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物理科

不同轉動座標系統效應對流體中不同質量顆粒分布狀態研究

本實驗以單轉動系統設計,探討轉動座標系對流體中顆粒大小分布狀態的相對關係。不同質量顆粒與流體分子摩擦碰撞而產生的顆粒分布狀態,以及加上不同旋轉系統對顆粒的相互碰撞而造成分布狀態改變的相互關係與作用。 在一個持續且穩定轉速的旋轉座標系統中,流體中的顆粒會因向心力而沿著圓形曲線軌道形成圓周運動,而若將旋轉系統停止,流體的運動將逐漸趨於靜止,而流體中的顆粒則會產生螺旋軌跡運動慢慢向中心聚攏。 本研究應用旋轉系統的不同與液體性質的差異,發現當我們將液體停止旋轉時,其中的顆粒會產生螺旋軌跡運動慢慢向中心聚攏,進而在圓心形成一個圓,而不同的變因對它從旋轉到聚攏所花費的時間與其軌跡和分布面積都不盡相同。

「凌波微步」--- 微波電漿的產生方法及變因之研究

本研究依據「微波電場」造成導體「集膚效應」 的原理,希望探討葡萄在微波爐中產生微波電漿的產生方法及影響因素。過程:進行聚丙烯酸鈉橫截面直徑大小、微波強度、 鋁箔紙角度、線圈間距及線圈圈數等對電漿產生的影響。藉由本研究實驗結果證實:在微波電場中對導體產生的集膚效應,進而激發表面尖端放電進而引發周圍氣體被激發成為離子態進而進入電漿態。而當線圈圈數變多時,會發生短路現象,釋放高溫高熱,使溫度和亮度均升高,但也造成電壓相對下降。我們也進行了線圈金屬材質的實驗,發現鐵(鉛線)因為是磁性物質,因此能夠產生較高能的電漿;漆包線圈因為有機物質可以產生功率較高的電漿。

就問你「浮」不「浮」:浮球的穩定性討論

我們利用扭蛋製做單軸、分離式及貫通式雙軸浮球模型,進行海水與淡水的載重與吃水深度、配重位置與傾斜角度、造波和回正觀察。發現載重與吃水深度呈線性關係。不同配重位置明顯影響分離式模型的傾斜角度,重心越低,角度越小。貫通式模型易保持正浮,但重心較高者,正浮不穩定,稍受擾動即傾斜。 在造波中發現浮球呈週期性運動,且浮力最大值在波峰,最小值在波谷,相差可達50%~85%。垂直方向運動速率最大值約在平衡位置,垂直位移最大值<2倍波高。 不同配重位置的貫穿式模型以90°傾斜入水,軸頂到重心的距離(L)決定浮球是否回正。本實驗發現全長16cm的模型,L≥11.42cm者,均可回正,L≤11.17cm者,均無法回正,顯示L越大浮球穩定性越高。

傳熱密碼~追蹤液體中的熱軌跡

我們的實驗運用「酒精溫度計」、「電子液晶溫度計」及能以物體表面所發出的紅外線觀測物體溫 度的「紅外線熱像儀」來觀察、探討,在熱源下方液體溫度到底是如何逐漸升高?經過實驗發現,這看不見、摸不得的「熱」,在容器中不僅僅只用「熱上升、冷下降」的對流作用升高液體的溫度,同時 也能利用傳導、向下對流,甚至輻射等各種方式,在容器中前進傳遞,使液體逐漸變熱;我們藉由溫度計紀錄液體中垂直的、水平的、離熱源不同距離的溫度變化,以及經熱像儀、染劑和不同性質的油水等工具來觀察追蹤液體中的熱軌跡,拼湊出神奇的傳熱密碼。

甜言蜜「羽」----羽球拍甜蜜點之探究

我們將長條棒狀物,一端固定後水平轉動落下撞擊鐵球,測量鐵球擺盪的高度,來尋找其打擊甜蜜點。我們發現棒狀物的長度和寬度都不會改變甜蜜點在全長的比例位置。而材質、重心的改變會影響甜蜜點在全長的比例位置。在實際測量羽球拍後發現,廠商會控制球拍重心將甜蜜點置於拍面正中央,讓使用者有較大的擊球面積,不易失誤。建議握把布也要盡量使用重量輕薄,以免改變球拍重心,導致甜蜜點下移,影響擊球力道。

