物理科

氣體動力論是一種微觀理論，而波以耳、查理定律雖是巨觀的實驗，但對我們而言，終究還是一種看不到的氣體性質推理，而促使我們本次的模擬實驗藉由真實粒子撞擊所形成的現象，解說氣體定律。 一、 理想氣體的粒子模型很難取得，因為真實的粒子必有重量，也很難達到彈性碰撞，我們以B.B 彈為氣體粒子模型，以馬達轉動撞擊B.B 彈，輸入的電功率P＝IV 轉為粒子的動能，就算粒子與器壁為非彈性碰撞，若其散失有一定的比例，也就是當能量平衡時，以功率觀點， p電＝ p粒子得到 ＋p散逸 ⇒p電＝kop粒子得到(ko＞1)，我們可視為粒子Ek 不變，由 IV＝ko．NEk(N：粒子數，Ek：粒子動能)，所以當N 固定時，我們可由p電值來代表粒子動能的大小，當N 非固定時，可由p電/N 代表粒子動能大小。 二、 ∵分子動能 1/2 mv2= 2/3 KT ∴ IV / N 也可用來代表氣體溫度（T）。 三、 垂直放置的活塞受有重力Mg (↓)，若底部有粒子撞擊而使活塞上升一段距離而平衡，可得到F撞擊力 = Mg，而壓力P= F/A =Mg/A，∴若活塞截面A 固定則活塞質量 M 可代表氣體壓力P。 四、 B.B 彈活動的空間體積V=hA 也就代表氣體容器的體積，∵活塞的截面積A 固定∴可用 h 來代表容器體積。 ∴此次探討中，氣體的P、V、N、T 各以M（活塞質量），h（活塞高度），N（粒子數），p電/N（電功率/粒子數）來代表。

本實驗以厚紙板為原料，作各種不同的迴旋鏢，改變其長度、中心凹凸程度、傾斜程度、邊緣膠帶的圈數與纏繞膠帶的位置，以捲尺和碼錶量測其迴旋半徑及時間，觀察其飛行軌跡、週期和迴旋半徑之間的關係。由討論數據變化之趨勢，及引進白努利定律、牛頓運動定律來解釋迴旋鏢軌跡變化與力的關係，希望進而了解如何設計出適合各種環境的迴旋鏢。

月考後，學校在禮堂放映電影，大家都非常高興，輪到五年級進場了，我們要搬椅子去禮堂，離開教室前，老師說；「同學們要把椅子放在身子前面，椅背靠向自己，用手抱住，比較安全。」大家都照做了。可是，過了一陣子以後，我覺得手酸，就換了個姿勢，把椅背夾在腋下，只用手指扶著椅子，結果，我發現搬起來輕鬆多了！我好高興，又覺得疑惑，和幾位同學研究了一下，便去請教老師，在老師的指導下，設計了以下的實驗。

科技可經世濟國其重要性已不可待言，因此政府至望從 事科學教育工作者能做好科教工作。本校物理科教師成 認使命重大，因此致力於科教紮根工作，目前在升學主 義扔未消除之下，本校教師之積極配合方怯是鼓勵學生 在配合現有教材上，例如目前實驗課程鼓勵學生如何加 以用別的方法去做實驗，如何改進、改良。在改進改良 過程中，可觸發學生理論與實驗配合，或產生更創新方 法。所以本校物理教帥現帶頒學生致力於實驗教利之改 良，已獲得多次成功，更得上級重視，尤以去年推出的 水波槽光干涉之改良得全國高中教師組第一名，給我們 更大鼓勵。此次兩套向心力改良實驗是一連串改良中之 一，其中一套已在本校列為正式實驗教材。擬將大量推 廣，現連同最近才改良的一套，一併展示。

去年學校舉行校外教學和小朋友到新竹青草湖十，有許多小販在賣"魔瓶"只要用手輕輕一握，瓶忠液體就千變萬化，好玩極了，玩呀!玩呀!問題就來了，「老師，這"紅水"為什麼會上升？」老師，這"綠水"是什麼？」我玩了玩，想了又想，一時也說不出個道理來，只好無奈地說：「小朋友，等老師回去研究看看，是不是能找出答案。」

實驗中主要探討水面下有一圓板向下運動時，對受力球(在圓板上方)產生的速度變化的影響；以及受力球在脫離圓板的影響時，距離圓板的大小關係為何？裝置中水面下有一受力球，受力球下有一圓板。當圓板向下移動時，在圓板上方會形成低壓區。受力球下方的低壓區（因為圓板向下運動所形成）造成受力球上方的壓力大於受力球下方的壓力，使得受力球向下運動。圓板移動速度的快慢，會影響圓板上方壓力的大小。在受力球上下壓力差的不同下，向下運動的速度也不同。此外，圓板上方的壓力變化會改變對受力球的影響範圍。反觀在各組圓板在以不同速度下沉時，當受力球無持續向下加速時，受力球與圓板的距離也會不同。

日常生活中常利用繩子來綑綁一些物件，也透過繩結來交織出安全防護網，這些繩子的廣泛應用可能都和繩子造成的摩擦力息息相關，而繩子摩擦力的產生是透過纏繞的模式，這和一般認知的摩擦力原理可能有所差異。本研究透過繩子與圓柱系統的纏繞，探討影響繩子摩擦力的因素，並發現纏繞圓柱的力道、纏繞圓柱的圈數多寡、及繩子的種類性質都對繩子產生的摩擦力大小有重要性地影響。

我們提出一個實驗方法，將測量浮力的原理應用到磁力大小的測量，這個方法可以測量磁鐵在不同距離下的磁力大小，彌補課本上利用迴紋針吸附只能測量到磁鐵表面磁力的不足。依照提出的方法，我們研究了磁鐵距離與磁力的關係，以及不同大小與材質的圓柱型磁鐵對磁力的影響。研究結果發現磁鐵直徑越大，磁力越大，而當磁鐵表面與鐵粉(被磁鐵吸引的目標物)距離固定時，磁鐵厚度增加，磁力作用也會增加，但是有一極限值。若把鐵粉量增加，則測量到的磁力也會增加。我們也發現釹鐵硼磁鐵的磁力與距離的2.5次方成反比的關係，而氧化鐵磁鐵則是成2.4次方反比關係。最後比較兩種不同材質的磁鐵，我們發現釹鐵硼磁鐵的磁力大約是氧化鐵的5倍。

本實驗研究結果發現：(1)以不同形狀容器來實驗，以圓柱體容器阻尼效果最好。當容器固定為圓柱體且改變容器內液體高度來實驗則發現，有控制重量時以液面高度6.5公分阻尼效果最好，當無控制重量時以液面高度為8公分阻尼效果最好；若以不同直徑且液面高度相同圓柱體來實驗，則直徑15公分阻尼效果最好。(2)以不同大小孔洞及不同層次來實驗，即在圓柱體容器內加裝不同層次的孔洞隔間，則以孔洞0.2公分×0.2公分的三層隔間阻尼效果最好。(3)若在建物上方懸吊不同長度，相同重量的懸吊質塊來實驗，擺長的週期越接近震盪器的週期阻尼效果最好；但若擺長固定，改變懸吊質塊的重量，則以質塊越重的阻尼效果最好。

在物理課中，我們學習到簡諧運動是一種變加速運動，而變加速度運動甚難求出其任意位置之物理量。因此，老師提到「取一週期振幅與簡諧運動相同之參考圓之投影即代表此簡諧運動」。對此我們除了從課本理論中吸取觀念外，並希望得一實驗之驗證，以達科學求真求實的精神。於是我們設計下面的儀器和實驗。