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物理科

F1賽車的魅力-Double D 空氣力學套件開發研究

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。

拋丟推我都不怕,我是「平底不倒翁」

本研究旨在探討平底不倒翁之可行性,以及影響平底不倒翁成功與否之關鍵因素。我們透過懸吊法找出物體的重心位置並設計實驗,實驗發現在容器內部不同位置加上一塊華司,能顯著改變整體的重心位置,其次影響平底不倒翁的關鍵是重心的位置及容器底部是否內縮,而重心的位置又與附加物重量、位置等息息相關,透過容器不同傾斜角度的實驗與槓桿原理的分析,我們發現重心越低越容易成功。此外平底不倒翁的成功條件有二,一是使用上緣大於下緣的容器或容器底部內縮,二是底部黏附的重物密度夠大或是也能內縮。平底不倒翁確實可行,且可以將其概念運用在生活中,例如改良交通錐、安全防撞桿、兒童餐具、玩具、直立式電風扇等。

就問你「浮」不「浮」:浮球的穩定性討論

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。

與頻率共舞──探討玻璃杯內不同液量之頻率變化

本實驗以不同玻璃杯型以及盛裝不同液體探討振動頻率,以AUDACITY進行頻率分析,其中無腳座玻璃杯在杯口所形成的波數為n=1, 2, 3…;有腳座玻璃杯在杯口所形成的波數為n=2, 4, 6…。此外腳座可讓玻璃杯更穩定地振動,頻譜上也清楚呈現特徵頻率且有倍頻關係。手摩擦所有玻璃杯主音皆為n=2,且強度大於其他泛音百倍以上,視為純音樂器;敲擊杯口與摩擦杯口的主音(n=2)頻率相同,但產生許多雜音,不適合作為樂器。另外從能量守恆角度推導玻璃杯裝有液體的頻率公式,並以實驗驗證推論,其振動屬於一端受力的「集中負荷」情形,其液高與頻率可以用函數表示。未來希望能進一步以位能角度探討空杯的振動頻率公式,並從黏度探討液體位移速度與玻璃杯位移速度之間關係。

神奇的陶罐

本研究將南美口哨陶罐、鳥笛與陶笛(泥哇嗚)的構造與製作原理相互結合,創造出一種新的樂器— — 神奇的陶罐。它可以演奏歌曲,甚至當我們在其中放入一些液體時,配合手勢的開合,可以重現鳥類的鳴叫與潺潺的流水聲等,非常有趣。然而,在嘗試吹奏及創作的過程中,我們發現,將兩個頻率相近的陶罐同時吹奏或單獨吹奏單腔體雙哨陶罐樂器,它們所發出的樂音頻率與頻率發聲器所產生的雙耳節拍頻率,透過音樂編輯軟體進行比對,是完全相符的,所以,我們所製作的陶罐除了能陶冶性情外,更具有影響腦電波的神奇效果呢!

磁對電磁波的糾纏

本次實驗專注於探討是否可以藉由改變磁場來阻隔電磁波。 結果發現,(1)加入磁鐵後,於特定磁極排列下,能影響電磁波的傳遞。(2)磁場為水平垂直於發射源,且磁極為N左S右的右向磁場時,具有較佳的阻隔率。(3)磁鐵和電磁波發射源位於同樣水平面上,具有較佳的阻隔率。(4)將磁鐵吸附於金屬網狀物上,比僅使用金屬網狀物來屏蔽電磁波的效果更好。且磁鐵分布越密集,對電磁波的阻隔率越高。(5)證實電磁波會因為外加磁場產生方向改變。

敲出瓶外之音

本研究將裝入定量純水之量筒放入容器中,敲擊量筒,並探討量筒外水量、水位與頻率變化之關係。研究後發現,敲擊量筒後,會產生相對低、中及高三種頻率,其訊號強弱與量筒內外水位高低有關。 我們以水位高度代替水量,來驗證影響頻率變化的僅為靠近量筒內外之有效薄層水體,結果顯示,當水位高度達一定,就能滿足共振條件,而非整體水量。量筒外水位對頻率之影響呈階段性,第一階段頻率變化不明顯,第二階段頻率隨水位增加而降低,第三階段薄層水體達共振條件,頻率持平。 此外,當水位高度一樣,內、外薄層水體相差不多時,頻率可能會相近,但大部分是量筒外有水時較低,推測可能因量筒厚度、底座或量筒內外水體存在空間不同造成之結果。

水箱滿隔形-探討運水車翻覆因素

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。

「顯像」環生-環形氣泡產生方法及變因之研究

我們從網路影片發現海豚能夠吐出環形氣泡!對環形氣泡產生興趣後,我們自製以相同力道製造環形氣泡的施力裝置,進行環形氣泡產生方法和變因的探討。我們推薦以空氣砲製造環形氣泡。空氣砲使用3D列印中空圓筒瓶,瓶底包膜以繡框固定矽膠保鮮膜,並以推膜施力。我們以細小氣泡作為顯影顆粒,進行簡易的流體可視化,分析出環形氣泡形成歷程與內部運動軌跡。孔徑、管長和管徑都會影響環形氣泡效果。管徑3吋圓筒瓶最佳化為「孔徑/管徑=1/3、管長20cm」。施力大小與孔徑則會影響環形氣泡直徑。環形氣泡需要氣泡才能現形,我們研發出內塞氣泡石、現形水量方法,讓氣泡現形一體化。此外還發現環形氣泡對撞會有互相抵銷、吸收與後凹抵銷一半現象。

傳熱密碼~追蹤液體中的熱軌跡

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。