物理科

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。

隨著物理、化學、生物等各學科的成熟，使得新興的復合學科成了當今炙手可熱的焦點，例如：生化科技(生物+化學)、奈米技術(物理+化學+生物)等，當然，它們也帶動了人類世界相當大的進步。因此，生活中看似理所當然的現象，若從不同學科的角度觀察，或許也能得到意外的收穫。本研究主要是以「物理光學的角度」分析「昆蟲複眼的視覺感受」研究的現象從「驅趕蒼蠅的清水袋」出發，試圖找出影響蒼蠅視覺最敏感的水袋顏色。然後，再以此種色光為主要，配合物理光學的成像知識與製作昆蟲複眼的巧思，分析「不同結構的複眼」在接收該色光後，其視網膜「成像的偏異情形」研究結果的發現有二；第一，複眼對紫光最為敏感，這樣的結果與「某些昆蟲複眼僅能看到短波長色光」的說法不謀而合。第二，從物理光學的角度亦能證實生命科學的說法，即「昆蟲的複眼曲度越大，對光線越為敏感」、「昆蟲複眼中小眼越多，對光線越敏感」等等。因此，本研究成功地用物理的方法解釋了昆蟲複眼的視神經感受，如此微妙結果，到底是意外呢？還是科學的神奇之處？一切的一切，將在以下的內容中說清楚、講明白....

本實驗的目的是探討鋼球在磁鐵作用下的效應。本實驗利用「測量臺」與「射出端初速測量裝置」兩個實驗裝置，測量出磁力與距離關係、入射鋼球能量與射出鋼球能量之間的關係。我們以不同的顆數測出射出鋼球所擁有之能量，用不同的固定磁鐵方式比較其能量轉換差異。實驗結果顯示，在經過多組磁鐵加速裝置的實驗後，我們發現射出的鋼球每經過一組加速器，其能量便會等比例增加，這也說明了射出鋼球的能量是具有累加性的。

聽說窗簾可能有吸音及隔音效果，但真的嗎？ 研究顯示：(1)窗簾材料：吸+隔音效果為棉質>麻質>塑膠質>厚棉>紗質>海報紙>雙面質 (2)窗簾厚度與吸音呈正相關與隔音呈負相關 (3)窗簾孔隙面積與吸、隔音都呈負相關 (4)牆面的窗簾數與吸、隔音都呈正相關 (5)對稱H型擺設雙牆窗簾吸、隔音都比連續L型好 (6)窗簾波折高度與吸、隔音都呈正相關，波折高度≥10cm吸音效果好 (7)窗簾波折間距6~7cm吸+隔音效果好 (8)窗簾到牆距離與吸音呈正相關與隔音呈負相關；到牆距離3cm處有最佳吸音效果 (9)多層窗簾有吸、隔音效果，以2層為最佳 (10)窗簾含水量與吸、隔音量折減率呈正相關，棉質窗簾含水量168％為最佳吸音含水量。 窗簾改善噪音是有效，理想吸音可減42 dBA及隔音可減139 dBA。

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。

近年來環境污染的問題日益嚴重，尤其在城市要汽車飛馳所排出的度氣和發出的噪音，逐漸威脅到人類的健康。為了改善這個問題，般近政府大力推展以馬達為動力的電動汽車。我們對於馬達這方面的知識感到好奇，同時也產生了許多問題，璧如(一)馬達為什麼會轉動？(二)影響要馬達轉動的原因有那幾種？(三)能不能設計一種簡易的馬達？於是我們把這些問題講教老師 · 老師指導我們做以下的實驗。

是這樣開始的:有一段時期我煮的乾飯，不是沒熟便是太硬，我仍然事照以前一樣，一杯米加一杯水下鍋呀!奇怪!

倒水時，常可看到水不平穩的流出，並出現了類似旋轉的現象，同時有一些看似「聚縮」的點。我們想知道這種現象的成因。首先，我們驗證水是否在轉動，而發現旋轉現象並不存在。接著，我們發現聚縮點出現之鉛直高度在同截面下固定，故此現象很可能具週期性。我們拍攝下水珠的振盪而證實水具有因表面張力造成的自然振盪週期。我們接著研究影響振盪產生的因素：恢復力以及慣性。我們改變慣性來觀察在不同面質量下，振盪產生的時間和質量的關係，發現振盪產生的時間和開口面積的平方根成正比。為了驗證此現象和恢復力有關，我們使用1:1水和甘油混合液重覆前一個實驗，發現聚縮的時間有所改變。我們證實這個現象是一個由表面張力造成的收縮振盪。

利用雷射的干射與繞射來測量頭髮直徑，從中觀察雷射的繞射與干射的現象。我們除了對光線的波動性質要加以了解之外，也要瞭解雷射產生繞射與干射現象的條件與異同。這些都是我們要挑戰的部分。首先我們利用簡單的雷射筆就可以得到圓孔繞射的圖形，進而將頭髮置於圓孔之間，來形成雙圓孔的繞射與干射雙重效應的合成效果。得到了多美麗的圖案。在這些迷眩的圖案之中，我們知道大自然的奧祕就在這裏面。為了捕捉這些圖案，我們花了不少代價來學習如何在暗室中攝影，如何控制長時間曝光技巧。其次，我們雖然掌握了數據取得的技巧，但是我們對數據解釋的方式較弱，所以估計而得的頭髮直徑是令人沮喪的。最後，我們回到單狹縫的繞射現象，終於得到比較令人滿意的數據。

在我們日常生活中時常玩各式各樣的模型飛機，因此發現我們的飛機在作某些動作時（例如急速爬升或下降），會發生俯衝失速摔落，或旋轉下降的現象。檢討結果發現操縱裝置並沒有問題，所以不難使我們想到是否機翼並不適合此類的活動，為了要檢討機翼效應，就把此翼形的切面放入這簡易風洞中作試驗。經過一個多學期的創新與突破，我們一直著重在風洞中翅膀的壓力討論及隨攻角的變化氣流對高速運動物體的壓力曲線。回溯起這一段披星載月的日子，真叫人苦不堪言，但是隨著展出日期的逼近，我們愈感出物理科學的博大精深與絲毫不苟的本質，研究小組一直以我們自己微薄的知識，憑藉著一股對科學的熱愛，大膽提出實驗失敗的可能原因，而小心去求證而改進。我們研究小組通力合作，解決了許多技術上的困難，人人均學會了一身的好本事。相信憑借著我們的智慧加上我們精巧的手藝，在以後進入高深物理研究方向，均有良好的基礎。而今天展出的結果，也只是對於今天教育界栽培我們的師長們一點獻禮而巳。當然我們研究小組更會努力的充實自己，往後對科學界貢獻一己的力量，而使中國的科技日益精進，與歐美並驅，甚通之。