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物理科

羽重心長-探討羽球重心對於其飛行的影響

羽球是容易上手的運動,但易受風影響,因此都在室內活動。為此我們想製作出能在戶外打的羽球,讓這項運動可以走出戶外。我們參考「風羽無阻─戶外低風阻羽球研究之初探」的作品,但發現此作品實驗數據有些不符合邏輯(如面積愈小,應該會愈抗風,但實驗結果並非如此…)。我們推論是「重心」所造成,所以想藉由改變重心來探討重心對於羽球飛行能力(包含飛行距離、偏移量、與飛行速率)的影響。本實驗發現,將羽球或塑膠球做對稱性修剪,以減少羽毛受風面積,將重心改至距離球頭2.9公分的位置,均會使其偏移量減少,飛行較穩定且飛行距離較遠。羽球和塑膠球的重心往球尾移動1公分不管在哪種風源下,比重心往球頭移動1公分飛行都較穩定。

踢出完美曲線~足球香蕉球運動軌跡的物理探秘

常常在足球比賽過程中,看見踢定位球時,球在空中劃出弧線後進球得分,實在令人著迷。這美妙的弧線球是如何踢出的呢?本研究係運用所學過「槓桿原理」、「輪軸裝置」等省力原理,自製一臺「足球發射器」,藉由實驗得知足球香蕉球飛行的情形,並印證其中原理。 本次的實驗結果,當鞋面偏角設定為30與45度時,踢中球的第5點(足球正視圖的中心點往右3公分的垂直線及往下3公分的水平線之交點),以及將鞋面偏角設定為30及60度踢中足球的第6點(足球正視圖的中心點往下3公分的點)時,能讓足球產生較大的向左彎曲的情形。期能讓學生能透過更科學、更有效率的方式 來學習踢出「足球香蕉球」,也能體會更多的踢球樂趣喔!

水層下陷

本實驗研究金屬圓環藉由表面張力浮於水面上,周圍水面產生的凹陷使得在移動中的圓環受到水阻力,兩浮於水面的金屬圓環間會產生吸引的力量,而對於水箱壁間則有排斥的力量。我們經由實驗探討出金屬圓環所受水阻力、吸引力、排斥力均和金屬圓環的外徑與線密度有關聯,並各實驗得到關係式如下: 【水阻力】F=K (sinθ)0.6409 d2.5366 vn其中n和sinθ有正相關 (n>0且n隨sinθ增加而增加) 【吸引力】F=K (sinθ)1.6833 d0.9406 rn,n=-3.672(sinθ)0.4219 【排斥力】F=K (sinθ)1.1044 d0.4476 r-1 (註:d:外徑,v:速度,r:距離)

支離破「碎」~探討兩互溶流體間形成碎形圖案之機制

本研究主要想了解兩互溶流體間形成碎形圖案之機制,並找出實驗證據,經由將不同濃度的染色液滴滴到不同濃度的壓克力顏料溶液上,並使用iphone 8 手機以240fps拍攝液滴擴展過程,得知酒精液滴因表面張力小,而向外流動,且因流體間互溶之緣故,造成流速的不連續性(虎皮紋的流痕),而在外圍產生不均勻的堆積(島紋),當堆積過多時,便會發生突破(顯微攝影拍到突破瞬間),而長出手指,同時堆積會由突破口轉移到手指指尖,當堆積夠多時,指尖又會再分裂出新的碎形手指,如此往復下去,就形成碎形圖案。 此外,碎形手指的圖案,跟利希滕貝格圖極為相似,經使用方格覆蓋法,計算出碎形維度約為1.82,與利希滕貝格圖的理論值1.71接近,確實是碎形圖案的一種。

溶液深淺長短跑-創新方法精密測量折射率與液體濃度的關係

我們利用一般裝潢使用測量距離的雷射測距儀,配合理論推導,自行設計實驗方法與步驟,成功地精確測量各種水溶液在室溫下的折射率。透過我們的實驗方法與高中光學插針法測量液體折射率的實驗比較,測量誤差比插針法得到的實驗結果小一個數量級。我們還利用此實驗方法精確測量不同濃度的各種水溶液之折射率,探討折射率與濃度之間的線性關係。我們更進一步測量雙溶質水溶液與不互溶的兩液體,發現其折射率皆具有線性疊加的關係。

