全國中小學科展

物理科

且滾且停,隨液而動~自製緩速車滾動之研究

本研究在探討容器內容物影響滾動的狀態分析,進而研發出能自動緩速以滾、停、滾、停方式下坡的車子。我們研發自動計時裝置及可調式坡度裝置並使用 無線運動位移感應器以及Tracker 軟體來分析實驗結果,實驗結果發現 影響容器滾動狀態進而達到緩速下坡的因素有:容器種類、流體黏滯度、流體容量、斜坡角度及容器內含物。我們也試著利用球體容器來研發製成輪子,最後選擇第三代輪框式球輪組合成球型輪車,透過在不同車輪內控制黏滯液體的容量及添加彈珠的8種組合方式,探討車體緩速下坡的時間、滾動速度及滾動轉角的影響,期待緩速車能在生活中無障礙空間及自動安全載物之應用。

風的整形大師~探討不同條件對微型風洞氣流穩定性的影響

風洞是重要的流體觀測設備,生活中許多物件都需要經過「風洞」研究空氣流經物體所產生的氣動效應;但風洞設備體積大又昂貴,小學生難以接觸到,因此,本研究針對微型風洞的製作條件進行探討。 本研究針對微型風洞的風速大小、整流段孔徑大小及長度、收縮段延長長度等變因,進行氣流穩定性觀測,運用水煙及紅色點狀雷射光點輔助氣流的呈現;結果顯示風速及整流段孔徑過大或過小都不利於層流的產生,整流段較長及收縮段適當長度有利於層流的穩定呈現。 研究發現使用孔徑9mm大小、長度20cm的整流段,組合收縮段延長長度10cm,搭配風速1m/s,是自製「微型風洞」較佳的組合條件,可以清楚觀測氣流在微型風洞中層流的產生,適用於中小學生對於流體的觀測應用。

輕功水上漂之驚濤駭浪

水黽在水面上自在地的滑行,就想探索動態水面的表面張力。先設計用懸掛式的方式來測量表面張力,發現寬度愈大,可承載的重量越大,若加計沉陷的壓力差,則表面張力趨於一致。再測量兩根線接近時的承載力,發現距離小於 5mm,承載的重量隨距離的減少而減少,超過後則沒影響。當波前與壓克力板的方向平行時,在波谷時的向上加速度最大,此時水的表面張力不足以拉上壓克力,就會沉沒。波前與長邊垂直,當波浪來時,表面張力將前方向上抬升,後方要往下降,卻受到的表面張力的阻止,所以容易沉沒。推動鋁線快速前進時,鋁線前後方向上分力減少而沉沒。所以鋁線與前進方向垂直的比例愈多,最大前進速率愈小。依此做出表面張力移動底盤。

震能共舞-減震和隔震裝置與地震動能發電之研究

本篇研究主要討論減震及隔震裝置是否能在減少地震災害的同時,還能有發電的潛力。我們分別設計了減速馬達隔震裝置、電磁類雙彈簧調諧質量阻尼器進行實驗。前者透過加裝減速馬達以及不同齒輪齒數等因素,在能減震的同時提升發電效果,當外齒輪為36齒,且加裝復位彈簧時,在448gal加速度下,建物最大加速度能減少13%,並且能達到1.5mW的發電效果。後者的實驗中,我們認為電磁線圈及磁鐵兩者間距以及擺長的組合,將對建物產生不同的減震效果。實驗中在134gal加速度下,12.5cm擺長搭配與1cm的線圈間距,能夠降低51%的頂樓加速度,並達到2.9μW的發電能力。透過量化裝置發電能力後,也判斷整體來說減震效果與發電量關係不大,但與類雙彈簧系統上下板的間距有關。

眼見不為憑~ 探討中央漸層色彩對相鄰色塊視覺及拍照之影響

本研究在康士維錯覺的基礎上,進一步探討中央漸層色彩對其 相鄰色塊影響之行為,並與相機拍照加以比對。首先本組設計不同中央漸層變化圖片,讓20位受試者進行顏色辨識測試,結果發現中央漸層的色彩不僅會對兩側色塊的明暗產生影響,連本身的色彩也會看起來不一樣。再以相機拍攝設計好的圖片,將其存成RAW檔的格式,再以image J程式分析其顏色變化情形,經分析後發現:1、靠近中央亮區一側的色塊確實會變比較亮;2、相鄰兩色塊連接處都會互相包含彼此些許的色彩;3、兩側色塊的顏色會因中央漸層色彩的形式而有所影響,此外、比較兩者結果,具有一致性的發現意謂著康士維錯覺不僅僅只是大腦解讀造成的,還掰和光學及影像處理等問題。

