全國中小學科展

物理科

冷次定律的直觀教學與研究

(一)理化法拉第定律告訴我們磁場發生變化時,有感應電流產生,冷次歸納結論:線圈內的磁場發生變化時,感應產生電流,其方向為:感應電流所產生的磁場,恆反抗原磁場發生變化的方向,可是在物理教材裡,我們卻找不到如何驗證冷次定律的實驗資料。 (二)課本上的實驗:將磁棒 N 極(或 S 極)迅速地插入線圈內,在插入的過程中,同時觀察檢流計的指針是否發生偏轉?就指針的偏轉方向,判斷出所生電流方向,並未直街顯示出冷次所言的「產生反抗磁場」現象,實在難以說服學生。 (三)在此我們研究並設計出一種演示冷次定律的新方法,可以讓學生直接觀察感應電流所產生的磁場,恆反抗原磁場發生變化的方向。

彈性碰撞之模擬實驗

於高中物理實驗(PSSC力學實驗10)”二度空間碰撞"中 ,利用物體水平拋射運動之水平位位移以測其水平速度,進而說明兩鋼球於不受外力作用下,碰撞前後之總動量守恆。此實驗對速度之測量及實驗結果之表示,應有良好之效果,惟以實驗儀器之設計太過粗略,因此,對兩物體碰撞後之動量及動能無決作更進一步之探討。

「芯」「心」相映-筆芯燈泡的研究

我們嘗試自製燈泡,實驗中以筆芯代替鎢絲,當加大電位差(電壓)時,觀察到筆芯開始發亮,接著漸漸變細,然後斷裂,此現象和燈泡中的鎢絲相似。從筆芯的導電性實驗中,發現筆芯的H愈高,黏土含量越高,導電度愈低;B愈高,石墨量愈多,導電性愈高 。筆芯的長度越短,直徑越粗,電阻越小。為了讓筆芯發光,我們增強電壓,由實驗結果顯示,通電的電壓至少要10.5伏特、電流3安培以上,才足以使筆芯發光。如果筆芯在二氧化碳的環境下,可延長發光時間,但對於照度則沒有幫助。以鋰電池串接時,0.9mm直徑筆芯實驗效果最佳,可以發光170秒,照度達1023Lux;以鉛蓄電池為電源時,在照度、發光時間都有明顯提升, 0.5mm直徑筆芯發光時間達660秒以上,照度為20830Lux。

自南自北自西東─磁力磁場知多少

去年科展我們研究「醋的神祕功用」,以打破醋缸問到底榮獲全國化學科第一名,激起同學們濃厚的研究興趣。尤其對於「磁鐵浸入醋液後磁力增強」一項更是意猶未盡,決定改以物理的方法對「磁力和磁場」做延續性的研究。

兩平面鏡任意夾角成像公式推導

若有兩平面鏡( 面鏡I、面鏡II ),兩面鏡間夾角為α,物體與兩面鏡交點連線段與面鏡I的夾角為β (α、β單位為「度」)。在已知α、β的情況下,算出所能形成的最多像數,利用數學輔以所自行撰寫的C語言程式推導公式。

神奇的大力士─曲桿爬梯車與槓桿原理的探討

根據民國八十三年以殘障類別言,臺閩地區 311,730 位殘障人口中,以肢體殘障者149,372 人(其中四肢障礙者 143,525 人,軀幹障礙者5,847人)占 47.92 %最高。我們學校小陳叔叔正是一位腳部不良於行的殘障人士,他上一般的樓梯時,非常不方便。於是,我們靈機一動,便想到要做一種可以爬樓梯的機器幫助小陳先生,讓小陳先生日後不會再視樓梯為無法跨越的障礙。我們試驗多種車子爬梯,最後決定採用曲桿的結構以帶動六輪爬梯,並自製活動梯試車,研究的重點包括:曲桿動力來源、齒輪數與扭力、活動階梯與坡度、車輪紋路與摩擦力、第二、三種槓桿原理的應用探討、利用零污染的太陽能與馬達,製造電能產生機械能,靠著後輪的穩定性和後作用力推動前方車體使車子爬上樓梯或在崎嶇不平的路況上行進。為了要環保與節能,曲桿爬梯車的拼裝,採用廢棄玩具材料,及太陽能板,並且成功的爬上階梯,也讓我們瞭解到曲桿六輪爬梯車的物理現象及貢獻人類的功能。

