物理科

天地萬物形狀各異，色彩繽紛，或輕如雲絮，或巨如天體，各式各樣。但是其基本的構造均是由原子堆砌而成的。對於這半徑只不過是 10 -8cm 大小的原子，由於我們目不能及、手不能觸，因此只好隔著一層薄紗般地去臆測、去揣度、去求證。究竟原子的結構如何？是否有什麼奧秘之處？吾人心裏實在充滿著許許多多的問號自二十世紀以來，已有許多物理學家提出了各種關於原子模型的理論與研究，我們遂選擇目前最被接受的原子模型，設計模擬實驗，希望藉此實驗來驗證吾人所學。

在農業社會中，小朋友所擁有的童玩，皆就近取材於大自然；竹蟬即是我國民俗古玩之一，由於把玩時它會發出如夏蟬之鳴叫聲，材料又使用容易取得的竹子，因此名為「竹蟬」，也稱為「夏蟬」、「河童蟬」、「哮耳仔」、「喇雷底」。竹蟬是靠繩子與竹棒上的松香磨擦產生聲音，聲音藉著繩子傳到竹筒裏，利用筒內空間產生共鳴的效果，把聲音放大。我們探討各種影響竹蟬聲音大小的變因，希望能製成效果最佳，聲音最類似蟬鳴聲的竹蟬。此外，利用資源回收的物品做成各種聲音不同及造型不同的竹蟬，透過竹蟬的聲音的不同，做出各種不同的動物造型，更譜出一首首美妙動聽的夏日交響樂。

鳳仙花的果實，平常維持一類似橢球狀之形狀生長，但若加以些微擾動，即爆破開來。討論鳳仙花的果實是以何種機制維持此困難之平衡，提出三項假設：雙面尺模型、果實皮束之力平衡、及果實內氣壓不等於外壓。雙面尺模型證明非主要原因；果實皮束之靜力平衡為維持平衡之主因；果實之內外並無壓力差。

架好單擺的設施後，我們調整信號產生器的頻率和電壓，觀察二分頻的現象，並使用位移紀錄器觀測其單擺振幅的上升過程，為此研究立下基礎。此現象的發生與推導完成後，我們開始進行進一步的分析，調整信號產生器的電壓，改變其振源振幅，觀察下方單擺振幅之變化，加以記錄和繪圖。接著，我們細微地規律更改下方單擺擺長，觀察振源與單擺頻差對飽和振幅的影響，加以作圖分析以觀察此現象的頻寬與趨勢。

這個主題是探討蓮蓬頭水柱衝力與蓮蓬頭的孔數、面積以及孔洞排列方式之關係。 我們推測當蓮蓬頭孔數愈少(孔洞面積愈小)，則流速愈大，產生的衝力愈大；反之，當孔數愈多，產生的衝力愈小。我們希望水柱產生的衝力夠大，也希望水柱打在物體上的總面積愈大，但很明顯，這兩個量值是互相抗衡的。 我們以實驗的方法了解孔洞面積、排列方式如何對水柱衝力造成影響。更進一步分析在不同變因下水柱衝力與水柱面積之乘積，因為這是人體感受淋浴的重要因素。 實驗中，我們自製蓮蓬頭，量測水柱對電子磅秤產生的衝力，再將衝力與孔洞的總面積相乘。固定圈數，改變孔數(亦代表水柱的面積改變)，然後畫出衝力與孔洞面積關係圖；固定孔數，改變圈數(亦代表孔洞的排列方式不同)，畫出衝力與圈數關係圖﹔單圈下，固定孔數，改變單圈半徑，畫出衝力與圈數關係圖。

學期末時，老師帶我們到圖書館閱讀書籍，看到雜誌上教我們做甩起來會呼呼叫的玩具，我們就依指示的方法，一人做了一個來試驗，全班同學看了也紛紛動手做了起來。奇怪的是每個人甩動起來發出的聲音大小高低都不相同，仔細一看，每個開口的位置、大小、傾斜角度都不太一樣，於是激起了我們想一探究竟的衝動。

討論運動力學時，為了減少摩擦力，通常以氣墊滑車來從事實驗，並用光電計時器來測量滑車運動的時問。不過光電計時器通常只有二個取點，對於需要多取點的實驗，例如討論到等加速度或變加速度時，在必須測量出滑車每時段的運動速度下，一般的光電計時器將很難使用。為了改進光電計時器的缺點，我們設計了一個儀器能以電腦來對運動的滑車做多取點的測量，並用此儀器來從事物體在水中運動時所受阻力的研究。

在高中教科書中，均介紹毛細管鉛直插入水中後水柱上升的高度公式為h=2γcosα/pgr。經實驗觀察，我們發現毛細管傾斜前後管內水柱高度會有改變，為了解水柱高度改變的原因，於是展開了研究。研究結果： 1.經與毛細管傾斜時的管內水柱總長作比較，發現水柱的增高與管壁潤濕程度有關。 2.傾斜時，因管壁正向力的支撐，可使管內水柱長增加，但水柱液面處表面張力的總拉抬力量沒有改變。 3.各出版社的教科書中，均指液體的表面張力為定值，因此我們原以為毛細管傾斜前後，因管壁潤濕使接觸角減小，而使毛細管傾斜回正後的水柱高度增加。但由我們的實驗結果分析，發現接觸角幾乎不變，因此改為考慮是表面張力或水的密度值的改變。 4.另外，我們有個意外收穫：在許多書籍、文獻或我們參考的歷屆科展研究報告中，大家均指將毛細管壁充分潤濕可使接觸角為0°，但由我們的實驗結果可發現，這是不可能的。

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」。

開學的時候，上自然課第一單元──水的循環：「冰怎麼溶化了」。我們把一樣大的冰塊同時放在冰水、空氣、手上和熱水中，看看哪一個溶化得快？我們做完了實驗，可是大家的答案不一樣，覺得很奇怪，就請問陳老師，他指導我們再做做看，也指導我們冰塊溶化的一些問提。