懸「移」浮現-聲懸浮變因對懸浮效果之研究

我們從網路發現超音波居然能讓保麗龍粒懸浮在空中!對聲懸浮產生興趣後,我們自製能調整高度的檢測裝置,進行聲懸浮變因和移動的探討。 我們歸納最適合MiniLev聲懸浮裝置的換能器是上T下R頻率40 kHz、直徑16mm、開放型、收發分體,最佳懸浮高度為15mm,第二節點承載效果最佳。當高度改變,新節點是以「上下交替」方式增加,造成保麗龍粒上升距離為拉高高度的一半。 我們發現焦距15cm凹透鏡適合當反射板,防水且懸浮效果更佳,可取代不防水的換能器R。薄片適合當懸浮物,懸浮穩定且因「下大上小的順時針螺旋形力道」造成自動旋轉效果。色紙經手工或雷射雕刻機設計與切割,能製作可懸浮與旋轉的美麗造型,藉由控制高度還能改變轉速,是值得推廣的科普活動!

等一下!第一名的結論對嗎?-有關凹陷乒乓球如何復原的研究

59屆國展國小組物理科第一名作品提到「球殼內空氣受熱膨脹而造成的壓力增加效果,對凹陷乒乓球的復原產生極小的作用」。實際經驗:凹陷乒乓球一旦有孔就無法遇熱復原,所以想確認實驗。 用自製壓球器確保凹陷的深度與形狀後,確認相同凹陷乒乓球遇熱後沒孔的球可復原,有孔的則不能。利用自製氣壓計確認了59小物作品中球殼內部空氣受熱產生的壓力被嚴重低估、讓凹陷乒乓球恢復所需壓力被高估。 我們重要實驗的結論有二,第一:「氣體受熱膨脹是讓本研究中凹陷乒乓球復原的重要原因」此與59小物的結論不同。第二:我們體驗到同稱作"凹陷乒乓球",差異可能非常大(材質、厚薄、凹陷形狀…),因此還是可能在某些狀況下59小物觀察的現象存在。

水中搖搖搖-探討節拍器在水面上的同步現象

我們的實驗是為了瞭解我們設計的變因對於節拍器同步時間的影響。我們的變因有:節拍器的放置環境、是否放在泡棉板子上、改變節拍器的頻率、距離、水量和水深。從我們的實驗結果得知,節拍器放在桌面上比在水面上更快達成同步;在桌面上的同步所需時間:直接放在桌面上<同一泡棉板子<不同泡棉板子;在水面上的同步所需時間:同一泡棉板子<不同泡棉板子;節拍器的頻率愈高、節拍器之間的距離愈短、水量愈少、水深愈深,都愈快達成同步。 當節拍器頻率為120bpm時,我們使用不同的水盆,並改變水的深度,發現節拍器只有在紅色方形水盆中,水深為5公分時,在水面上比在桌面上更快達成同步,所以我們推測是因為駐波而產生的現象。

改變流體速度的通道 – 特斯拉閥

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。

「形」之互動,隱「力」再「線」

本研究探討懸浮裝置中心軸線、邊繩與載重的關係。透過改變中心軸線與邊繩的夾角、距離,找出影響裝置平衡載重的因素,並透過中心軸綁彈簧及使用彈性包裝繩代替棉繩,觀測載重時張力與拉力的變化,並自製搖晃振動裝置突破平衡與載重兼顧的測量困境,以破除反重力的迷思,找到增加平衡載重的方法,結果如下:一、裝置上下底層的材質會影響平衡與載重的結果,以壓克力條製做最佳。二、中心軸線的位置、邊繩與其夾角會影響裝置平衡與載重。三、裝置維持平衡最少綁2條邊繩,而中心軸繩與邊拉繩的數量越多,可承載重量越重。四、利用懸浮裝置與斜張橋概念研發雙臂懸浮跨河大橋、懸浮吊橋及雙臂輕軌,以達疏通交通兼顧使用、美觀之效。