物理科

星期天兩位同學到我家來，一起做科學遊戲。他們拿兩個同樣的玻璃杯做橋座，上面鋪上一張紙，把錢幣擺在中間時，紙張承載不了，馬上塌了下去。又把紙摺成波浪型，擺在兩個杯口上，這時候把錢幣一個一個往上加，卻能承載很多個錢幣而不塌。我想，紙張既然能載重，那麼利用紙張做成各種形狀來做實驗，了解它的特徵一定是有趣的事，於是我們就做了這個有趣的實驗。

專題課時，利用20根義大利麵及有限的膠帶與棉繩搭高塔挑戰失敗，引發了我們對在有限資源下，如何搭出堅固高塔的好奇心。本研究利用自然課的教具完成簡易裝置，測試了幾種市售麵條的彈性與彎曲強度，挑出適合的義大利麵條進行棉花糖挑戰。接著使用圓竹棒代替義大利麵進行結構的實驗，再配合自製的剪力測量裝置進行研究，探討三角形長邊的重疊方式對剪力與耐重力的影響，並發現剪力與耐重力最大的重疊方式與加強三角柱的直立柱中間點可以加強耐重力。最後，運用研究結果與文獻資料，成功將20根義大利麵高塔由原本22公分高提升到97公分高，高度增加了四倍多。

牛頓冷卻定律為何不能解釋「高溫的水會比冷水容易結冰」?此一現象又是什麼因素所造成的呢？一、氣體溶解度對「彭巴效應」的影響。二、「熱頂效應」對「彭巴效應」的影響。三、蒸發對「彭巴效應」的影響。四、冰晶與結冰的關係。五、不同的水質與不同溫度的變化。六、不同濃度的鹽水的下降溫度。在多次的實驗過後，我們似乎已經找出了結冰最快的「途徑」了！

本研究探討影響綠豆湯煮熟所需時間的因素，包括比熱實驗、沸點實驗、綠豆泡水溶液長度變化實驗、滲透實驗及煮綠豆實驗，研究結果可以合理解釋煮綠豆湯前先泡水及後加糖的原因，過程中也得到糖水、食鹽水及海水的各種相關數據。同時為了更瞭解水溶液的結冰狀況，也做了凝固點實驗及結冰實驗。

日常生活動中簡諧運動的例子很多，例如：浮在水面上的木塊往下壓一段距離後放手，木塊即受重力與浮力的作用作簡諧運動；節拍器的左右振盪也可算是簡諧運動的一種，而實驗室中最常見的就是懸在彈簧下物體的簡諧，物體振盪時，受彈簧的回副力即重力而作上下得振盪，但此時不僅是物體，彈簧本身也在作振盪。所以，計算簡諧運動質量的時候，須考慮彈簧參與的部分質量。本實驗所探討的即為彈簧參與簡諧的有效質量與彈黃員質量的關係。

本實驗以大葉桃花心木種子為材料，探討種子在飛行時，其結構與三種作用的關係：重力、旋轉力矩、柏努利原理。實驗中首先測量種子各部位的結構與飛行模式的關係，再以模型進行實際拋射與風洞的測試。結果我們發現大葉桃花心木種子的7個結構會影響它的旋轉飛行：1.種子的重量：提供重力造成轉動及產生升力。2.展重心位置：需偏向翅的一邊，使施力矩大於抗力矩而穩定旋轉。3.弦重心位置：需偏向翅寬度方向的一邊，提供較大的切風角度，增加旋轉推力。4.種子與肋痕重量比：以0.3~3.0的重量比例飛行高度與轉動速度最佳。5.展弦比值：種子翼面的展弦比在4至7可獲得較大升力。6.上反角：會改變翅的上、下面的實際受風面積，且上反角的翼面下凹，依白努利原理會形成水平下壓的力量。會使鉛直下墜的種子恢復水平，藉以修正種子的飛行姿態。7. 截角面積：適當剪除重心以外之翼面面積可以使載具更容易旋轉，但是截角長度不要超過全長的一半，否則會降低受風面積，進而使載具很快墜地。8.載具飛播高度：若以6公尺之水土保持間距來推算，10倍載重之載具飛播高度限制約在30公尺；4倍載重則限制約在100公尺。以飛播高度在100公尺時之飄移距離：10倍載重之飄移距離約70公尺；4倍載重則約40公尺。故4倍載重之單翼種子載具的使用，是可靠且簡便的飛播造林方式。

