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物理科

不再DOWN的啄木鳥-探究科學玩具啄木鳥上升之因素與原理

本研究在探討啄木鳥科學玩具向上爬升的原理,並透過井字形結構,加振動喇叭的動力啄木鳥,探討懸臂長度、孔徑大小、輸入音源的振動頻率、振源位置與音源輸入振幅對啄木鳥上升速度的影響。 研究發現,啄木鳥玩具會在特定頻率下快速上升,與振動頻率是否對應到機構的自然頻率及共振效應有關。動力啄木鳥在懸臂長為300mm、孔徑10.3mm、振動頻率150Hz時,上升速度最快。振動喇叭放置位置會對啄木鳥上升速度造成影響,速度大小依序為懸臂前端>懸臂末端>懸臂中間。孔徑會影響啄木鳥的 升速度 ,而非自然頻率。音源輸入振幅需大於iPad音量10格才能使啄木鳥上升。

“魔法隱身與穿牆術”-全反射與光穿隧效應

自然課學過反射、折射和稜鏡色散,於是利用壓克力和不同液體來探討全反射和光穿隧現象,發現降低表面粗糙度能減少散射,以利觀察雷射光路徑;而紅光和紫光的折射角差值可作為色散的簡易指標。此外,液體溫度、濃度及相變化也會影響臨界角;結合不同臨界角可達成「魔法隱身」;結合不同全反射,則可應用於液體高度警示。 同時也探討全反射在介面形成的漸逝波(Ref.[1]),利用液體填入介質空氣縫來降低折射率落差,或是將空氣縫隙減小到幾微米以下,都能讓漸逝波穿越空氣縫來實現「魔法穿牆」,此現象稱作光穿隧(optical tunneling)效應(Ref.[1]),或受抑全反射(frustrated total internal reflection) (Ref.[2]),未來可應用在精密測量領域。

響由形生~喇叭狀共振腔對聲音表現的影響

本研究探討喇叭共振腔的波導形狀,對聲音傳播距離、響度和音色造成的影響,我們依斜率變化自製窄頸、橢圓、三角喇叭共振腔進行探究,成功發現形狀影響聲音表現背後的物理關聯。研究結果如下: 1.喇叭狀設計會引導聲波能量更順暢往出口集中傳播,也會改變諧波數量造成音色變化。 2.窄頸喇叭響度增強效果最好,聲音傳最遠。 3.三角喇叭在中低音諧波太多,易產生雜音。 4.喇叭邊界的形狀會決定空氣對流速度,窄頸喇叭空氣流動最慢反而響度最高。 5.聲波遇到喇叭邊界後,產生的干涉會影響傳播距離與範圍:窄頸喇叭能量集中於中央軸線 ,傳播遠,具指向性;三角喇叭兼顧傳播範圍和強度;橢圓喇叭能量均勻散佈腔體,傳播範圍最廣但強度不足。

欲就還推-探討影響磁鐵水平磁束縛條件以及利用磁顯卡預測其形成之研究

本研究企圖嘗試探究透過磁鐵特殊的排列,使一個磁鐵處於既相吸又相斥的水平磁束縛態,並探討其形成原理、條件與預測工具。結果發現,一、利用兩個大磁鐵與兩個子磁鐵以特殊排列方式可能達到磁力平衡,且此時磁鐵會在某個區間所受的磁力為零,此磁鐵可以保持移動卻又等距的「磁束縛」有趣現象。 二、磁束縛現象特徵:1.大、小磁鐵數量(磁力)不能差距太大。2.增加母磁鐵數量較易造成磁力不易平衡。3.增加子磁鐵數量下,會增加磁鐵子母磁鐵的夾角。4.增加或減少大小磁鐵的磁力,磁束縛距離改變不大。三、 磁顯卡是可以用來預測磁束縛狀態是否形成的有效工具。

白浪滔滔我不晃-船隻阻尼器研究

本實驗以指尖陀螺與馬達製作阻尼器,利用角動量的原理來平衡船隻的晃動程度。從實驗結果發現有裝阻尼器的船隻,震動的波形相對較為穩定,表示阻尼器對於穩定船隻有實質上的效果。而改變指尖陀螺的質量和轉速,也驗證了角動量越大穩定的效果越好。希望未來能進行更大的實驗模型,進而實際應用在一般船隻上。

