、小雛菊,也發現它們都有順時針旋轉狀況。