全國中小學科展

物理科

「墊」力人生

多數學生午休曾有腿部產生不適的情形發生,本實驗探討如何改善午休時大腿壓迫產生的不適感,利用三種瑜珈墊做為舒壓墊實測是否有顯著改善不適,並透過數據分析改善腿部不適的因素。 為了解舒壓墊的減壓能力,記錄重物壓在舒壓墊上的形變量,4公分厚TPE形變最明顯;2公分厚NBR形變較大。使用問卷調查法,多數人認為NBR材質較為舒適,NR材質較不舒適,為使結果更接近實際使用情況,我們進一步以手機拍攝兩種舒壓墊形變過程並用Tracker進行分析,試圖找出NBR較舒適的原因,發現NBR的形變軌跡較NR明顯,再利用錶式血壓計來檢測趴睡時下肢在兩種舒壓墊上的壓力分佈及大小,得知NBR的減壓能力比NR更好,因此我們認為舒壓墊的形變軌跡與減壓能力和舒適度有正相關。

沃辛頓射流控制術-不對稱邊界的影響

沃辛頓射流是指物體掉入液體中後,在液體下形成空腔,經由表面張力的作用,空腔收縮並向上噴射的水流。瞭解射流機制與抑制射流引發的噴濺,在機械潤滑與公衛領域是重要的課題。本研究透過空腔與容器的交互作用,影響射流的形成空腔形變會改變表面張力的合力方向,使得局部收縮速率不同,進而影響射流的高度與方向。透過改變空腔兩側形變的程度,我們可以有效控制射流偏移方向,本研究進一步透過自製頂針,讓空腔局部變形,藉此產生射流偏移,證實張力波並非射流偏移的主要因素。本研究的成果,為射流的 研究提供一個新的觀點:空腔弧度大小決定收縮速率與方向,未來可藉此影響空腔收縮,協助科學家降低空蝕現象對機械的破壞。

尿之有道-小便斗噴濺物理學

本研究旨在探討男性使用直立式或懸掛式小便斗時,尿流量、身高、和斗壁距離、入射角等因素,對於尿液噴濺面積和範圍之影響。研究方法包括:以頻閃燈和慢速攝影、tracker分析與雷諾數,辨識不同流量對層流和紊流之變化量;採用小便模擬器、Vernier氣壓計和力度計,測得水流和反彈流對斗壁作用力,終以蒙地卡羅法扇形區和Image J分析兩組小便斗噴濺面積和範圍。主要研究結果包括:1.以tracker 分析獲知流量和流速關係,從雷諾數變化量驗證流量小易受紊流噴濺、流量大則易受反彈流噴濺。2.尿緩=15mL/s,距斗壁30 cm 平射,反彈流噴濺最少;4.身高>=170 cm、25mL/s,平射兩種小便斗,噴濺面積與範圍皆最小;5.以600射角和對準排水孔,噴濺面積和範圍最大;6.本研究亦討論和改進尿液噴濺的研究方法。

三線式張拉共構體穩定性研究

張拉共構體以常見的細繩使一個結構漂浮在半空中,想了解張拉共構體當中的原理。有一篇科展研究 提到三條線的張拉共構體做不出來,經實驗發現製作穩固的三線式張拉共構體方法及注意事項。 過程中,重新設計張拉共構體三次,發現上結構懸浮隱藏著槓桿原理,成功使用有彈性的繩索測量共構體繩索的張力。探討張拉共構體的懸浮特性獲得的結論:1.三線式的張拉共構體需要在上結構追加重物才能讓它穩定不翻倒。2.三線式張拉共構體的上結構有槓桿原理的特性。3.三線式張拉共構體的懸掛重物越重,越能夠承受一定程度的橫移晃動,但是第3號線將承受整個結構體的拉力及重量。4.第3號線的位置越接近第1 、2號線將使上結構可以承受比較大幅度的晃動。

力拔山河-立體幾何模型與氣體對泡泡薄膜的影響

我們學會使用表面張力儀,也利用天秤自製工具,透過實作驗證溫度影響表面張力,每調製泡泡水皆測液溫及表面張力。將幾何模型由泡泡溶液中提離,模型中出現的薄膜因泡泡液體的表面張力而存在,泡膜間相接觸後會重新分配分子位置利於達穩定且內凹的泡膜型態。不同的速率、不同的方位(點、線、面)將模型拉離泡泡水面,發現點先離開泡泡水的內凹薄膜完整成型率最高,面先離開泡泡水成型率最低,邊數越多的幾何模型中間越不易形成結點或小平面的薄膜。對著泡泡薄膜中間打氣可形成與該模型圖案相近的氣室;可藉由抽氣筒將此氣室內的氣體抽出,並恢復該泡膜無氣室前之型態。若乾燥針尖戳入某一片泡膜,可發現,沒被戳的部分區域的泡膜幾乎可保持原貌。

