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全國中小學科展
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臺灣東部海域常有海豚造訪,賞鯨豚已成為熱門的海上知性活動;海豚擱淺時有所聞,對海豚造成生命危險。由於 clicks 是海豚用來判斷目標遠近,辨別目標大小、形狀的聲波,因此,本篇研究報告以海豚 clicks 為研究主題,探討海豚回聲定位之水下聲學。本研究首先於海洋動物園以水下收音設備記錄海豚聲音,以波形與頻譜分析其聲音特徵。研究中亦以虛像法聲波傳遞模型探討影響海豚回聲定位之因素,發現海豚與目標物之距離、以及海水深度對海豚回聲之返回時間與波形都有顯著影響。從聲波之反射與干涉之分析,我們進一步得知不同材質的物體由於其反射係數不同,因此聲波的疊加可導致回聲強度的差異,海豚藉此可以分辨兩物體材質是否相同;當海豚偵測的目標形狀不同時,物體的頂點就是聲波的散射中心,因為它們產生的回聲疊加以後的干涉圖像不同,海豚藉此可以分辨不同形狀與大小的目標物。由此研究結果可推測海豚之回聲系統不僅為一維之訊號傳遞,更有產生二維或立體圖像之能力。
經常會看到前方的路面像有一灘積水在那兒,但近走過去看時卻發現什麼都沒有。我們查看物理方面的教課書籍及上網搜尋資料,發現這種現象是由於地面上的空氣因溫度變化,導致光線在空氣中的行進方向偏折而產生的全反射現象,其原理與沙漠中的海市蜃樓成因是ㄧ樣的。 我們發現了高中組科展的得獎作品中,居然得到與上述完全不同的結論,就是:炎熱路面的一灘積水是由於地面的單向反射造成,並非為空氣的折射現象。這也就引發我們做此次科展的強烈動機。 從尋找地面海市蜃樓在何處,與不斷改善觀察工具開始做起,接著再與師長同學討論,將光折射的證據從1.改變觀察者位置的高低、2.溫差的影響、3.地面性質等三方面逐步探索,並以雷射光徑說明:白天地面的海市蜃樓是光折射所造成。
夏天自製冰塊消暑,發現結冰前是透明的溶液,結冰後卻不完全透明;於是上課請教老師,老師說:「你們何不好好研究實驗看看。」於是在老師的指導下,與同學利用課餘時間著手觀察研究。
一般楊氏係數的測量結果常與公認值相差甚多,詳細檢討原因,覺得這個實驗有徹底改進的必要。金屬線受應力而產生應變時,其內電阻亦必跟著變化,或許我們可以利用這種“電阻應變”來測量楊氏係數。物理書上對於塑性應變的圖形都畫成下面左圖的樣子,但去年我去參觀資訊展時發現有一種自動化儀器可以將金屬線受力應變的整個過程描繪出來由,由下面右圖可以發現曲線上有突然折返的現象,到底那個圖才對呢?
我們對於鋁罐可使屋頂表面溫度下降約20℃的報導感到興趣,於是製作一塑膠模擬屋,以水泥、磁磚、玻璃、不銹鋼和鋁盤做屋頂,利用燈照代替太陽,對不同型式易開罐進行研究。首先我們有系統地從外部不同位置測氣溫,然後測各式易開罐的表面以至於內部的溫度,最後利用模擬屋測屋內氣溫。期間並接了一熱電偶溫度計,大幅縮短了測量判讀時間。並發現高溫時,鋁罐比鐵罐溫度上升較慢且下降較快,鋁罐表面溫差變化比鐵罐小,表面磨光的裸鋁罐表面溫差變化又較小,且鑽3孔的裸鋁罐罐內均溫差最小。最後在不鏽鋼盤上鋪滿半圓弧未磨光鋁片,測得屋內溫度比未鋪任何物還低15℃。證實鋁罐對降低屋內氣溫度實有不錯成效。
在小學學到單擺、節拍器有等時性,可以用來計時。我們發現浮體在水面受一下壓或上拉的力量後,導至浮力、重力不平衡時,浮體會在原地做週期性運動亦有等時性。而振動週期究竟與何種變因有關,呈何種線性關係,引起我們的興趣,故作深入探討。
在國中理化課本 24 - 2 電解硫酸銅溶液實驗中,當兩電極(銅片)以不同角度放置時,負極所析出的銅量將有不同,而以兩電極板平行放置時,在與正極相對應的負極面上銅會大量且很快析出,而負極的背面析出量少。由這個觀察結果讓我聯想到: 電場會不會只存在兩電極板間?而負極背面會有較少的銅,是否因溶液的流動性才造成的?如果利用電解溶液橫切面來做觀察,是否更能觀察出電場的分布?其電力線的分布圖是否較草籽實驗容易觀察及解釋?
有一天,我冒雨騎腳踏車上學,在學校附近,為了閃避路旁衝過來的小孩而緊急煞車,那知車輪在柏油路上雖停止前轉,但卻滑行了一段距離,差一點發生意外。到了學校,我好奇的檢查了這輛腳踏車,發現輪胎紋路早已磨損,不過,我心裡想著:輪胎紋路磨損和地面接觸面積較大,阻力應該也較大,煞車效果不是更好嗎?於是我請教老師,並且在老師指導下,做了以下的實驗。
(1) 凹面鏡可會聚光線。太陽光經數組凹面鏡反射聚於一處,可達數千度之高溫,在能源危機聲中不失為可資發展利用的一個項目。但如何使凹面鏡恆對正光源?(2) 光學中介紹感光裝置時曾提及光電管是一種檢驗光線的工具。除光電管外,如光敏電阻會因光線照射與否改變電阻之大小,故亦可作為檢驗光線的一種裝置。
牛頓發現萬有引力,對大宇宙的星際關係作了合理的描述,偉大成就,令人仰慕。 但是平常除了“蘋果落下”是一個簡單的證據外,其他的實驗都不是我們國中生所能看見的,所以我們希望看見物體間的直接萬有引力,而不要把地球重力扯進來。