物理科

在高中物理課程的實驗中，有一個是利用空氣共嗚儀測量聲音在氣體中的速度，因而引發我們對固體、液體中音速的好奇，進而研究測量的方法。

我們的研究包括兩部份，第一部份是實地調查訪問。瞭解地震成因、傷害及現有防震方法，並調查坊間各種建築物類型，及常見私自改變建築物結構現象，做為研究的基礎。第二部份為建築物抗震實驗。研究發現：牆面挖空、頂樓加蓋、樓層挑高，建築物會在該處產生弱點，由此斷裂。柱子數量相同下，散開時支撐力較弱。不對稱建築物遇震時會不自然扭轉且易倒。隔震素材恰當，能有效提高耐震力，本實驗以滑軌、彈珠最好。樓頂加裝消能設施亦能減震，但設計極其不易。

在研究α質點靠近原子核時運動的軌跡，通常以丘狀曲面如下圖 模擬原子核所建立的電場位能曲面，另取一鋼球彈向此丘，代表α質點的運動情形。物理課本上曾提到“鋼球在曲面上滾過的軌跡，自然是一個三度空間的曲線，而此曲線在其底平面上的射影，及代表α質點在原子核電場中運動的軌跡”(請參考以下附錄)，我們不禁要問如此射影下來的曲線軌跡真的是正確嗎？引起我們以下的討論。 附錄(節錄自參考資料(2)，P276~278) : 左圖用以說明α質點當靠近原子核時所循路徑的丘狀曲面，α質點具有之位能與 ｒ成反比，ｒ為離原子核之距離。製造此丘面時應使面上任何點之高度與ｒ成反比。ｒ亦為在丘面上點離丘面中心線之距離，因此，在丘上之滾動之小鋼球所具有之 重力位能與ｒ成反比。如此，則鋼球運動時的能量即與電荷在原子核電場內運動的α質點的能量變化情況相似，而此運動軌跡在丘底平面上的射影，即與α質點在原 子核電場中運動的軌跡相類似。 下圖中實線表示小鋼球在代表庫侖電場之位能的“丘狀曲面”上滾動之可能路徑，丘底平面上之虛直線表示小鋼球最初瞄準方向。若自丘頂正上方俯視此丘狀曲面，則所見之鋼球經過路徑及代表一α質點在原子核電場中之運動路徑，此路線即圖中平面上之虛曲線。

以遠哲科學趣味競賽中【升力大挑戰】的項目為基礎，以自製線繫珍珠板飛機滯空時的載重性能。雖是高中課程中的力學，仍激起我們挑戰研究飛行升力原理的意念。透過風扇與導流板的調整與製作，獲得較為平行的風向。在測試一般市售珍珠板飛機之後無法取得明顯的滯空性與載重性，則改以概念的方式設計出基本比例的原型機。經測試獲得初步的滯空性與載重性。接著製作可縱向調整機翼的測試機，進行配重與重心修正後的測試。以自製機翼攻角升力測量儀研究最佳升力的攻角，進而以可調整機翼攻角的機型實測攻角的升力，相互對照中確定攻角對於升力的作用。最後珍珠板飛機穩定飛行的載重量由原本的18 g 提升至26g，也使得每次的飛行更具穩定性。

在學習電磁學時，書上有學到磁場的計算，但卻沒有相關實驗，便想自行設計實驗來求得地磁，而在實驗過程中發現，測地磁時可以同時求得磁鐵塊的磁矩和磁極強度，並可進一步驗證兩磁極間的磁力是否符合庫倫定律。

本研究是資優班獨立研究課程的作品，結合五下科學探索課程中大氣壓力、白努利定理、圓周運動等學習單元的概念，進一步探討漩渦形成的原理和液體旋轉運動時液面的變化，及影響漩渦空氣蕊直徑大小與漏流速度快慢的變因。同時發揮我們的創造力，親自製作器材，操作實驗，設計出測量漩渦拉力大小的方法，觀察雙漩渦彼此相互推擠或牽引的現象，10 個月的辛苦研究，我們收穫豐富。

我們研究並製作出簡易的蘭克—希爾須渦漩管(Ranque-Hilsch vortex tube)，使管子一端產生冷空氣，一端產生熱空氣。藉由改變不同的供氣方式及控制不同的氣體流速，意外地突破了前幾屆全國科展只做出2~3度的溫差，再藉由設計不同的渦漩管大小、長度、孔洞等進一步做了一系列深入的探討，最後成功讓渦漩管兩端冷熱空氣溫差高達57.6度。此外，我們還利用易於觀察的白色溶水油來分析氣體在管中流動的情形和軌跡。

有一個科學小遊戲，將濾油網對向光源可看到美麗的光譜。我們對此現象感到好奇。國中自然課本中有一個色光的實驗，將白光透過玻璃紙的濾光和色紙的反射，可看到不同的顏色，我們的實驗結果卻不符合課本內容。於是想用光柵片來分析色光，探討實驗的問題。我們實驗的結論如下。雷射光是單色光，其它的光源如太陽光、日光燈和LED燈都不是單色光。玻璃紙的濾光功效不完全。色紙反射白光的功效和角度有關。以兩條上下並行的狹縫和光柵片所產生的光譜進行混色，得到與課本相同的結果。利用光柵繞射方法，可以求出蒸餾水的折射率，對照利用入射角與折射角求折射率的傳統方法，所得到的結果相當一致。

電場的分佈是研究電學的基礎，課本上並有多張「放草種子在絕緣液體內之電力場」照片，對於各種情況下之電場分佈均有極清楚的照片，然而我們數度以機油當做絕綠液，可是無法獲得預期的效果，所以我們數位同學攜手找尋更好的電力場顯示法，後來我們思考是否可利用離子的移動來顯示？於是著手實驗各種離子受電力場作用移動而留下的痕跡，以進一步瞭解電力場，經過三個多月利用課餘時間作了一些電場分佈及帶電離子移動方向及速度與電場的關係。我們覺得這方法可提供為以後高中物理教材研究及觀察電力場的實驗之一操作簡單，現象明顯，並可印證多種學理的解釋。

學了理化17章聲音與波動後我們知道聲音的傳播速率在攝氏零度時可行進331公尺，且其速率取決於空氣溫度、溼度以及與當時風速有關，但是，我們不禁要問： (一)聲音速度既然比陸地上任何車輛都快，那麼快的速度，我們如何去測量它呢？ (二)溫度、溼度、風速會影響聲速，那麼，起體的密度(壓力)也會影響風速嗎？ (三)氣體的傳聲速率與介質的分子量大小有何關係？