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物理科

雨中的沉思─終端速度的探討

因雨中的閒聊,而展開此次的研究。首先我們找一個詩情畫意的雨天,利用保利龍板及碼錶測出雨滴終端速度約為 9.07 公尺/秒,接著為了模擬雨滴落下的情形,我們在校內最高的建築物上做水滴的實驗,因雨滴有大小之分,故我們使用不同口徑的滴管來模擬雨滴的情形,由大樓樓層中滴下水滴,測雨滴的終端速度,但受風的影響很大,故再移至室內測量,再利用紙張測雨滴的大小,為了了解雨滴的大小與終端速度的關係,我們展開辛苦之旅,在幾乎放棄之下,製作二組光電計時器,而為了使保麗龍球準確通過光電計時器的感應處,以便感應計時,更是備受挫折。但也終於找到球的終端速度,再進一步探討球的表面性質及密度與終端速度的關係,最後我們利用風洞測出風阻大小,以進一步了解終端速度產生的原因。

風蕭蕭「吸」家清涼

本研究利用風力引進屋頂室外空氣,來降低室內溫度。將屋頂空氣引進室內有三項基本要求:「進氣效率高」、「防水效果好」、「能依風向轉動」。利用風洞與風速計測量「各種形狀的通風開口」、「對風向不同角度開口」的排吸氣速度,發現開口面對風向時進氣速度最快,找出吸氣效率最佳的方向後,再以氣水分離器的離心原理設計能將空氣、雨水分離的的管道,加上能隨風向轉動的開口,完成能以360度風向防水進氣的裝置,經模擬實測結果,自製的防水進氣裝置,在有風的晴天時,最多能降低室內溫度14.3°C(如實驗八數據)。

玻光粼璃

為研究出可自製的隔熱光學玻璃,我們測量了不同表面覆蓋物的單片玻璃,改變正、反,單、雙面等變因,以各種測輻射儀器找出隔熱最佳的非金屬反面隔熱紙,用其製作雙片玻璃(單層介質)。接著根據普物的多層板公式製造三片玻璃(雙層介質)之L1、L2等間距與不等距模組,發現以熱輻射角度而言,空氣才是最佳介質。實驗後另外計算「單位時間通過的熱量」(Pcond),再將數據套回公式,得出實驗誤差值。接下來製作介質為空氣的四片玻璃(三層介質),實驗後另外計算Sc值(遮蔽係數),並和上述各模組作Sc值比較,發現隔熱效果最好的模組是等距四片氣/氣/氣玻璃」。以普物熱輻射公式(Prad=σεAT4)來看,我們的模組有如下之等式Jin=Jout=Jcond+σεAT4(Pcond+輻射)。

光天化日,「鏡」然如此

本次研究主要是要把實驗從戶外改變到室內即可以進行,研究小組利用簡單自製儀器來幫助實驗研究順利進行。研究一中,利用便宜的光敏電阻(30元/個)的特性自製出光敏電阻管測儀,來測量比較各種不同燈炮與太陽光的照度,以找出可以替代太陽光的燈泡。研究二是利用透鏡組和凹面鏡來改良燈泡的平行光和照度情形。結果照度效果改善率高達87.01%,甚至還稍微超越中午時太陽光的照度。在研究三裡,利用三稜鏡分析不同燈泡所產生的七彩成像,並與太陽光做比較與探討。同時也分析不同顏色的LED燈泡,發現將紅、綠、藍三顏色的LED聚在一起能產生白光。研究四中,探討燈泡所產生的七彩成像是否會隨著光閘的數目、形狀或寬度而有改變,並與與太陽光做比較。發現燈泡和太陽光所產生的七彩成像情形確實不太一樣。研究五中,研究小組自行設計出水三稜鏡。不僅效果很好,而且還可藉由添加鹽巴、紅、綠、藍等色素來改變水三稜鏡的折射率與濾光效果。

風羽無阻─戶外低風阻羽球研究之初探

在球場缺乏的小學校園中,我們常看到許多同學在戶外打羽球,但打著打著,卻會因風力的因素使得球偏移難打。為此我們想研究,什麼造形的羽球與塑膠球能有較低的風阻,打起來比較不會受影響呢?我們嘗試了剪出各種造型的羽球與塑膠球,在室內營造出逆風、順風及側風的環境,測量它們受風後的位移程度,來瞭解什麼樣的球比較不怕風吹,並且在垂直風洞中驗證我們的實驗結果。我們得到的結論是,若想降低羽球的風阻,可以朝將球的重量加重、然後採對稱的剪法減少大部份羽毛面積這個方向去嘗試,未來還可加入改變羽翼直徑的做法來發展新型的羽球。

