物理科

本研究主要探討，定向水流作用於水面下擋體時，在前方形成渦流的變化情形。我們模擬溪流中岩石堆疊，並自製水壓觀測儀、壓力點推論模型、水流強度測量裝置來觀察和驗證，找到穩定形成渦流的環境條件，也發現渦流讓流速變快的秘密。研究結果如下： 一、四種產生自由渦流的岩石排列中，阻擋型渦流出現的位置最集中且固定。 二、阻擋型渦流的產生是因為兩側擋體製造了加壓點，讓下方水快速轉動，形成雙渦合流。 三、水流速185cm/s以上，阻擋型渦流平均持續時間和間隔時間比大於15：1，穩定出現。 四、水位與岩石高度比會影響阻擋型渦流穩定性，比值在1.86至2.14之間時，表現最佳。 五、阻擋型擋體的夾角在120度時，產生最大的水流強度，達到4.22倍的增益效率。

本實驗主要透過手擺發電裝置探討影響發電效能因素並應用在跑步擺動警示及緊急充電，達到綠能發電、安全防護、緊急求救等功能。 研究中，我們根據線圈、磁鐵、擺動速度等變因進行影響手擺發電的探討，並以三用電表及自製裝置：纏繞裝置、磁力檢測裝置進行檢測。根據實驗，我們發現，線圈纏繞匝數較多，發電功率提升；線徑越細電阻越高；線圈寬度越窄、線圈截面積越大、磁場強度越強、擺動速度越快皆會增加發電功率。我們依據影響發電因素，配合使用條件：體積、長度、重量、擺動方式，製作出跑步擺動發光警示裝置提供夜跑者安全保護，最後經過效能提升及整流穩壓後，成功製作出手機緊急充電裝置。

本實驗的目的在探討雙擺在擺動過程中的混沌現象。我們利用EXILIM相機及Tracker軟體為實驗工具，探討下擺在繞圈運動時的條件。結果發現，雙擺在第3次擺動後開始明顯不規則。下擺繞圈現象出現在上擺兩端處，且連續繞圈數多為1-3次。此外當擺重越小，擺長越短或擺角越大時，下擺繞圈數及上擺振幅也較大。當擺重越大時，雙擺總能量快速減少，轉動圈數也較少。而當擺動過程中時，根據鉛直面圓周運動原理，只要下擺能量大於臨界能量(5/2mgR)，即可產生連續繞圈現象。

我們利用扭蛋製做單軸、分離式及貫通式雙軸浮球模型，進行海水與淡水的載重與吃水深度、配重位置與傾斜角度、造波和回正觀察。發現載重與吃水深度呈線性關係。不同配重位置明顯影響分離式模型的傾斜角度，重心越低，角度越小。貫通式模型易保持正浮，但重心較高者，正浮不穩定，稍受擾動即傾斜。 在造波中發現浮球呈週期性運動，且浮力最大值在波峰，最小值在波谷，相差可達50%~85%。垂直方向運動速率最大值約在平衡位置，垂直位移最大值<2倍波高。 不同配重位置的貫穿式模型以90°傾斜入水，軸頂到重心的距離(L)決定浮球是否回正。本實驗發現全長16cm的模型，L≥11.42cm者，均可回正，L≤11.17cm者，均無法回正，顯示L越大浮球穩定性越高。

這是截至62屆科展為止，第一件研究水平尾鰭在水中運動行為的科展作品。 歷經長時間努力終於研發出能模擬海豚利用水平尾鰭的擺動在水中向前游動的「機械海豚」，更進而研發【水中推進力/升力測量儀】，成功以「重量」形式呈現水平尾鰭在不同變因下所產生的推進力及升力，透過「推升比值」精準檢視其前進能力。 研究發現水平尾鰭的擺動速度、面積、形狀都會影響其在水中的前進能力，有趣的是尾鰭擺動得越快，不見得會越游越快喔！ 最後研發的【水流檢測儀】可環景無死角地看出水平尾鰭擺動時的水流變化，小檢測球的設計更是讓水平尾鰭後端的4個漩渦完美地呈現在眼前！證明水平尾鰭的擺動會製造渦流降低前進的阻力以提高前進的效能。

