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物理科

天「柱」我也

台灣地震災害頻傳,為了為台灣防震技術盡一份心力,透過文獻與實驗模擬大樓的剛性結構搭配輔助軟性結構的設備來分析樓層遇到地震時在物理上的變化與影響,實驗分兩部份:一、建築剛性結構變化,二、輔助結構之差異。發現:一、不管施重重量、樓層平面大小,施重所在區域之力柱承重最重,斜對面最輕;二、當柱體高度、質量固定時,不同切面柱形的承重能力也不相同,柱體分佈結構與地震震動方向的交互作用是造成建築物倒塌的重要因素。三、力柱加裝彈簧座可以馬上減低振幅,而加裝阻尼器可以透過反作用力緩衝地震的強度。四、根據實驗結果我們建議:越高樓層面積越小、中間樓層加裝阻尼器、使用加裝彈簧座的正方形力柱,是良好的防震大樓結構。

漫步在雲端乾冰塑TAIWAN

本實驗運用乾冰低溫特性,進行昇華、擴散及讓液體結冰的直接觀察研究。研究中發現乾冰置放在金屬材質上冷卻效應較佳;在木質桌面降溫的程度較低。乾冰邊角上因為二氧化碳冷氣流產生渦旋現象而讓水滴最慢結冰;又因為結冰順序的影響,造成冰滴尖端呈現向外放射狀現象。將蒸餾水、糖水、硫酸銅溶液及鹽水分別滴入四面乾冰牆中間,可以觀察到液滴快速結成斗笠狀、扁桃狀、鍋蓋狀及結晶花等不同變化。最後利用烙印原理,將不同的色素溶液滴入台灣形狀凹槽的乾冰上,有長出中央山脈的台灣、也有美麗的結晶花夜空,更進一步利用乾冰碎塊做出大海環繞的福爾摩沙。「漫步在雲端,乾冰塑台灣」科技與人文創意的連結,浪漫而炫麗地呈現在我們眼前。

讓變頻現形吧!─四極馬達實驗看變頻意義

本實驗主要探討變頻的意義,利用廢棄風扇設計轉子和線圈互感實驗中發現轉子上渦電流存在的事實。台灣交流電的頻率為60Hz,故四極馬達極速為30rps在實驗中觀察到,本實驗觀察到轉速越大則線圈和轉子上渦電流互感值越大並導致線圈電流變小,進而降低線圈電流熱效應佔輸入電能比例。在分析轉子處消耗能量實驗中發現如果轉速越接近極速則磁力在轉子切線方向分力做功比例會減少,且大部分輸入電能轉變成渦電流熱能,線圈與轉子間的平均磁力和轉子切平面的方向夾角(θ值)會決定線圈熱效應及渦電流熱效應佔輸入電能比例,實驗中發現最佳轉速(最佳θ值)下運轉馬達會達到最佳能源效益比,實驗結果顯示本次實驗採用馬達在轉速約25(rps)時能源效益比最佳。

止一剎的花火-泡沫對水花濺起高度之影響

這份研究在探討球在不同的泡沫厚度、泡沫濃度、水深、水面面積、距水高度、水面有無衛生紙的條件,對水花濺起高度的影響。我們從實驗一得知:在水深6cm、距水14cm時,泡沫厚度3.33cm幾乎不會濺起水花;若再從3.33cm往上增加,防濺效果不會增加。實驗二中泡沫濃度的比例有10%、15%、20%、25%、33%,發現濃度越濃防濺效果越好。 在實驗三中發現水越淺,水花濺起高度會越低。在實驗四中當水面面積越大濺起高度越高。實驗五中發現球距離水面越近,水花濺起的高度會越低。在實驗六中發現在有衛生紙的情況下,效果明顯優於無衛生紙,且衛生紙不能剪過。由所有實驗可歸納得知,水花濺起高度與空氣柱的長度有關,空氣柱越長,濺起的水花越高。

發電機的製作與研究

探討不同的馬達與馬達(電動機)互相轉動,對發出來的電力的影響,利用不同材料來改造被轉動的馬達(電動機)或轉動不同線圈條件的馬達(電動機),影響發電的電力和效率等相關性研究。