一筆來電─導電膠的探索與製作

我們想瞭解如何做出較市售成本更低廉、且材料容易取得的導電筆。在經過蒐集文獻並嘗試製作後,我們決定將目標訂為導電膠的製作。在嘗試幾種粉末導體後,發現石墨粉效果較其他金屬粉末為佳。我們也嘗試使用不同種類、不同比例的有機溶劑及膠類,發現聚乙烯樹脂(PVAC)製成的導電膠效果最佳,其次是保麗龍膠,且當石墨粉的量為4平匙時,膠的量約2~3克為佳。另外有機溶劑在實驗中會影響到粉末與膠的結合,溶劑量太少時,導電膠便無法形成易塗抹的膠狀。最後我們經過電阻值、導電照度、風乾時間、塗抹順暢度等條件,來選出我們製作出最佳的導電膠比例,比例為「石墨粉16平匙、甲醇16毫升及PVAC 20克」。

pm2.5遠離我

利用靜電吸附原理製作靜電儀,計算不同材質塑膠摩擦產生的靜電力。自行裝設感測器,測量 PM2.5 濃度。結果發現:外科手術口罩如果沒有摩擦起電,沒有過濾 PM2.5 的效果;標示活性碳的口罩不一定能有效過濾 PM2.5,但是經過摩擦起電皆能提升過濾效果,最高可過濾 40%。不同種類金屬網通直流電有不同的過濾效果,但皆為電壓愈高過濾效果愈好。兩平行金屬網的距離愈近,層數愈多或表面愈粗糙,過濾效果愈好。快乾膠蒸氣附著在金屬網表面凝固後形成的微觀細毛或孔隙,在通電時能夠吸附更多的 PM2.5。

著了蓮葉又折影

由校園水池中的蓮葉所產生的不尋常影子所啟發,促成了這次的研究與探討,我們試著以壓克力板模擬為池塘,再經過各種調整,來測量其在各種情況下會產生的變化。經過了仔細的觀察與研究,我們發現了那或許是由於蓮葉在水面上並不是完全的平面,而是有著些微的弧度,水因吸附力而被蓮葉的底面拉起,形成類似於凸透鏡的表面。而凸透鏡匯聚光的特性,會使原本該是影子的地方被照亮,而形成如花瓣一般的形狀。於是我們實際摘了一片蓮葉,一次次的調整並拍照後,再輔以電腦軟體進行測量,反覆測出了300個數據,算出其平均數後做為最後判斷的依據。根據實驗數據畫出圖表,我們發現葉影變亮寬度與水深扣掉焦距的長度成正比,這就驗證了我們的理論。並且,利用電腦計算我們設計出水透鏡的操作參數。

液鏡-利用液體旋轉製作可變焦透鏡

我們藉由液體在旋轉的透明載具內會產生一中心向下凹陷的形狀,去製作一可變透鏡效果。完成後開始量測角速率,探討在旋轉時曲面曲率半徑;接著改變轉速時,角速率的不同,使的漩渦弧度也因轉速增加跟著變大,並算出轉速與弧度的對應關係。 為了要了解旋轉透鏡效益為何,我們利用物理課本中所學幾何光學,將已知條件代入,並利用電腦分析曲率半徑,得到透鏡與放大倍率的對應關係。 最後發現且隨著角速率越大,燒杯內液體面中心凹陷處曲率半徑會越來越小;且當轉速越快時,利用高斯成像公式所計算得到的結果與真實量測得到的結果較為接近,其液體形狀也應較接近一般透鏡形狀。

「圓管站起來!」-圓管掉落再反彈直立的相關因素研究

本研究是探究「影響圓管掉落後再反彈直立的因素」,並自製設備及標準化的實驗,研究發現: 一、 適合夾放圓管的工具是「鐵製麵包夾」,圓管材質則以「PVC圓管」最佳。 二、 對7公分長的PVC圓管而言,最佳重心離地高度是2倍管徑長。 三、 1.5倍管徑長的圓管效果佳,成功率高達96.7%。 四、 夾子夾圓管右邊時,顯著降低效果;夾子夾在中間及左邊時無顯著差異。 五、 圓管傾斜角度25度時,「2倍管徑長的PVC圓管(7公分)、重心離地為2倍管徑(7公分)」的成功率為100%。 六、 四種包覆材質中,效果依序為「細鐵絲>粉彩紙捲>橡皮筋>水果網袋」。 七、 接觸面材質效果依序是「會議桌=磨石子地>玻璃=實驗木桌>空心木桌>PP地板>不鏽鋼餐桌>玻璃纖維桌」。