全國中小學科展

物理科

『珠』步高升---利用容器成功取起彈珠之研究

本研究主要探究哪一種容器可以成功轉起容器內的旋轉物,在實驗過程中以塑膠容器為主。容易成功取起旋轉物的關鍵技巧為先把旋轉物轉到容器的最寬處再立刻將容器轉180 度,可以增加成功取起旋轉物的機會。 成功取起旋轉物的關鍵因素為:內縮瓶口的傾斜度、容器最寬處的高度和旋轉物的轉速。內縮瓶口傾斜度達 6.7 度就有機會成功取起旋轉物,但內縮瓶口傾斜度越大成功率不一定越大;容器最寬處高在 2.4cm~6.5cm 都容易取起旋轉物。旋轉彈珠時,發現瓶口越小所需轉速較快;而使用相同容器,發現旋轉物體積越小所需轉速越快。 利用自製的機器手臂控制轉速可以推論當容器的轉速夠快就愈容易成功取起旋轉 物,且實驗發現傾斜度 30 度以上的自製容器成功取起彈珠機率達 80%以上。

旋舞者---陀螺旋轉軌跡之探討

學校的課程中,我們製作紙陀螺來觀察陀螺旋轉時間及混色現象,但我們想更進一步了 解陀螺旋轉時的軌跡為何,因此分別以陀螺盤面大小、陀螺軸高、陀螺的幾何形狀等因素為 操縱變因,製作不同的陀螺來探討陀螺旋轉時的軌跡變化,並探討不同的陀螺對轉動軌跡的影響。

逆轉勝---一種測量虛像的新方法

虛像不是真實的光線匯聚而成,無法在紙屏上成像,不能藉由紙屏測量虛像的位置及大小,我們想在紙屏上找到虛像。高中物理對虛像位置及大小的測量,介紹了視差法,此方法誤差較大,在歷屆全國科展的作品中,作者利用自創的「視高法」測量虛像位置及大小,此方法也存在一些缺點,我們想找到更準確更具體的方法來測量虛像位置及大小,於是利用相機和刻度尺,記錄虛像發出的假想光線,依此推算虛像的位置與大小。 我們用自創的方法測量平面鏡及凹凸透鏡形成的虛像,都得到和理論值接近的數值。 為了讓虛像的呈現更具體,我們進一步使用雷射筆模擬虛像的假想光線,將虛像假想光線逆像射回,在紙屏上將發出假想光線的虛像位置找出來,結果也和理論值接近。

杯中乾坤大,籟中樂音揚-回授音的研究

本實驗探討聲波在容器內互相激盪所產生的回授現象,並證實利用聲音的回授現象可以測量聲速。研究發現: 一、 容器長度和麥克風的位置皆會影響回授音的頻率,容器底部、開口邊界處頻率較高。容器的內徑大小與回授音頻率無關。 二、 回授音頻率與容器和聲源的距離的關係圖中,出現波浪起伏的現象,將兩波峰間距離,乘以回授音頻率,會等於當時氣溫下的聲速。 三、 以閉管的回授音頻率解釋,我們測到在同一位置的頻率中,基頻與倍頻應是同時存在的,只是軟體只能顯示其中一個頻率。 四、 以測量開管中央的回授音方式來測量聲速,需再以節點數來修正才能得到較接近理論值的聲速。管子越長,節點數越大。 五、 大盆容器內的回授音聲場,頻率起伏仍有規律性。

「聲」獲好「頻」--探討影響紙喇叭音頻變化之因素

我們知道紙喇叭有擴音效果,聲音的三要素包含音色、音頻、振幅,本組想進一步研究紙喇叭對音頻分佈變化的影響。先了解市面上紙喇叭的類型及特徵,探討聽感與音頻分佈之關係,了解不同材質、長度和形狀對低、中、中高音頻分佈變化的影響。將通過紙喇叭出來的單音,以軟體轉化成頻譜進行分析。 研究發現,低音頻實驗長度的影響大,長的紙喇叭共振效果佳。中、中高音頻實驗紙材的影響大,瓦楞紙適合製作中、中高音頻效果的紙喇叭。 白棉紙40cm三角形低頻效果佳,具家庭劇院音感,適合聆聽熱門音樂。瓦楞紙20cm三角形,能提升響度展現中音頻音質特色,適合聆聽人聲及管絃樂。白棉紙40 cm四邊形及所有瓦楞紙紙喇叭,聲音清晰乾淨,適合聆聽長笛或洞簫等音樂。

