全國中小學科展

物理科

圓周運動的實驗設計與探討

上學騎腳踏車為什慶轉彎時車身要向內側傾斜?運動選手在跑道轉彎處,身體也要向內側傾斜?公路在轉彎的地方路面也要向內側傾斜?脫水機怎慶能夠脫水?地球會一直繞太陽公轉而不脫離軌道?人造衛星怎麼能夠歷久不墜?這一連串的問題興起我們對向心力研究的興趣。

再探液滴的顯微投影世界

去年我們以學校以報廢的投影機內組件及顯微鏡自組出顯微投影機、自設螢幕及聚光散熱箱等,今年再與電腦融入教學設備接軌,將一滴顯微電解實驗透過電子螢幕與顯微鏡結合,可進行立即操作、力及觀看、同時錄影成影片的多重功能。而且經由以下重點實驗,成功的証明了『顯為一滴液滴的電解實驗是可行的!』1 微觀一滴汽水、硫酸銅溶液因在不同載物面上的表面張力不同而比較起泡、結晶分佈的差異性均頗大。2 加適當濃度的界面活性劑可是硫酸銅的結晶分布更為展開且愈趨透明。 3 外加不同距離、不同磁極下的磁場可影響硫酸銅的結晶排列 ,且不同接觸面材質排列亦有所不同。4.可做微觀電解一滴硫酸銅溶液的實驗探討,比較出外加與電極呈不同角度的磁場、提高溫度等均可減少電解硫酸銅溶液的反應時間、加快反應速率等不同程度的影響。5.也可做微觀電解一滴碘化鉀溶液的實驗探討,從電解產生的顏色變化更可看出令人驚嘆的畫面!

輪子的轉動行進探討

為了深入的探討輪子轉動,我們將光碟插入水管設計成「光碟輪」;並設計可調整傾斜角度的「發射架」,可改變力矩的「動能裝置」,組合成「光碟輪動能系統」,分析「光碟輪」轉動的現象。我們發現棉線向前纏,光碟輪會先向後轉動,再向前進動轉彎;驗證了繩子位移大小、施力大小會影響輪子動能,輪子動能越大,轉速會較快、越慢停止、路徑較直、繞的圈圈較大較多;輪子傾斜角越大、斜坡傾斜角度越大、施力偏移角度越大,光碟輪的轉彎角度越大;輪子越輕、軸越短或間隔越近,轉速越快;大光碟輪比小光碟輪直線速度快很多,應是轉速、半徑共同影響造成的。最後,我們利用研究結果,設計了光碟輪的爬坡、轉彎、保齡球、距離賽等遊戲。

怎樣才能做得最好

有一天中午,大家在教室裡吃便當,頑皮的同學拿起牛奶瓶、墨水并吹出許多怪聲音,劉揚蕙盼”噪音,噪音,真難聽!看我表演一段美妙的昔給你們欣賞”,說完,從書包裡拿出一支直笛,自顧自的吹起來。我突然發覺有幾個聲音和直笛的聲音很接近,這個發現,使我覺得很興奮,找了幾個同學一起注意來聽,大家都有相同的感覺,於是引起我們研究的興趣,也許,我們可以做成一件簡單的樂器來玩。

小兵立大功?流體奧妙知多少

有一天和爸爸、媽媽一起到忠孝東路的 SOGO 買東西,經過快完工的捷運站旁看到了一些施工中的重型機械,只看到它們毫不費力的就把重物舉起或推動,我好奇的問爸爸,為什麼它們可以產生這麼大的力量呢?身旁的一位叔叔說:「因為挖土機的手臂是由油壓泵起動產生的力量,就好像我們的手臂肌肉拉緊,手臂就可以活動。」心想,為什麼油壓泵能產生這麼大的力量?此時,我想起前些日子搭乘淡水捷運,在月台上,當列車進站時,我發現背包的帶子先向後飄,當車廂迎面而過的那一瞬間,卻好像是被車體吸過去?這又是什麼力量(現象)呢?為解開這些疑問,於是我邀請平常一起玩模型祖合玩具的同學一起展開這次的探索。

