全國中小學科展

物理科

炎之呼吸-火焰燃燒時間與空間、位置的關聯性探討

在這個實驗中,我們針對火焰在燃燒時,它所在的「空間形狀」與火焰的「位置、高度、長度」,來量測燃燒時間,期待利用量測出來的數據,配合自然課課程中有關「熱的對流」來推論,並找出一個適合燃燒的條件;實驗時,我們選用圓柱、四角柱、圓錐三種形狀的玻璃瓶,搭配五種不同的點火點高度、二種火焰長度來取得數據,其中圓柱、四角柱,除了在「瓶口圓心測量」,另也測量了「偏向瓶口邊緣位置」數據來做比較,圓錐因為瓶口較小,只測了圓心,實驗初期,遭遇到不少問題,如「火點不著」、「火焰變長」和「排除廢氣、冷卻」等問題,經過大家討論後解決,最後依數據來推論「瓶子形狀」與「火焰的高度、位置、長度」,對於「燃燒時間長短」的影響。

為什麼要採用拱形

有一天跟隨爸爸到廟裹去拜拜,看見泥水匠建寺嗣其側門用拱形建築,間爸爸「為什麼要用拱形建築」?爸爸回答「較為美觀」因而使我聯想到日常生活中曾見1.古老橋孔是拱形。2.古老建築物,有些門窗是拱形。3.燒木炭、磚瓦、陶瓷器的土窰,窰頂是拱形。4.鐵路、公路隧道頂是拱形。5.中華體育館的屋頂是拱形。6.高速公路源山大橋是拱型。其中有些固為美觀,但也未必盡然、更引發我的推想與好奇,再去請教老師,老師要我和幾位同學利用課餘時間,做些有關拱型與非拱型之種種不同的比較與實驗,以下是我和幾位同學做實驗的經過和結果,敬請批評與指教!

利用密閉容器氣壓及其周邊水壓力測出大氣壓力

由理化第一冊實驗 4 - 1 空氣成分實驗中,發現廣口瓶之瓶口朝下壓入水中時,瓶內水位微升。若改用較長的管柱測試,此現象更為顯著。因此引發我們探討大氣壓力、水壓力及密閉容器內氣體壓力三者間的關係,由此得知新的測量大氣壓力的方式。

力與美的平衡

本研究主要以一個能夠讓酒瓶站起來的酒瓶架,找出它為什麼可以讓不同形狀的酒瓶站起來,以及酒瓶內液體的量不同,也不影響它的穩定性的原因。結果證明酒瓶架穩定性高的原因,是因為它的底面積大。當瓶內的液體量不同時,而酒瓶和酒瓶架的整體重心會調整,但只要落在底面積內,即可平衡站立。並且也在底面積內找到平衡支點,並以支點計算,滿足槓桿定律平衡的條件。本研究並發現到酒瓶架的設計,除了平衡的考量外,也考慮到視覺上的美感。酒瓶架底部和斜角穿孔均為 45。,可造成酒瓶以水平姿態站立。也可使酒瓶和酒瓶架形成的矩形外觀長寬比,接近黃金比例。接著進一步討論,如何以本研究的發現,設計出特殊造型的酒瓶架,及其他符合力與美的產物呢?

低頻振動對冰冷凝氣泡分佈之研究

本研究探討在水凝冰過程中,加入一低頻振動,探討其氣泡聚集在特定點成團的現象。首先改變水中溶氣量,以探討氣泡成因;並改變水量,推測其流動性質的影響性;利用照相觀測氣泡生成過程,推測氣泡聚集成團的原因。實驗方法以喇叭作振動器,施加不同頻率振動冷凝時50mm鋁管中的水,待其固化後觀察不同頻率時的氣泡分佈狀況。結果顯示,在頻率10-40Hz中,頻率越高時,氣泡團間間距越小。而在不同的水量進行實驗時,發現在水量過多或過少時,都不容易觀察出生成氣泡之現象,且水量佔管體積35%時氣泡聚集最明顯。推測可能是因為水裝太滿時液體無法流動所導致。以照相觀測凝冰過程,發現節點會比較早結冰,故氣泡不平均現象是因駐波場導致結冰順序改變間接造成。

