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物理科

「富」二代的秘密─探討鋁箔紙排列方式對富蘭克林馬達的影響

我們研究的內容,主要探討如何提升富蘭克林馬達轉速的組合,並深入探討多樣實驗項目。而我們也將部份實驗的數據繪製成趨勢圖,一來可看出我們的數據是否合理,二來還可看出我們是否真的有找到最高轉速組合。在實驗八,我們就也因此找到了更高轉速的電刷型式,經轉速測量後發現,與原先的趨勢推估幾乎吻合!這更是確定了我們實驗數據的真實正確性與合理性,也讓我們研究結果更完整。總結實驗發現,塑膠杯上鋁箔紙的大小、長度、寬度等,及電刷的寬度、高度、鋸齒數等都會影響轉速,因此我們從實驗結果歸納出轉速最佳的設計,成功設計出穩定且高轉速的富蘭克林馬達。期望在未來掌握富蘭克林馬達重要設計要素之後,能夠更深入探討其更多的應用。

親愛的!泡泡怎麼變形了!

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。

管中冷暖,一壓即知~利用3D列印技術探討渦流管之原理

本次研究利用3D列印技術製作渦流管裝置,以利於變因之改變。透過數位式溫度計及氣壓計,可以即時截取數據,並互相比較。實驗中我們發現,當渦流產生室達到一定的氣壓時,就可以產生冷熱氣流分離的效果,而為了讓渦流產生的效果更好,氣流入射角度大約在45~60度間有較好的效果,渦流管的內徑在6~8mm間,長度在12~14cm時較好。當我們將測到的數據進行理論的分析後發現,熱端的縫隙越小,熱端發熱的效果更好,這也可以讓冷端的冷卻效果增加。最後探討數據與理論間的誤差值後發現,氣體受到絕熱膨脹的影響而降溫,使計算出的數據和實驗值產生誤差的主要原因。

好球!動靜皆"移"---組合扭蛋球滾動狀態之探究

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。

隔空取物-利用超音波懸浮控制物體的移動

隔空取物可能嗎?使用3D列印製作超音波懸浮裝置可使保麗龍球穩定懸浮,透過肯特管內共振波形與聲壓標準差的比較,聲壓的節點位置為肯特管波的位移腹點。在一個超音波懸浮裝置形成的駐波中,聲壓節點以外的聲輻射力使得物體被推往節點,因重力影響靜止懸浮在聲壓節點處下方。透過超音波的電壓調整改變共振波振幅,使得共振波節點位置會因為電壓造成的聲壓節點隨時間移動而改變物體位置,但此方式較難穩定控制物體移動方向。最後,我們透過共振波相位差控制改變共振波節點位置可讓保麗龍球穩定懸浮及移動,有效達到控制物體移動的目的。自製可同時改變兩個發射器間的角度及距離的裝置,搭配改變相位或電壓的程式,方便進行聲懸浮的實驗觀察及記錄。

借風使舵~氣流飛機任我控

空氣的流動會形成風,藉由起風板前進產生的上升氣流,可推動由保麗龍薄片製作的氣流飛機向前飛行。本研究旨在探討影響氣流飛機飛行速度的因素,分別以手持和類風洞裝置來進行實驗,結果我們發現,氣流飛機在起風板上的最佳飛行速度並非單一速度,而是一個區間。不同起風板角度間有共同的安全飛行區間,若飛行速度控制在共同安全區間內,氣流飛機可在所有的起風板角度上安全飛行。另外,氣流飛機在起風板不同位置也會影響飛行的速度,下半部速度最快,正上方成功率最高,本研究建議將氣流飛機操縱在上半部,結合速度和成功率。起風板兩側折角能修正氣流飛機的偏移,讓飛機回正。若將起風板兩側向上折起30度,則可讓氣流飛機飛得更快且更穩定。

聲死一瞬間-密集板x防疫口罩再利用x校園樹種抗噪大作戰

為改善環境噪音(多在80~160 Hz中低頻),探討裝潢用密集板在開放環境中對噪音改善的效果。近年因COVID-19防疫,產生大量用過但環境無法消化的口罩垃圾,因此想善用廢棄口罩加入密集板,探討多層結構,並比較校內樹種對中低頻的吸音效果。 實驗顯示,密集板內孔距4 mm、孔徑5 mm、孔深15 mm及厚度15 mm時,對100 Hz頻段的吸音效果最佳。最佳孔深若取板厚深度會造成穿透,讓密集板不易清理,故採孔深3.75 mm,效果次之。加上口罩材質作夾層,嵌入吸音孔內,內層複合不織布面向音源,音量動態變化率多增加55.5 dB/s。另,發現植栽中二葉松吸收中低頻噪音效果最佳,樟樹、茄冬與榕樹次之。

膜力--探討圓形石頭或彈珠在不同高度落水時產生的現象

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。

小兵立大功-探討火柴棒吊水瓶的科學原理

您相信三支不到1公克的火柴棒卻能吊掛比它重上千萬倍的水嗎? 本研究先從搜尋資料與實際操作的過程中,了解火柴棒裝置能夠吊掛水瓶,是因為吊掛的水瓶重力作用在火柴棒與桌緣接觸的支點上,而且棉線與橫置的第二根火柴,以及直立斜向的第三根火柴棒形成穩定的支架。 接著分別從火柴棒及棉線兩部分來探討不同變因對火柴棒承載重量的影響;最後再試著使用其他材料代替火柴棒,看看是否能承載更重的水。 研究結果得知:火柴棒的長度,火柴棒與桌子接觸的長度、火柴棒加濕的時間、棉線的長度以及棉線的粗細等,都會增加或減少火柴棒所能承載的重量,而使用其他材料代替火柴棒,也會因其粗細或材質的不同,影響所能承載的重量。

我不搖擺喔!-魚尾船的尾槳擺盪與船速相關性探討

魚尾船是一個類似搖櫓船的科學玩具,設計上應用到曲柄與連桿,利用前軸曲柄來帶動後軸曲柄產生拉與推兩種運動狀態,使尾槳可以來回左右的擺動。我們發現尾槳擺動角度、尾槳處所裝的魚尾面積、魚尾形狀、魚尾柔軟度和魚尾尾鬚長度等條件會影響到尾槳擺動頻率、尾槳提供給船的推進力和船身前後歪斜程度,進而影響魚尾船船速的快慢。 尾槳擺動頻率會影響尾槳提供給船推進力的持續程度,尾槳推進力提供船前進的力量,而船身前後歪斜程度會改變船身與水的橫斷面積,進而影響船前進時受到的水阻大小。當尾槳持續提供給船的推進力與水阻兩股力量互相作用後,最後提供船前進的合力越大,則船速會越快。