運水車翻覆的新聞，讓我們膽戰心驚，為什麼運水車會翻覆成四輪朝天?消防車的水又為何低於半滿水位時，需要漏光比較安全?在五年級自然【力與運動】中，得知物體受力時，運動狀態可能會改變。本研究探討水箱的水重，水箱有無隔間及水箱形狀對運水車行駛時的車速變化影響。透過自製傾斜穩定度檢測器，發現不同水量下，半滿水位的八角柱水箱，所能承受的翻覆角度最小，因為水往低處流，水又比空氣重，造成重心偏移而翻覆；相同水量下，重心最低的三角柱水箱能夠承受最大的翻覆角度。 根據實驗結果發現，裝滿水、有隔間、都可以降低水的搖晃程度，減少水的質心因慣性流動而不斷偏移中心的機會，可以降低車子翻覆的機率。

2050年淨零碳排的目標，全球積極發展再生能源維持充足的能源供應。本研究以廢棄光碟片製作特斯拉渦輪，學習大自然黃金螺線改良；分別以空氣及水兩種流體，比較渦輪轉速效果，轉子採用螺線數量：0條、2條、4條或6條，分別搭配0度、10度或20度入口角度。氣源壓力為1.00kgw/cm2時，採用4條螺線，搭配0度入口，轉速為1735RPM，相較特斯拉渦輪轉速746RPM，轉速提升133%；水源壓力為0.50kgw/cm2時，採用4條螺線流道，搭配10度入口，轉速為657RPM，相較特斯拉渦輪轉速381RPM，轉速提升72%；透過黃金螺線引導，可有效提升低壓流體的渦輪轉速。以氣源帶動渦輪成功驅動輪轂發電使LED燈照明；並對鋰電池進行充電，展示特斯拉渦輪發電效果。期盼可以發展成小型發電裝置並應用。

模擬高風速對模型遙控車產生之Double D (Downforce下壓的力與Drag阻力)比值切入空氣力學套件角度研究。下壓的力增輪胎抓地力，轉彎速度增快，縮短單圈時間 (lap time)贏得比賽。我們選取Nissan GTR與F1 Ferrari SF21遙控車，以巴沙木自製單層、雙層(主副翼不同角度組合)、三層共17組尾翼，自製風洞模型、掃葉機風力、2個電子秤同測前後輪下壓的力、拉力計測阻力，發煙機及LED燈拍攝氣流。結果發現尾翼寬度增寬與尾翼攻角越大，可增加下壓的力。阻力與風速平方成正比，相關係數0.94。對雙層尾翼，增加副翼角度比主翼角度更可增車子下壓的力。主翼0∘-副翼75∘造成「總下壓的力變化量/阻力變化量」比值0.78為最大，乃增加穩定度之最佳尾翼選擇。再以3D列印技術製作出最佳主翼0∘-副翼75∘尾翼。

本研究依據「微波電場」造成導體「集膚效應」 的原理，希望探討葡萄在微波爐中產生微波電漿的產生方法及影響因素。過程：進行聚丙烯酸鈉橫截面直徑大小、微波強度、 鋁箔紙角度、線圈間距及線圈圈數等對電漿產生的影響。藉由本研究實驗結果證實：在微波電場中對導體產生的集膚效應，進而激發表面尖端放電進而引發周圍氣體被激發成為離子態進而進入電漿態。而當線圈圈數變多時，會發生短路現象，釋放高溫高熱，使溫度和亮度均升高，但也造成電壓相對下降。我們也進行了線圈金屬材質的實驗，發現鐵(鉛線)因為是磁性物質，因此能夠產生較高能的電漿；漆包線圈因為有機物質可以產生功率較高的電漿。

我們的實驗運用｢酒精溫度計｣、｢電子液晶溫度計｣及能以物體表面所發出的紅外線觀測物體溫 度的｢紅外線熱像儀｣來觀察、探討，在熱源下方液體溫度到底是如何逐漸升高？經過實驗發現，這看不見、摸不得的「熱」，在容器中不僅僅只用｢熱上升、冷下降｣的對流作用升高液體的溫度，同時 也能利用傳導、向下對流，甚至輻射等各種方式，在容器中前進傳遞，使液體逐漸變熱；我們藉由溫度計紀錄液體中垂直的、水平的、離熱源不同距離的溫度變化，以及經熱像儀、染劑和不同性質的油水等工具來觀察追蹤液體中的熱軌跡，拼湊出神奇的傳熱密碼。