時閒感測裝置來探討滑車運動及物在液中運動阻力情形

觀察物體運動位置及時間測量方法確實很多,但都有其不方便之處(像光電計時器觀察點太少)或以光源發出光線,光二極體接收所感應到的訊號,似乎在「探測位置取點方面」似乎較嫌麻煩例如要取 10 個位置就必須接 10 組光源和光二極體。於是我想試用較簡單的電子裝備線路,再研究出另一種較新穎的探測時間的有效工具,並結合滑車運動來瞭解物在液中運動阻力情形。

流速與口徑之相關性及邊界之比較

曾看過沙漏中沙子有卡住的情形,這時我們通常要拍一拍沙漏才能使它繼續滑落;但水流過漏斗時卻毫無卡住的跡象,於是令我們想到流體對於流過的口徑,是否應有一定的比例,才不會有阻塞的現象?而在相對於流體顆粒的方面——材質,是否也有這樣影響流動的因素存在?\r 另外,工業上所用的水管常因堵塞而發生危險,所以工廠經常使用極大的水管,無疑地,愈大口徑愈不容易堵住,但使用大水管成本較高,因而我們想要知道能否找出既節省材料,又不會阻塞的情況。\r 在實驗當中,我們在流體的末端發現到類似彎月狀的形狀出現,我們對於「彎月形」的形狀做了如拋物線、雙曲線或凹折線等的假設;對此我們也嘗試找出:流體在各個界面條件之下,與所產生的「彎月形」幾何圖形性質(如拋物線、雙曲線的曲率大小或直線的斜率大小)之間是否有無線性關係存在。以上的假設,或許能讓我們更清楚的了解,「彎月形」的出現,與我們討論的開口大小、邊界性質是否也有互相影響的因素存在?\r

「導」力全開,毫秒必「蒸」--探討凹、凸、平介面的蒸發與導流

觀察鋁椅,發現雨後凹凸面的蒸發速率較平面快,推測與水的蒸發和導流有關。研究後發現,是因雨滴被鋁椅凹凸面切割,擴大佔據介面的面積;且凹面因接觸空氣表面積增加,其蒸發速率大於平面及凸面;當雨滴下時,凸面的水又被凹面拉下,導致整體蒸發速率的提升。 各介面的蒸發與導流皆與水滴形狀有關,蒸發過程水量不斷改變,水滴形狀隨之而異。因與介面的附著力不斷改變,故非等速蒸發。凹面寬越窄,兩壁吸附力越強,可拉開水,增加蒸發面積,但太窄則無此效果。凸面越寬,水滴被拉扁,同樣有此效果。因水的表面張力在不同介面,造成導流速度不同。凸面的兩緣會限制水珠的寬,使與介面接觸面積較小,速率較快,凹面因附著力太大,所以導流速率最慢。

圓來這麼多變-黑白幻彩

為了解黑白間隔圓旋轉時為何出現彩色圖案?我們在不同種類的光源、不同的光源閃爍頻率、不同圓盤轉速及使用高速攝影來觀察間隔圓旋轉後的影像,尋找黑白間隔圓與出現彩色圖案之間的關連性。我們發現黑白間隔圓旋轉時出現彩色現象時,光源必須閃爍、光源必為線光譜,光源含有螢光物質,並且發現燈管內的螢光物質吸收紫外光後所釋出的白光,可使黑白間隔圓旋轉時出現彩色圖案,而LED燈泡是藉由藍光激發黃色螢光物質後發出的白光,則無法出現彩色現象。實驗進一步發現,若燈管螢光物質的某一光源在發光後至熄滅之間產生發光時間延長的遲滯現象,將會是黑白間隔圓旋轉後所出現的顏色。

點滴

水滴靜止在桌面上時,不僅受到了重力、正向力、表面張力以及附著力,而其中附著力是高中課綱不曾深入探討過的,而我們也找不到和接觸面間位能有相關的理論,於是我們運用熱力學第二定律作為理論基礎,使用附著力能量型式的原創假設,並設計實驗來驗證。