全國中小學科展

物理科

「氣蓋山河」 --- 氣壓式流化床餵食器的研究

本研究應用流化床以迴風使固體顆粒懸浮的流體原理,改良振動式餵食器,分析粒徑5mm飼料的阻塞因素,發展降塞策略。研究成果有: 1. 阻塞因素是環狀堆積會縮小出口,並促成最密堆積而不易崩落。 2. 飼料桶漏斗提供內側吹風管及中央迴風圓筒,提供向下出料壓力及向上迴風懸浮力,可達最佳出料速率(4940顆BB彈/秒)。 3. 本研究之最佳結構為: a. 圓柱形料桶:直徑12cm,高度30cm,漏斗口直徑2cm。 b. 中央迴風圓筒:直徑6cm,迴風口距漏斗口3cm。 c. 吹風管:水平角度45度、吹口距漏斗口1cm。 4. 出料動力參數為統內顆粒空間密度0.22g/cm3,風速16.7m/s,堆積壓力4g/cm2(5/8筒高)時,可達吹風出料,停風停料的效果。

彈止之間~流體對水瓶彈跳高度的影響

本研究主要探討水瓶自高處落下時,瓶內流體如何影響水瓶彈跳,我們自製跳台和彈跳瓶進行實驗,並改進測量精度,找到水瓶落地造成水彈起、瓶靜止的變因條件。研究結果如下:一、瓶內流體的流動,依過程共分為整體、分離、轉換、恢復等四個時期。二、流體進入轉換期,會將水瓶位能轉換成流體動能,主要跟碰撞時的液面曲度、水量、和液體黏度有關。三、旋轉水瓶會改變水面曲度,讓水在碰撞時產生更強的水柱。四、100g水瓶轉速大於臨界值300RPM時,彈跳次數只剩1次,水瓶落地接近完全非彈性碰撞。五、加入和空瓶等重的水時,質心高度最低,影響彈跳效果越明顯。六、液體黏度會影響瓶子彈跳,黏度較高,甘油瓶彈跳次數可達到5次,黏度較低只有2次。

磁鐵物理擺阻尼振盪之探究與應用

當以磁鐵做為擺錘的物理擺,並讓它在金屬面附近作週期振盪,經由實驗量測與理論擬合分析發現,本裝置會因電磁感應而在金屬面上產生渦電流,並對擺產生阻尼作用,其渦電流阻尼力是空氣阻尼力的18.4倍,進而使物理擺較快停止。進一步研究,發現渦電流阻尼作用力大小亦與金屬片材質、厚度、擺與金屬距離、磁鐵強度等因子相關,再者,因金屬的集膚效應,渦電流大小在金屬內的分布會隨著深度而呈現指數衰減;且此大小會受到金屬層間隙或是金屬面的不完整而進一步劣化。最後針對「減震」研究,經由磁鐵物理擺產生的總阻尼力以消除物體的振動能量增益達112%,較同質量的物理擺增益亦達25%,可實現較輕質量塊的物理擺式阻尼器在建築物防震領域上的有效應用。

風中翱翔-找出最省力的飛機機翼

首先,設計研究一來找出最好的輔助噴氣裝置。觀察到當裝置的出風口為1公分且不延長路徑時,可讓吹風機的噴氣效果 增強以便輔助觀察。其次,透過研究二改變機翼模型的材質、重量、與形狀來找出最好的機翼模型。發現,材質不會影響飛行效果。而飛機機翼形狀在寬度為10公分且形狀固定時,用長為12公分的機翼模型,可以用最少的風力維持飛行。研究三整流,發現鼓風機製造出的氣流是紊流,所以添加吸管等材料來達到整流的目的。發現,縮減吸管的直徑雖可讓氣流變穩,但也會消耗風力。在保持風力的前提下,最具有整流功能的紙加一組粗吸管柱,所以用其來輔助觀察研究四。最後在研究四,測量研究二各種機翼上層的風速,來做為研究二的討論資料。

水中的奇妙力量探秘—沃辛頓射流

我們以實驗室容易取得的重物與乒乓球模擬網路上跳水彈射手中球體的沃辛頓射流實驗。結果發現圓形的類天然海棉因為具有吸水迅速、可以平穩入水的優點,因此選擇以此為托球的載體進行實驗。依據我們的實驗結果,至少需要15公分水深才能形成完整的射流彈射出乒乓球,原則上在下落軌跡完全垂直於水面時,落下高度越高,球體彈射高度越高,實際實驗水深15公分以上時,落下高度50公分彈射高度約可達47公分,但結果受限於托球的海綿在落下高度40公分後下落軌跡不穩定,若期望更高的射流強度需要尋找更穩定下落的載體。