溝渠發電-廢棄腳踏車變形微型川流式水力發電機

研究利用廢棄腳踏車設計與製作微型川流式水力發電機,研究目的:首先研究最佳發電線圈,其次製作水平發電機,設計水輪機,最後完成微型水力發電機。研究結果:漆包線直徑0.5mm繞1000圈,中心為木心、線圈直徑6.0cm發電效能較佳。利用最佳線圈製作的水平發電機在磁鐵盤速度20Km/h,功率約84W。微型川流式水力發電機在水流流速3.5公尺/秒,磁鐵盤速度30Km/h時,發電功率約220W。在灌溉溝渠實際測試,在水流流速0.9公尺/秒,磁鐵盤速度10Km/h發電功率14.5W,足夠提供4個12V的LED電量,具實用價值。台灣有溪流或水圳都可設置川流式水力發電機,降低生態影響、提供環保發電方式。

凱爾特石的反轉密碼

我們發現可以改變方向旋轉的迴旋棒(rattleback),感到很驚奇。我們想探討它產生迴轉的變化與原理。我們以(1)文獻探討法(2)調查法(3)數位成型法(4)灌模法(5)實驗法(控制材質、大小、形狀、底面粗細、旋轉力量、施力點、施力方法、施力方向等變因)(6)TRACKER軟體分析法進行研究,探討迴旋棒產生反轉的現象、原理及變化。我們發現:迴旋棒的反轉現象會受形狀、材質、重心位置、受力位置、受力大小的影響,我們應用迴旋棒X、Y、Z軸的關係及重心結構原理,對於這種發現我們十分興奮,希望繼續探討實作新型迴旋棒,擴展研究成果。

『虹』透半邊天-全圓彩虹登場!

我們的實驗以噴水以及玻璃珠的方式來製造穩定的彩虹,實驗中我們發現,利用玻璃珠製造全圓彩虹比水滴簡單許多,我們也發現折射率較高的玻璃珠所做出來的全圓彩虹上下可視角約44~46度,而小水滴不適合的原因是因為可視角太大上下整個圓可視角約85度(42.5*2),明顯超過人眼能同時見到的可視角,所以我們只能看到一整個圓彩虹的一部分,而彩虹的圓心就出現在反日點;另外我們也發現玻璃珠的大小確實會影響彩虹的寬度、仰角、複虹、白色弧形區域以及霧虹的產生與變化。

魔力!摩力的考驗-紙類摩擦力之探究

本研究從時間與重量來探討紙張與拖鞋的摩擦力。研究結果發現如下,第一:在互相夾疊中,紙張所夾面積大,厚度較厚,摩擦力較大。如所夾面積大的0.24mm影印紙,負重最多;所夾面積小的報紙與0.1mm影印紙,負重少。第二:報紙、0.1mm影印紙在斜面(25度)上,摩擦力較大。第三:紋路會改變摩擦力。在斜坡中,摩擦力小的0.19mm影印紙,貼各種紙紋路,摩擦力變大。5平方公分紙條(共10條)直排(順著下滑方向)摩擦力最大,10平方公分紙條(共6條)橫排摩擦力最小,且各式直排方式改變摩擦力較多。第四:利用50度斜面來測試拖鞋鞋底紋路摩擦力。粗糙面下,水量多,人字拖鞋大;未噴水,珠光皮拖鞋大。光滑面下,水量多,橡膠人字拖鞋大;未噴水時,黃色室內拖鞋大。

「機」來運轉

為瞭解機翼與風車運轉間的關係,展開一連串的探索之旅,整個研究包含三個部份。首先,為了找出最佳的機翼外形,我們自製風洞並且觀察風洞風速的特性,再從傳統到現代的機翼找尋靈感,從距離出風口遠近、機翼攻角角度、機翼寬度、機翼漸縮比與機翼後掠角度來探討運轉效能,發現機翼漸縮比6:2後掠20度角機翼運轉圈數最多。 接著,研究修改機翼結構提昇運轉效率,模擬下降襟翼角度的方式來提高升力。一開始並不順利,經過修改襟翼擺放位置、增加機翼內斜角、用塑膠板遮住空隙增強「康達效應」使機翼運轉圈數再提昇。 最後,我們發現發電效能受運轉圈數多寡影響,而且相同圈數下三機翼比二機翼效能高。此外,在運轉的過程中噪音會隨著攻角增加而增加。