浮光流轉-走馬燈探究

透過一系列實驗研究走馬燈的設計與性能,探討不同因素對旋轉速度與穩定性的影響。實驗中,用紙杯與卡紙製作燈罩及燃料杯,並測試燈罩的長度、大小、開口方向,以及燃料種類與燃料杯設計對熱氣流的影響,希望能改善走馬燈的運轉效果。結果發現,當空氣受熱上升時,會驅動紙杯旋轉,而開口方向決定了旋轉方向,當開口朝左時,紙杯呈逆時針旋轉,當開口朝右時,則順時針旋轉。此外,我們測試了不同高度與大小的燈罩,變化開洞的數量、形狀與角度,並調整洞口在杯側的位置,以分析其對旋轉效果的影響。這些結果有助於理解熱對流、燃燒機制與機械運動的關係,也為改善走馬燈的設計提供了參考依據。

滑翔吧!旋轉中的飛行器

我們使用一般的紙杯,做出能在空中滑翔的紙杯飛行器,經過一系列的實驗設計,我們認為飛行器內外輪徑要有差異、外輪與內輪要有些重量差異,外輪杯口有重量且光滑平整,紙杯飛行器滑翔的距離會越遠,但飛行器的長度對紙杯飛行器滑翔的距離並不會有太大的影響。

「失」出有名、「速」手就擒 ---探討飛機失速倒轉之條件

為了做出失速倒轉返回的特技飛機,發現發射力量與角度和機身結構都有所互相關係。依據失速最大高度、失速水平距離、返回水平距離,發射角度0度時,可選擇87型;發射角度10度時,則可選擇86型;而設定其他飛行目的則可以發射角越大,倒轉返回百分距比與失速高度越大作為操作參考。重心調整上,13mm長尾夾(1.20g)夾在機頭最前端最為合適 。 風洞試驗方面,88型達最大仰角時間最短,翼刀與翼尖小翼不同傾斜角度形狀,最大仰角約在30度左右,推測飛機形態是受風產生升力的主要影響因素。失速倒轉返回飛行修正方面,86流線型可以提高發射角度與水平高度進行。而87與88寬廣型以水平高度,延長升力達最大值的時間為原則。

翻滾吧!花式彈跳板的跳躍軌跡探討

有趣彈跳板能像游泳選手在起跳台用力一蹬,產生不一樣彈飛運動。本研究發現:自製20度斜坡擺在高度10公分彈跳蹬台,彈跳板對折後把頭部放置與稜線距離3公分,起跳瞬間用高速攝影分析起跳角度接近45度,而且後側板對斜面及拉緊橡皮筋撞擊稜線都會產生下壓作用力,獲得斜向反作用合力,出現對稱彈跳軌跡,彈飛水平距離最遠203.2公分。當彈跳板鉛直向上,姿態如芭蕾舞者,呈現連續左右水平圓周方向快速旋轉,軌跡最直不傾斜!令人驚豔是彈跳板黏貼小小墊片竟能彈飛精采多樣的舞姿,當彈跳板斜向拋物,會逆時針連續後滾翻;當增加配重,翻轉變超快,落點更集中;當墊片黏腳部重心降低,有頭上腳下垂直圓周方向連續快速翻轉現象,非常有趣!

光「纖」亮麗-探討光纖導光性質及照明應用

本實驗主要探討光纖性質及其生活應用。首先,本組測量所使用的光纖規格,接著改變不同變因,以測量損耗值來推斷光如何在光纖中傳輸。實驗後發現光纖越長,因吸收及微彎損耗,損耗值越大,而光纖彎曲角度越大、半徑越小、次數越多皆會因巨觀彎曲而造成損耗值增加;光纖上彎曲位置則是因全內反射、入射角度等造成越靠近入光處彎曲,損耗值越大;溫度對損耗值沒有太大的影響;波長越大則損耗值越大;而入射角度大於最大可接受角10°後,損耗值隨入射角度增加而增加。本組也將光纖用於製作一些照明裝置。一、用集光裝置來聚集光線,並用光纖將陽光導進室內來達到最小閱讀照明亮度的照明系統,二、只使用纖芯以用來製作安全照明裝置和條狀強光照明。