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物理科

壓力山大~探討神秘的壓電效應

能源一直是台灣大問題,團隊希望讓生活中被浪費的能量轉換成可用的資源。 從各種壓電效應發電的方法開始進行研究,查詢文獻,我們突破困難,設計了穩定的發電壓電效應測試器,發現壓電片越多數據越大,發電效應也越好,敲擊下的壓電片很容易受損,找到最適合的保護膜,因為實驗才發現壓電片是交流電,必須透過橋式整流器轉變成直流電,並儲存到電容內,才可以較容易地應用在生活中,為了善用實驗成果,我們也測試不同組合方式,最終讓壓電片發電效應倍數增加,更發現正反排放的效應尤其驚人,團隊將會朝向老人生活或實際應用,做出可運動也可發光的裝置。 研究團隊研究壓電片發電,製作出低成本、有效應且最能儲存電量發電組,作品仍在繼續研發中……

甜蜜交織的共振擺

本研究探討「共振擺中『介質』和『交替晃動』的關係」。實驗方法採多次試驗、實際操作與影像紀錄等方式進行。研究結果發現:(一)文獻影片中交替晃動的情況並不是最佳效果;(二)以棉線當介質時,綁點間有一個最佳距離,可以讓交替晃動情況更明顯;(三)介質張力的大小,是交替晃動效果好壞的關鍵;(四)橡皮筋介質的「交替晃動次數」最少,效果最明顯;釣魚線介質的「交替晃動次數」最多,效果最差;(五)最佳的交替晃動共振擺裝置為橡皮筋介質,最大能量轉換率是95.4%,衰退率則是12.6%。總之,要用易拉罐盪鞦韆看到明顯交替晃動的現象並不容易,在裝置設計上有其妙方;歷經了上百次的實驗後,才順利找到許多關鍵的要素,結果令人振奮不已。

墨墨在舞動~探討以酒精驅動墨滴鋪展的物理現象

本研究是探究以大豆沙拉油為基底相的開放系統中,酒精驅動書法墨滴鋪展的物理現象。透過鋪展面積倍率分析,發現以墨滴當鋪展相比其他顏料更適合,乙醇驅動墨滴鋪展的效果優於甲醇、丙醇及丁醇。基底相的高度會影響墨滴的鋪展倍率及鋪展現象的可重複性。0.054公克的墨滴在油高0.54cm,鋪展倍率最大,聚合效果最好。若油高超過墨滴的理論直徑時,控制墨滴重量在0.031公克,可使2公分高度落下的墨滴以花瓶狀懸掛在油面。驅動液酒精濃度越高,面積鋪展的倍率越明顯;可用酒精調整墨滴表面張力,使墨滴以碗狀懸掛油面,再以酒精驅動鋪展,若酒精墨水表面張力低於31.1mN/m以下,可產生自發性的鋪展現象。上述液體系統可設計成用來認識物理現象科學玩具。

魔戒三部曲~以物理模型和tracker分析翻轉落體的運動模式

鏈與環魔術簡稱為魔戒,本研究將魔術tricks藉物理模型與tracker軟體分析,化成探討翻轉落體運動物理模式。發展四種物理模型進行實驗、攝影與截圖、tracker分析其S-t、v-t圖和相關物理量,解釋環套鏈成因。包括:1.環套鏈物理模式分為翻面落體期、立環直落期、翻鏈套環期與鏈環彈跳期等階段;2.翻鏈套環期決定環能否套入鏈;3.環套入鏈變因與影響程度為:鏈單位長度重量>環質量>鏈長度>環直徑;4.鏈愈輕、環愈重、環直徑愈大時,環可套入鏈長範圍愈大;5.鏈愈長,第二階段立環直落期時間也愈長,其他階段幾乎相同;6.環重遠大於鏈重時,鏈長會糾纏成多個套結,鏈短則形成半個套結;7.經鐵環兩點雙track過程,得知環翻轉運動軌跡。亦發現,一節節鏈設計亦為環能套入鏈成因之一。

沉沒的寶藏

本研究從浮沉子這項玩具出發,藉由了解控制浮沉子升降的因素,探討如何製作浮沉子以使其可更省力操作。我們發現藉由增加浮沉子負重,可更容易控制其浮沉。 此外,我們根據波以耳定律改良浮沉子,設計出簡單但有效的壓力計,可測量寶特瓶內壓力。 以設計的壓力計測量寶特瓶耐壓程度,測試過的寶特瓶中,最高在壓力達8個大氣壓力左右時仍未破裂。 施予寶特瓶相同外力時,不同品牌寶特瓶內產生之壓力亦不同。根據本研究的分析推論是:某些寶特瓶可能因其特殊設計而較能將受壓處外力分散到周圍的瓶壁,因此可讓受力面積增大而減小瓶內壓力,這種寶特瓶在遭受局部劇烈撞擊時,可能可承受較大外力。

