物理科

本研究旨在探討過去未曾探究過各種不同立體形狀泡泡的形成，並細微地觀察泡泡間互相吸附、堆積的結構下，造成泡泡形狀的改變，以及它們的夾角和作用力平衡的關係。 本研究藉由不同形狀的立體框架，做出了正四面、六面、八面體、十二面體、正五角柱的泡泡。深入剖析立體多邊形泡泡膜的形成及其物理現象是否受到各項變因（模型大小、框架材質、框架直徑、傾角）的影響，及以不同多邊形內部泡膜是生成時的條件與限制分別為何？ 為了探討表面張力及最小面積的關係，並以正六面體作研究。最後以Excel和數學軟體 Geogebra進行分析，嚐試著找出泡膜結構中膜與膜夾角的特性、最小表面積和表面張力之間的相關性，透過數學論証方法協助提出實驗現象之解釋、應用與應用與展望。

我們利用三種不同質量與體積的球體(484g的龜甲石、108g的大彈珠、24g的中彈珠)，自離水面129公分高處分別自由落體降入水中，觀察水面所形成的水膜與水面下所形成的錐形體關係。發現不同球體有各自不同的成膜高度，且高度越高其所造成的空氣甜筒體積越大。研究中發現空氣甜筒的體積遠大於球體本身所排開的水體積，推測在球體迅速落水膜的時候帶入大量的空氣。我們試著建立空氣甜筒所形成的模型為球體下降的過程中，推測球體下方運動較為快速，造成的壓力較小，所以造成外界較大的大氣壓力帶進更多的空氣，形成空氣柱。同時因為越往下方移動，水壓越高，因此造成水面下的錐形體，且錐形體內的空氣壓力小於外界大氣壓力，因此擠壓濺起的水體向內產生水膜。

裝置被一條金屬線所繫住，以此線為軸，上端固定，垂直吊掛。當物體受外力被扭轉一角度θ時，金屬線因恢復力而產生來回扭擺的現象，且扭擺週期T受各種因素影響。經實驗後我們發現：1.金屬線的剛性係數越大，T越小。2.扭轉角度θ越大，T會些微增加，但不明顯。3.T與長度開根號成正比。4. T與質量開根號成正比。5.T與線徑粗細成反比。6.擺放方式-T⊥ > T//。7.所得公式 T=k×(√l×√m)/d，且k∝1/√G。 我們另外發現有「扭性疲乏」一事，實驗後發現金屬線的剛性係數越小，則扭性疲乏越明顯，且當金屬線重覆受到不同方向之扭轉時，疲乏的現象會比同方向來得明顯。我們希望未來還能找出「扭性疲乏臨界點」。

本研究起因是在生活中出現五斗櫃翻覆的新聞提到重心問題，便透過文獻探討整理相關研究，發現重心與各領域均有關係，於是我們決定進行五斗櫃的探究，發現以下結果： 一、重心位置與櫃體深度有極大相關，當重心移出櫃體時有增加翻覆的危機，其中受拉力面越長越容易傾覆。 二、支撐腳與五斗櫃傾覆亦有極大相關，支撐腳高度、粗細、數量、形狀設計均影響五斗櫃的穩固性，當腳柱越短、與地面接觸面越大、數量越多可以增加更多拉力。 三、當櫃體底面積增加能有效降低五斗櫃傾倒的現象。 本研究更進一步改良五斗櫃的設計，使重心配置可以隨著層櫃的拖拉而降低，讓櫃體不至翻覆，期望對改善生活有更多的貢獻。

本研究主要探究哪一種組合的怪怪球滾動時動停的運動狀態明顯，在實驗過程中選用可重複使用且組合性較高的扭蛋球來當外殼，並透過多次實驗發現球形外殼滾動軌跡接近直線。選用「外丙內G」組合而成的怪怪球，因其內部空間比較大，可以填充的液體變化量大來作為實驗球，期望能符合有動有停之滾動情形。 我們利用Tracker分析發現僅填充水對整個球體之滾動已有減速的作用產生，填充不同液體的平均減速次數為填充乳液>洗手乳>膠水>水，且含內珠之液體平均減速次數大於不含內珠液體。 無論有沒有內珠，怪怪球填充40ml乳液(22.27%)有較高的總停時間。動停回數比較以不含內珠填充40m乳液最高；含內珠則為填充85ml乳液最高。