弦歌不輟—用圓駐波振盪模式探討彈性模數

行為動機:鐘鳴繚繞,弦歌不輟,探究其奧秘,發現是金屬圈形成圓駐波,不停交織而成。初試啼聲:彈性鋼弦半徑愈小的弦,剛性愈大;共振頻率愈高,波速也就隨之增大。進階認知:彈性線材依其長短、斷面形狀、材質及負荷之分佈,而有不同彈性模數。不能自拔:不同振盪模式,對彈性線材也有不同的彈性行為,進而了解金屬的機械性質。爐火純青:從實驗設計,數據分析及統計,測得環狀鋼弦用圓駐波振盪模式的彈性模數。

利用微量天平測分子直徑

化學課本第六章曾教我們利用油膜實驗求硬脂酸分子的直徑。當我們興奮的進行實驗時,卻失望的發現油膜形狀極不規則,面積不易測量,使測出的分子直徑誤差很大。為能更準確的測量油膜面積,我們利用透光原理將油膜投影描繪在方格紙上,再利用微量天平測出方格紙的質量,最後將質量換算成面積,如此就能更精確的求出分子直徑了。

竹蟬變聲術

在一次園遊會中,看到攤位上陳列著竹蟬,好奇的拿起來試搖一下,啊!這童玩竟然可以發出聲音,真是有趣。於是便買了一個回家研究,並到學校請教老師,在老師指導下,我們幾位好朋友進行了一連串探究活動 。

被困住的水波?

高中物理教材中以水波作波動之折射現象的演示,使我們不禁好奇,水波是否與光波一樣有全反射的現象呢?因此決定對此做一番研究,並希望能做出水波的全反射現象。為確保研究結果的準確性,我們從理論著手,先了解水波表面波波速公式的推導過程,得知其中的假設條件,並依據這些條件及多次的預備實驗改進高中水波實驗的器材,以確保實驗結果在公式可解釋的範圍內。接著進行驗證水波公式的實驗,確認實驗設計正確與否。在全反射實驗之前,先進行折射實驗,再次確認實驗條件控制無誤。最後確實做出了全反射的現象,但波紋並非如預期中在介面完全反射,而是有部分非折射波穿透至深水區。再次查詢更深入的資料後,得知光的全反射其實並非在介面完全反射,而是穿透一定距離後才逐漸反射。由此推及水波的全反射,我們看到的穿透波應為全反射的正常現象。因水波波長遠大於光的波長,而可以觀察到此現象。整個過程中,我們也有兩點意外的發現。第一是在公式探討中發現普遍參考資料上公式的錯誤使用;第二則是使用光感應器可測量水波實驗中難掌握的頻率及波速數據。我們從這個過程中學到很多,也深感本身知識的不足,希望能繼續學習,並對水波做更深入的研究。

被吸住了?? ─電磁煞車機制探討

給予金屬圓盤初速度,記錄其在空轉下之煞車過程,可得空轉角加速度,此角加速度為慣性與摩擦力共同作用產生,於本實驗中為極小定值;再進行實驗通上磁場,使金屬圓盤產生渦電流,並配合磁場方向,依安培右手開掌定則,可得和運動方向相反之阻力,產生煞車角加速度,進而使金屬圓盤停止轉動;扣除空轉下即存有之角加速度,即為渦電流效應下產生之煞車作用。由公式推導加以實驗數據的映證,可得下列結論:一、煞車力矩正比於轉速二、煞車常數Kt 與金屬圓盤材質和結構有關三、煞車力矩與電磁鐵輸入電流平方成正比四、高導磁率金屬之煞車力矩與氣隙厚度平方乘積為一定值並根據討論和結論部分,加以探究電磁煞車未來應用與發展。