你相信流體可以用來減速嗎？非牛頓流體具有很特別的性質，我們希望能應用它來製作腳踏車的減速帶。首先，我們分別以玉米粉、太白粉、地瓜粉、在來米粉與水混合，發現在來米粉溶液無法形成非牛頓流體。進一步，我們量測不同混和比例的非牛頓流體對鋼珠的減速作用，得知玉米粉:水3:2、太白粉:水3:2與地瓜粉:水6:5(重量比)有最佳的減速效果，以此最佳比例自製減速帶，測試它們對腳踏車的減速效果。實驗數據顯示，當腳踏車車速越快時，非牛頓流體減速帶的減速效果越好。玉米粉溶液做成的減速帶對腳踏車的減速效果最佳。減速帶鋪設的數量越多(2、4、6與8個)、間隔的距離越短(100cm、50cm與25cm時)、高度越高(1.5cm與2.5cm)減速效果越好。

本實驗用了業務用排風扇，並加上整流段，使氣流更加平穩、集中。裝上自製調速器以控制風速，並且改良出微型風速計，以測試棒球上下的氣流流速。棒球部分，則利用家裡面常會用到的圓形保鮮盒，改裝成測試架。此測試架可同時測到水平力、垂直力及阻力，不儘大大地突破過去的測試限制，更可以任意改變旋轉的角度及轉速，以及不同的旋轉軌跡。如此，幾乎所有的變化球都可以模擬出來了！也可藉此找出新種的變化球。為了測量打者揮棒時間，我們利用了電腦軟體(威力導演)，將打者的打擊影片進行連續的分析，以求得球路判斷點，最後利用電腦做0.01秒為間隔的力量分段分析，使數據更加精確，更有助於棒球軌跡的完整呈現。

自然課本在摩擦力單元提示三個概念，分別是一、「粗糙面的摩擦力比光滑面大」；二、「水會降低介面間的摩擦力」；三、「介面接觸面積大小與摩擦力大小無關」。本研究發現這些概念與生活物理現象不完全相同，故進行實證研究，歸納研究結論如下： 一、微觀角度中，介面間實際接觸面積越大，摩擦力越大。 二、在無塵且無水分的前提下，兩接觸介面的摩擦力為「光滑/光滑」介面大於「光滑/粗糙」介面。「粗糙/粗糙」介面大於「光滑/粗糙」。 三、兩接觸介面間若有灰塵存在，通常會降低摩擦力。 四、兩接觸介面間大量水分會降低摩擦力；少量水分反而會增加摩擦力。 五、粗糙介面的紋路若不連貫無法排水，在多水情境時防滑效果較差。

為了解蝴蝶飛行的原理，自製風洞及不同展弦比的蝴蝶翅膀模型，在模型中通入濃煙並 以數位相機拍攝蝴蝶翅膀上的渦流變化。發現主要有前緣渦流、翼端渦流及與翼身相交接處 的根部渦流等，進一步分析拍翅頻率和攻角改變對渦流的影響，發現拍翅不但會強化根部渦 流也會使前緣渦流向後滾，就像是一串向後移動的微型龍捲風，形成翼面有一股向上的力量， 即所謂的渦流升力。最後，把蝴蝶模型固定在自製振動座上，再將整個基座黏在電子秤上， 測量拍翅時模型所受的最大升力，結果發現當模型的拍翅頻率慢慢增高時升力會突然消失， 而頻率更快些升力又會再度出現。針對這個奇特的現象，我們運用Buckingham π 理論分析 最大升力及渦流的關連性。