百變魔球—球體變化原因的探討

我們請教老師蒐集相關文獻資料,知道棒球在空氣中運動要產生各種變化,和「白努力定理」有關。我們設計了一座球體發射器,以兵乓球來研究所要操作的變項,如:投射力量、投射角度、轉速、表面的粗糙等,對球運動產生變化的影響。結果發現,當投射力量固定,仰角為45度時,球的飛行距離可以最遠。當投球角度固定,投射力量越大,球體的飛行距離越遠。但我們發現球體受空氣阻力的影響很大,為了克服空氣阻力對球體運動的影響,我們另設計了風洞裝置進行測試,研究球體轉速、風速、與球體表面貼條對球在空氣中運動所造成球兩側壓力的變化。結果發現,當球不轉動時,風洞中風速越強,在球兩側壓力低於風洞外的壓力越明顯。當風速固定時,球的轉速越快,在球體兩側所造成的壓力差變化量越明顯,且球體轉動之切線方向與風吹方向相同之一側,其壓力較低。當風速、轉速固定時,表面的貼條越多,表面越不均勻時,在球體兩側所造成的壓力差變化量越明顯,且球體轉動之切線方向與風吹方向相同之一側,其壓力也較低。

沸水中的泳者

冬至那天,我在廚房幫媽媽煮湯圓,媽媽告訴我,煮湯圓要水沸了,湯圓才能放進水裏,等到湯圓浮起來時,就熟了。當時我覺得很納悶,為什麼要水沸了才能放進去,而當湯圓浮起來時,就表示熟了呢?於是我問媽媽,媽媽說:「這是前人的經驗。」我又去問同學,同學也都都不知道,於是我和幾位同學決定追根究底,去請教老師,並在老師的指導下,做了一系列的的實驗。

吞雲吐霧-煙圈行為之探討

本實驗為研究作用力與出口大小對煙圈行為的影響,作用力以單擺控制,出口大小則以光圈控制,並攝影煙圈的行為加以觀察。對煙圈行為的影響分為三方面探討:煙圈外型、煙圈前進速度及煙圈所能前進的最長距離。而由實驗結果得知此二者確實與煙圈行為關係密切。出口大小越大,開始產生煙圈所需的作用力越大。在一定出口大小範圍內,煙圈大小隨作用力增大而增大。在相同條件下,作用力越大,煙圈前進速度越快,前進最長距離越長;在相同條件下,出口大小越大,煙圈前進速度越慢,前進最長距離越短。

國王的海巿蜃樓

當豔陽高照時,走在柏油路面上,觀察遠方柏油路面上的人、車的景物,經常會因為空氣的折射,而晃動地十分厲害,就好像我們觀察火爐上方的影像一般。甚者,遠方的柏油路面偶爾會出現類似積水的現象,積水中甚至會出現人、車的倒影,但此時的柏油路面不僅沒有積水,更是熱得發燙。由於我們總是在炎熱的天氣中,看見柏油路面上的假積水現象及倒影,因此多數的人均認為,柏油路面上的假積水現象及倒影僅會出現於溫度高的白天。而主要的成因,是因為空氣層之間的溫差不同,使得遠處射向柏油路面的光,不斷地折射,在接近地面時發生全反射,而產生倒影。許多書本皆認為此現象和沙漠中幻影的成因相同,皆可稱為「海市蜃樓」。南一版的基礎物理課本寫道:「遠處物體所發出的光線,經過空氣層間的折射和底層的反射後,不是沿直線進入我們的眼睛,而是如圖中所示的曲線,使我們以為是從路面下的倒影所發出。」但我們觀察發現,地面與上層空氣的溫差,並非柏油路面上假積水現象及倒影出現的必要條件;反而和入射光的角度、路面的平坦程度及路面的性質有關。因此我們認為假積水現象及倒影主要的成因是「柏油路面的單向反射」而非「空氣的折射與全反射」。我們提出了粗糙面在入射光的入射角接近90度時,可發生單向反射的模型。在雲嘉區科展中,我們提出了兩個現象來說明假積水現象及倒影主要的成因是「柏油路面的單向反射」而非「空氣的折射與全反射」。一、在強風中(飛砂石亂走),假積水區及倒影仍存在。二、夜晚地面已和氣溫相同時,強光源亦可出現倒影等等。但評審老師認為,我們所持的僅是間接證據,況且,我們可能發現了柏油路面上產生倒影的另一個機制,但並不能駁斥在豔陽高照時,會因為折射和全反射造成倒影的可能性。我們在區賽後再接再厲,終以改變地面性質使積水現象消失,駁斥「因為折射和全反射造成柏油路面假積水現象和倒影」的傳統論述。揭穿了這個「國王的海市蜃樓」。

利用陽光產生熱水

上自然課時,老師告訴我們:夏天要穿白衣服才會涼快,冬天要穿深色衣服會更溫暖,這是什麼道理呢!香溪我們在陽光底下游戲的時候,被陽光曬得又熱又痛,而我們晚上洗澡所用的水,怎麼不用陽光來加熱呢?於是我們好奇的請教老師,要怎麼利用陽光來產生熱水的問題,老師給我們做了詳細的解說,於是我們就興趣勃勃的開始實驗工作了。