有「力」可「球」,變化more測

本報告主要針對球體在不同作用力下,影響其行徑軌跡之研究,運用都普勒效應及柏努利定律等概念,設計實驗裝置。為了探討球體水平方向及自由落下垂直方向的運動獨立性,自製3D列印實驗球體 (圓球和橢球體)與球體旋轉軌跡裝置,分別引入水平與垂直氣流進行球體軌跡實驗。透過相機錄製影像與物理實作APP擷取聲音頻譜資料,再運用Tracker軟體進行數據處理。此外,善用磁生電原理,驅動LED光來測得球體轉數。最終,實驗結果發現球體形狀、轉速跟空氣氣流產生不同作用力,都會使得球體產生偏轉,皆符合柏努利定律來進行解釋。

咖啡渣田拔蘿蔔-非牛頓顆粒流體的力學

在電影場景中的流沙是可以吞沒人體的自然現象,但實際上流沙能覆蓋人體的深度並不深。從文獻報告顯示,流沙是非牛頓流體的一種,但表現出來與太白粉所製的非牛頓流體不同。利用咖啡渣來建立流沙的受力模型,發現不論在阻力的表現、表面出水的現象與物體沉入的狀況與流沙都極其相似,以咖啡渣作為流沙的模型,可以減少使用玉米粉或麵粉所造成的浪費,同時可控制粒徑大小,測量受困者與流沙間的受力關係,立新的研究模型。在定力的實驗中,對物體施以垂直拉力,瞬間拉力約為物重的80%即可拉起;若沒有瞬間拉力,則需物重的120%以上。在動態的實驗中,物體所受的阻力會因著受力擠壓、含水量多寡、接觸面積、力量作用時間的不同而有差異。

流沙箋的表面張力因子探討

流沙箋為調製顏料灑在水或黏稠性介質表面,經由各種工具及技法製作各種紋樣,再將紙覆於其上轉印而成。製作流沙箋以水作為載體所得的紋樣自由流動,不易固定,近代發展常以海藻酸鈉為載體。 毛細管檢測表面張力海藻酸鈉及羧甲基纖維素皆為11.1mm,甲基纖維素11.6mm 這三種膠體表面張力較為相似,載體除可用純水配置0.45%海藻酸鈉外,也可嘗試其他。水膠液液滴直徑觀察中海藻酸鈉液滴直徑最小4.03mm(倒數為0.25),水則為4.67mm(倒數0.21),海藻酸鈉倒數最大表面張力最小,有較穩定的顏料擴展;顏料液滴直徑以黃色表面張力最小,紅色及藍色則沒有差異。 流沙箋製作過程中影響因子太多,溫度較低的環境或溶液較能保持製圖時的液體表面擴展,未來也可再探討不同顏料與載體互動差異。

探討特定因素對馬倫哥尼效應的影響

本研究探討乙醇水溶液滴入沙拉油中之液滴分裂行為,分析液滴滴落高度與有限邊界對液滴分裂行為影響。研究液滴擴散最大、分裂完成與分裂後兩分鐘的最終狀態,並修正反應時間模型。結果顯示,滴落高度越高擴散範圍與分裂液滴數量增加,最大擴展直徑呈U型變化,反應時間於中間高度(約10cm)出現局部最小。邊界越大時分裂更完整,液滴平均面積較小,邊界過小則影響母液滴為維持最小表面能而收縮、分裂的速度,使反應時間增加。首次提出液滴內縮機制,觀察到液滴分裂未完成即出現內縮(TypeII現象),由乙醇與水揮發差異導致擴散接著內縮形成圓環,為文獻未提及之新現象。整體結果補充液滴分裂行為,未來可應用於微流體與表面張力相關研究。

「流」「擺」能生—探究穩定水流中單擺組合擺盪機制與發電應用評估

探究水流中單擺擺盪變因的影響,確認擺盪的物理機制,用於發電裝置優化調控。單擺實驗以動能轉換參數f*X評估效能高低,於實驗中發現阻礙物兩側流速差造成偏移力並產生渦流,若渦流結構完整,說明流速差大,偏移力大。擺長越長,渦流頻率(f)降低且擺幅增大;擺錘直徑增加使f降低、擺幅及渦流直徑增大。流速10cm/s下,最優單擺-擺錘直徑5cm、擺長20.5cm、33.7g。加阻流柱(擺)可降低f增加擺幅;水流速與共振擺長有量化關係。擺盪發電組的圓筒密度接近水時有較佳的發電效益,於不同流速下,改變擺長可調控發電組之震盪頻率使之共振,增加擋板可增加發電組擺幅使發電效能提升。