彈簧蹺蹺板的簡諧運動

首先我們用目測法、節拍器共振法,以及Tracker測量法測量擺動週期;再測量彈簧壓縮以及橫向的彈性係數;然後利用木夾子、螺帽來增加質量;再來利用重物位置來改變施力臂的長度,最後比較對稱與不對稱的的差異。了解影響彈簧蹺蹺板擺動週期因素後,我們探討彈簧蹺蹺板與彈簧擺飾的共振現象,得到結論如下: 一、彈性係數(k值)越大週期越小;質量(M)越大、施力臂(R)越長,週期越大。 二、增加重物重量、墊高層數越多、質量(M)越大,以及施力臂(R)越長時,共振的週期和同步時間會變大,但擺動的振幅則變小。 三、彈簧擺飾的左右以及上下振動的週期隨質量增加而變大;前後擺動的週期會大於上下振動的週期。

風起「渦」湧~卡門渦街現象與風力發電

本研究在風洞中觀察到卡門渦街造成振動阻體共振的現象,了解到振動阻體口徑、風速大小影響卡門渦街頻率,而振動阻體的自然頻率與渦街頻率在特定條件下發生共振,也觀察到前後擺放兩個振動阻體,振動阻體因卡門渦街,有交錯擺動的現象。我們利用可產生最大振幅,口徑16cm的彈簧阻體來製作發電裝置,在風速3m/s、彈簧長16.5cm下,可得到最佳功率為530±11mW。將前後擺放兩個振動阻體串聯,在風速3m/s、彈簧長19.7cm下,可得到最佳功率為12.5±0.5mW。未來期望多加以改進並實際運用到生活中。

水花消失術

本研究探討跳水過程中不同因素對氣泡與水花產生的影響,並分析如何透過改變跳水姿勢來減少水花量。結果顯示,球體直徑與撞擊速度增加皆會顯著提升水花高度與氣泡空腔大小。水平速度會改變水花傾斜角度並減少高度,使氣泡空腔偏移。柱體形狀與錐度比對水花影響顯著,圓柱體產生穩定現象,尖頂柱體則集中撞擊能量,產生更高更細的水花。手部姿勢與面積大小顯示手掌外翻放平與小面積能有效減少水花與氣泡空腔,達到最小水花效果。最後,水花消失術是跳水前擦乾身體,入水前身體筆直頭向下、雙手向水面伸直,手掌外翻抓手放平,入水後,將空氣帶入水底,減少氣泡空腔造成的沃辛頓射流現象,以水底產生氣泡浮出水面取代水花,進一步降低水花產生。

液滴曲面折光的繞射圖紋探討

利用線香探究光在立體空間的分布,發現圖紋與光線的條數具有相關性的,在不同的角度下產生的圖紋精彩炫麗、美妙驚奇令人驚艷。為了找出圖紋、光線和水滴及介質之間的某些相關觸點,設計了相關性的設計實驗並參考惠更斯原理與繞射原理,比較不同水滴形狀、垂吊方式及改變雷射筆照射位置來觀察圖紋差異,觀察不同角度的光經過同一介質的連續曲面產生的圖紋差異,對產生的圖紋加以解釋。透過這一系列的實驗,發現光經過介質時會因遠近差異、角度、水滴形狀出現折射及反射的美妙圖紋,時而交疊或發散,形成了各式複雜曼妙精彩的圖紋。這些都是本實驗值得探討的研究。

回心轉「易」!橡皮筋逆向滾動機制之探討

射出去的橡皮筋竟然會自己滾回來,使用自製「逆向滾動發射器」,橡皮筋以一定的斜拋角度發射,它會在空中高速旋轉,跟地面接觸後,旋轉動能與地面摩擦力相互作用,產生逆向滾動效果。橡皮筋是不太均勻的彈性體,所以電子磅秤進行重量篩選,搭配圓形校對模型和自製靜態拉伸測量器,嚴格控制橡皮筋的物理參數,降低其他變因的影響,找出最佳滾回條件組合是: 1.直徑4.8cm近似圓形橡皮筋,重量0.60g,寬度3mm,彈性係數最好的k72。 2.橡皮筋不均勻拉伸比例1:1.5,中段轉折支架設定在正中間位置B。 3.發射點距離地面75cm,最佳斜拋發射角度20°。 綜合上述發射條件,橡皮筋發射後不但能成功滾回,而且多次測試常常超過原始發射點,展現良好滾回效果和動量維持性!