飛盤與氣體浮力的關係研究

最近學校很流行玩飛盤,飛盤是一種很有趣的玩具,他長得很奇怪,像一個裝菜的盤子翻過來一樣,可是我覺得很奇怪,它為什麼會飛呢?它為什麼能在空中繼前進而不會很快的掉落呢?這個問題迷惑著我,也使我對它產生了好奇心,於是在老師的指導和同學的幫助下展開了連串的研究工作。

旋風手裡劍之瓶蓋棒球大解密

我們改裝了JSPB氣槍,藉以產生穩定的推進力,並結合3D列印製作不同的槍頭,加上砂紙的摩擦來模擬出手時產生的旋轉,利用這個發射器,進行不同的實驗。 我們使用了flash、tracker、MPC、excel等軟體,交叉比對實驗結果,並成功利用現有的器材對同時高速移動又高速旋轉的瓶蓋進行了轉速分析,克服沒有專業高速攝影機的困擾。 分析後,我們發現瓶蓋的凹面擺法是產生浮力的主因,可用以對抗重力,延遲下沉,而摩擦產生的旋轉會造成瓶蓋在行進中改變球路,利用不同長度的槍管,就能產生不同程度的旋轉,可有不同程度的球路變化,結合這幾項元素,我們成功實現多種球路,可提供有興趣的人練習打擊,希望在瓶蓋棒球運動的發展上做出貢獻,說不定會掀起風潮。

「轉出活力與光彩」-可動式葉片組垂直軸風力發電機之探究與應用

曾經在Discovery的節目中,看到垂直軸風車的介紹,引起我的興趣。因此團隊決定研究垂直軸風力發電機。在研究一,我們設計了垂直軸風力發電機,並針對可動式葉片形狀、葉片面積大小、相同面積下葉片長寬比以及在葉片上打洞和葉片打洞疏密度進行實驗。在研究三發現:葉片面積相同、形狀不同的葉片,以正方形葉片發電量最穩定也較高。在研究四發現:葉片的面積越大,發電效能越好。在研究五發現:相同面積,不同長寬比的葉片,高瘦型的葉片發電效能比矮寬形葉片高。在研究六發現:在葉片上打直徑1公分的洞,發電效能比不打洞的葉片佳。在研究七發現:在葉片上打4個洞,可以得到較高的發電量。最後我們還利用風力發電機組,製作了一組「垂直軸風力發電路燈」。

垂〝懸〞欲『掉』-大氣壓力實驗之探討

此實驗之重點乃在於研究水多寡、蓋片材質或者是瓶口面積大小是否會影響吊重之結果,更進一步的研究因瓶蓋稍微掉落而導致的瓶內體積、壓力之變化是否為其可支撐重量之變因。於是我們首先用C 型夾,讓我們的容器以C 型夾固定,減少人為因素之影響,並採用壓克力片為蓋片。用三種不同瓶口面積,但容積一樣的容器分別以不同水量來做,下面袋子裝砝碼,測量其可支撐之重量變化,實驗結果得到:瓶口面積愈大或水量愈多,可支撐的重量較重。為了解釋瓶子內外壓力差(波以耳定律)是造成撐起水重以及壓克力片的原因,我們另外設計一個自製的壓力計來量測瓶內的壓力變化。在實驗中我們發現到內外壓力差非常微小,但是就足以撐起來整個系統的重量,以理論值來說其液面高度變化是0.02cm,眼睛難以辨識的境界,但是用我們的裝置(S 型管壓力計)可以觀測到其變化,並和理論值有相同的趨勢。