「形」「音」不離對稱剪紙

生活中的聲音隨處可「聽」,聲音來自於振動,因此我們拆解音響喇叭設計實驗,首先自製不同喇叭震源設備之圖形模擬器,再搭配不同材質、厚度和複合材質的板子與不同頻率的輸入,觀察其圖形變化。 實驗發現: 一、以共振喇叭設備在固定時所形成的節線較為完整且清晰,產生圖形的頻率範圍較廣。 二、不同材質的板子密度(重量)不同,導致在高頻時,出現相似圖形的頻率差異較大。 三、單一紅銅板或複合材質的板子密度(重量)相近,出現相似圖形的頻率無明顯差異。 四、特定頻率下的幾何圖形,當頻率越高,出現的圖形越複雜,皆有對稱性,讓我們聯想到 『中國的剪紙藝術』,我們試著把「看見」的聲音形狀用色紙剪出其對稱圖形。

跳舞的油滴

我們詳細地進行了液滴開花現象相關的研究,發現不同油品發生液滴開花現象的條件並不相同,其中的關鍵是表面張力的大小。分析動態過程發現在不同條件下(酒精濃度、油品種類),液滴的擴展與收縮過程很相似。進一步使用懸滴法自行測量各種油品以及不同濃度酒精的表面張力,對照相關文獻數據確認實驗所得數據的合理性。最後,我們也嘗試統計與分析液滴開花後碎液的大小與數量,以量化的方式解釋實驗的各種現象,確認馬倫哥尼效應(液滴開花)是因為酒精溶液與蔬菜油兩種不相溶的液體表面張力相近,同時上方的酒精溶液揮發性極強而導致酒精濃度下降、表面張力增加而造成液滴碎裂開花的效果。

凌波微步-漂、浮體於振動液面之運動狀態探討

本報告旨在探討不同形狀的物體在振動液面上的運動現象,通過改變物體形狀、漂與浮的狀態,及實驗時的振動條件,觀察物體的行為,並以液體表面張力、漂體與液面夾角的變化、振動模式與流場狀態解釋。研究發現:疏水性漂體因表面張力漂在振動液面上時,其重力會造成液面凹陷,由於漂體形狀對稱性質與質量分布差異,造成各端點與液面夾角不同,液面為漂體提供不同方向與大小的作用力,並產生不同的流場,使其移動與轉動,其(角)速度受液體種類、振幅、頻率、漂體質量影響。此外,在振動液面上移動的漂體與其他漂、浮體間會因為液面狀態互相影響產生交互作用力,進而出現吸引、排斥、繞圈的現象。

「卡最電」---運用卡門渦街共振進行發電的研究

1.彈性體彈力係數在卡門渦街效應中會變化,代表受力相同下,形變量改變,利用卡門渦街共振發電有節能效果。 2.系統渦街頻率為0.76Hz,測量阻流體後方1倍球體直徑處頻率為0.86Hz,2倍直徑得f=0.79Hz,與理論計算相近,證明有卡門渦街效應存在。最佳的組合直徑4cm、弦切角度30度半球形阻流體,有風時k(彈性係數)=6.61N/m,無風時k=11.46N/m。在6.5cm的彈簧座上,放置射流完全發展階段,距離出風口縱向距離15cm橫向距離3cm(15cm/s)處,共振晃動軌跡為橢圓形。 3.阻流體模組在卡門渦街共振下頻率變小,共振效應有穩定阻流體運動穩定性。 4.卡門渦街發電裝置的發電功率為較課內實驗的發電功率穩定,其體積與質量都較輕巧化,有發展潛力。

居家隔離排風方式研究-以負壓隔離病房為範本

本研究以負壓隔離病房為範本,針對居家隔離排風方式進行研究,探討風速、送風口面積、模型長度與長寬比,對負壓差值和風量比的影響。相較於其他研究,本研究以一般房間作為實驗對象,並以每邊縮小十倍的房間模型來進行實驗,再將實際測試數值和理論數值進行比對。結果發現:排風扇風速與負壓差值呈正相關;送風口面積和空間體積與負壓差值呈負相關;排風扇與送風口面積比值為1~ 2之間時,風量比最接近理論數值。回推實際情況後可知:在2.46坪的套房留下 303 ~ 606 cm2的送風口,安裝風速 4.73 ~ 14.33m/s 的排風扇,可達負壓差值標準,增加居家隔離的安全性。