魔法懸浮-若隱若「線」

張拉整體結構是透過繩索等提供張力,讓堅固的結構在看似無支撐的狀態下維持懸浮與平衡,實驗中透過在尼龍繩上裝設彈簧,觀察平衡時張力大小,以及外力或移動中心支撐繩位置對於平衡和張力的影響,並嘗試將中心繩換成電磁吸盤,觀察維持平衡所需的電壓範圍。由實驗結果得知:1.平衡時每條繩子的張力大小,會受到結構重量以及質心位置影響;2.從側邊額外施力時結構會傾斜,以曲柄所在的側邊施力影響最小,平衡最穩定;3.移動中心繩會使支點改變,使中心繩靠近的繩子張力變大,整體結構傾斜;4.以電磁吸盤當中心繩時,提供足夠電壓(6V以上)可維持平衡;以上實驗結果可以做為張拉結構的繩索材質、結構設計以及可承受外力的參考。

磁入電出–手擺發電應用在緊急充電效能之探討

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。

碳粒的奇幻漂流─液態蠟的熱對流現象探討

本作品探討蠟油池的碳粒移動。觀察碳粒來回軌跡,測量蠟油的溫度梯度變化,記錄碳粒雜質往返燭芯的週期。比較石蠟、大豆蠟、果凍蠟在燃燒時的碳粒移動差異。再以銅線取代燭芯,以排除毛細作用影響,觀察碳粒在蠟油池的移動情形。最後,觀察碳粒雜質在同一個蠟油池、2個同時燃燒的燭芯之間的移動情形。 研究發現:1.碳粒在不同的蠟油池皆具有向燭芯移動,且被推開加速離開的規律現象;2.碳粒移動週期與速度,跟蠟油池內的溫度梯度變化情形有關,溫度梯度變化大,碳粒移動的往返時間短,代表蠟油流動速度快;3.碳粒的移動也會受到毛細作用的影響;4.碳粒移軌跡偏隨機移動;5.相鄰燭芯燃燒時,形成兩組循環系統,移動趨勢視蠟油溫度而不斷變化。

急速「傘」耀-降落傘終端速度的探討

影響降落傘使用安全性的變因有哪些?降落傘速度多快時,會開始平穩緩慢降落?因為好奇這些問題,我們先自製簡易降落傘,再作實驗探討,可能影響它的安全性的變因有哪些。 參考過去相關研究作品後,發現影響降落傘平安降落與否的「終端速度」,無人嘗試探討過,我們用micro:bit(V2版本),測量降落傘降落過程的加速度與時間數值後,用物理學計算方法,算出不同方式製作的降落傘,降落過程中達到的終端速度有多快。最後發現當降落傘符合傘面半徑大、總重量輕、傘繩長度 讓傘面展開最適當的面積、傘繩數量少、傘面材質輕且沒有破損等這些條件時,終端速度會越慢,安全性也越高。希望此次研究能讓降落傘的製作更完善,也許可搶救更多高空意外現場的性命呢!

好宅—菜宅擋風模型研究

「菜宅」是澎湖人因應冬季強勁且挾帶海水飛沫的東北季風,建來防風種植的設施,而菜宅有不同樣式與尺寸,哪個擋風效果更好?風吹到菜宅又會怎麼變化? 透過製作風向計、風向觀測架、風洞、菜宅模型與研究台,我們測量看不見的空氣。利用塑膠瓦楞板和水管製作壓縮比1.4倍、開口40cmx40cm的風洞,能讓工業電扇吹出風速3.9m/s~4.2m/s的相對穩定風源 。 牆面改變氣流,在不同支流交互作用下能在牆後產生逆向風和風無區,較高、較寬的牆面效果愈明顯,另外,具延伸牆的ㄇ字型和長方形菜宅,能阻擋側風吹入,也能阻擋側面支流進入菜宅,而改變迎風牆後的無風區和逆風區範圍。 據本實驗,在逆風區最遠處搭建第二道牆面(長方形菜宅)能產生最大無風範圍,增加種植面積。