生活中的常見冰，大多具有冰芯結構，偶然之下，發現冰芯旁出現無數條放射狀微細空氣柱。本研究藉由文獻資料探討冰芯與微細空氣柱之成因，其與水溶液凝固時冰晶網狀結構、凝固點變化、與固液介面上氣體成核現象有關。並進行實驗設計探討不同容器、水溶液與環境控制對於冰芯與微細空氣柱之影響。發現熱導率低之容器，溶液內降溫速度較不穩定，使得空氣成核有中斷現象，形成具方向性、斷裂的微細空氣柱。水溶液中的真溶液與膠體溶液TDS值越小，會形成微細空氣柱；TDS值越大，冰芯體積越大，空氣成核較少。在環境控制下，冰芯會沿著牆壁夾角角平分線偏移，且角度越大，偏離容器中心越多。冰芯結構之美，可藉由容器、水溶液種類、冷凍環境來進行控制。

本研究主要針對特斯拉閥的概念自製通道，探討通道擋板以及通過液體對於順、逆流差異進行探討。我們使用車床切割壓克力形成各式通道，並拍攝流體經過的過程、計算流體的順逆流差異。結果發現：以擋板形狀及排列方式而言，交叉三角形的順逆差效果最好；通道寬度則是寬度越寬流速就越快，因此擋板凸出程度越多流速就越慢，且凸出程度越大，順逆差異就越明顯、擋板間距在 2.8 ～ 3.2公分時順逆差異最佳；水溫提高雖有助於提升順逆差，但卻會因流體寬度變窄的影響而效果變差；流體的黏度愈小，順逆差異就愈明顯。

鳥羽箭為鄒族獵人必須學習重要的狩獵技術，蘊含流體力學知識。經由耆老的指導鄒族鳥羽弓箭製作，發現鳥羽弓箭的確可以增加射程及準確率。接著進行最佳化探討，研究發現如下:(1)製弓要使用4節桂竹，(2)箭長度最佳為使用90公分箭竹，(3)最適合黏貼藍腹鷴羽毛於箭尾，(5)射擊的角度0o與45o有最遠的射程，箭尾增加射程及準確率也可於小型鳥羽箭射擊模型被證實。接著探討藍腹鷴羽毛作為箭羽的優點，經實體實驗及模擬實驗相互比對，發現藍腹鷴的羽毛具有穩定流場的功效，藉由實驗分析圖我們發現藍腹鷴鳥羽相較於其他羽毛有較高的風速，產生自較強氣流，紊流卻可減少，降低噪音。以上特點均可提高獵人狩獵成功率，同時支持原住民族科學也可以被西方科學證實。

漩渦樣態像極了水中的龍捲，生活中有許多水中龍捲的發生與應用。我們想要製造出美麗完整的多龍捲，並且讓它們能自由自在的移動，那麼需要哪些條件呢？首先本研究先從電磁攪拌器產生的水中龍捲了解基礎特性，然後自製小體積的可移動水中龍捲產生器，接著有系統的實驗，依序由移動單龍捲、移動雙龍捲、再到移動三龍捲，逐步探索移動水中龍捲的生成條件與影響因素。實驗結果發現水中龍捲會受到移動速率與彼此距離的影響，移動越慢越有利於生成，而多龍捲之間過於靠近則會有相互消長的變化。值得一提的是，旋轉移動的方向如果與龍捲自轉同向，竟然會讓各種移動多龍捲的生成，全部都有顯著的提升。移動中的多龍捲具有豐富多樣的變化，十分有趣。

科學家們研究出阻尼器用來減震，但未固定圓底的裝置容易晃動卻較少研究，本研究用力矩和能量原理探究在阻尼器能防圓底震動的效果。我們雷切壓克力板製作出半圓，再用3D列印印出阻尼球，改變施放角度，擺長，擺重，並透過Tracker分析移動軌跡，進而計算週期T、對數衰減率log decrement、角頻率ω、阻尼比damping ratio、指數衰減率α、Q、阻力係數r。研究結果發現模型晃動後，仍符合指數衰減，阻尼球可以降低合力矩，亦符合類簡諧運動（合力矩和位移相關），而擺長對減震效果有限，擺重則因有慣性，效果也有限，我們提出理論模型來解釋上述現象。未來可持續嘗試類簡諧運動模式，擺錘重量的影響，水中複雜運動的模式。