噪音變樂音~磨鳥笛

摩擦音一向是令人不悅的噪音,經由實驗自製出聲音多變的磨鳥笛;發聲原理不同於販售的數種鳥笛,從磨鳥笛組成要件〜木頭材質、螺絲粗細、紋路、扭力大小、比對鳥叫聲探究: 1. 磨鳥笛要能夠發聲須注意木材硬度、螺絲紋路、螺絲直徑、摩擦角度等特性。 2. 發聲結構體(木材)硬度在600~1800最合適,例如:櫸木、雲杉、松木、桑樹。 3. 螺絲直徑5~6mm,細牙,牙距0.5~0.75cm,深度0.3~0.5cm最適合當作摩擦體。 4. 木材含水量多寡影響聲音有無、高低音及泛音的變化,與螺絲轉動摩擦力大小有關。 5. 改變扭力大小與角度,造成螺絲鬆緊度改變產生不同音頻和音量的轉換。 6. 增加摩擦力可讓磨鳥笛聲音擬真度提高,扭力與振幅成正比。 7. 螺絲深度(h)∝音頻(f),木材半徑(r)∝音頻(f)結果顯示為負相關。

無「鰭」不「泳」—探究水平尾鰭對其運動行為的影響

這是截至62屆科展為止,第一件研究水平尾鰭在水中運動行為的科展作品。 歷經長時間努力終於研發出能模擬海豚利用水平尾鰭的擺動在水中向前游動的「機械海豚」,更進而研發【水中推進力/升力測量儀】,成功以「重量」形式呈現水平尾鰭在不同變因下所產生的推進力及升力,透過「推升比值」精準檢視其前進能力。 研究發現水平尾鰭的擺動速度、面積、形狀都會影響其在水中的前進能力,有趣的是尾鰭擺動得越快,不見得會越游越快喔! 最後研發的【水流檢測儀】可環景無死角地看出水平尾鰭擺動時的水流變化,小檢測球的設計更是讓水平尾鰭後端的4個漩渦完美地呈現在眼前!證明水平尾鰭的擺動會製造渦流降低前進的阻力以提高前進的效能。

浮屋減振定錨設計之研究

本研究目的在找出浮屋定錨系統最佳避振的懸吊系統裝置方式。研究發現串接的定錨設計方式,且上重下輕能有效的減少晃動。在水深度不深的情況下,水下的懸掛物越重(但不可超過浮力)、越深,並且放置在與波前垂直的重心線兩側可以減少許多水平方向的衝擊。經過實驗數據的檢視與物理駐波的討論,發現串接的懸吊系統其懸吊物擺放在節點處可以大大的降低晃動。本研究依據物理公式v=√(F/μ)與v=fλ推算出懸掛物的節點位置,實際安裝後減振率達50%以上。振波藉由繫繩傳遞能量,而配重的定錨在節點處提供繩張力並且穩定的振動,利用繩的振動來消耗振波的能量,繩上的浮球可以降低繩張力並增加振波能量的消耗。文末並提出其他減少晃動的可能性建議。

探究神奇四連桿與其機構型態之關係

本研究先根據功能原理與能量守恆定律,推算出四連桿機構中省力與費力的裝置,發現影響因素有桿長及搖桿角度,接著聚焦於桿長,尋找不同型態的長度範圍。以GGB為主,扣條為輔作為研究設備,將所有情況分為四桿相同、三桿相同及兩桿相同,運用基本原理找出形成機構的條件,再利用葛式判別法則推論構成葛氏機構與三搖桿時不等式的分界點,以及葛氏機構對應的型態,並將結論以樹狀圖呈現。 最後,在模擬投石器的實驗中,觀察到在特定從動桿長度下,彈簧拉力越大時,球的拋力大小與前一項的差距會有「遞減」、「持平」或「遞增」的現象,原因是主動桿做等角度圓周運動時,從動桿是做加速度運動,且這個現象可以在實驗中紀錄的球拋出之水平距離中看出來。

綁手綁「角」!飛石索發射角度與纏繞之探究〜

本研究討論「飛石索」在空中如何利用兩端重物把繩子拉開,繩子在接觸到目標 物後,可以順利纏繞。研究內容有飛石索發射器設計,兩端重物飛出時的向前初速度 計算,還有讓繩子張開的向左和向右速度分量討論,發射攻擊角度和纏繞到目標物的 落點、圈數,研究結果如下: 一、利用彈力橡皮管會伸縮形變來當發射動力,掛架採用四條懸掛式,飛石索可以順利被發射出去。 又因掛架角度設計成張開模式,所以兩端重物會往不同方向飛出,進而把繩子拉開。 二、目標物距離不同會有不同的攻角配合,例如距離目標物600公分時,飛石索繩長設定在70公分,兩端重物各20公克重,調整攻角角度在15度,圖1:飛石索纏繞住目標物飛石索會有最佳的平均纏繞圈數3.4圈。