物理與天文學

Revealing fascinating and educating concepts in a field of astronomy usually requires expensive equipment. Therefore, most schools have very little practical equipment to teach astronomy. I wanted to investigate the Sun’s track using a simple apparatus that can be afforded by many schools instead of using an expensive one.

觀察一置於平面上互相連接之兩鐵球，在給定一初始角速度後會有一球體離開平面產生仰角的現象。本研究探討此現象並提出相關解釋。經由實驗發現系統傾斜角度與系統角速度有顯著的影響，且此傾斜角度亦表現出震盪之特性。透過觀察系統運動模式，更發現現象與圓球系統相關參數有密切關聯，藉由攝影並分析系統各項物理數據，進而推導出牛頓力學與拉格朗日力學理論模型並驗證所設的想法，解釋系統穩定抬起與震盪的現象。

複雜蜃景(Fata Morgana)專指擁有多重影像的特殊上蜃景，形成於高緯度海面上，也是「飛行荷蘭人」的主要成因。本研究主要藉由探討介質折射率梯度變化與觀察者高度位置等變因，釐清複雜蜃景形成與觀察的最佳條件。藉由控制高濃度糖水溶液擴散形成的密度梯度，我們在六十公分的水缸中重建出形成複雜蜃景的環境，主要是因為糖水溶液中的折射率梯度遠大於海面上空氣的逆溫梯度所造成之折射率變化。為了進一步解析光在複雜折射率介質中之行進模式，我們以綠雷射光入射糖溶液，在側向以相機紀錄光的行進軌跡，分析探討其折射現象。我們同時利用相機觀察放置於水缸另一側的模型船，藉以觀察實際蜃景的形成與演化。本研究中我們另發展一套光軌跡的模擬程式，以協助實驗的進行與驗證實驗的成果。藉由實驗與理論模擬相互映證，充分探討複雜蜃景的成像與形成的最佳條件。

我們製作了一個金屬探測器。有別於一般固定頻率的操作方式，我們改變輸入探測器的電壓頻率，量測探測器的共振頻率。當我們改變金屬與探測器的距離，發現共振頻率會隨之改變。於是我們更進一步，藉由觀察輸入電壓與感應電壓之正反對稱性，精確測得共振頻率，並且探討各種導電物質的變因與共振頻率及感應電壓的關係。

人們在日常生活中總會察覺，當以嘴巴對著皮膚快速吹氣時，皮膚表面會覺涼涼的；但若是張口緩緩哈氣，則皮膚表面卻會感覺溫熱。為了量化這個現象的成因，作者先以口腔實際吹氣來進行初步的測量與研究，接著以自製器材模擬口腔吹氣的情況來操作實驗。我們探討了吹氣時不同的出口風速、不同的口腔氣溫及環境溫度的條件之下，目標物表面的溫度變化。這個現象會涉及氣體的膨脹降溫，以及氣流抵達目標物之前與環境中空氣的混合效應；最後還測量了吹氣時目標物上含水量減少的蒸發降溫幅度。本實驗提供了大量的實驗數據，明確且定量的證明了上述吹氣致冷的主要成因就是「氣流引入」效應，當口腔與手心相距10公分快速吹氣時，抵達手心的氣體中約有95%是環境中原本的空氣，所以皮膚才會感覺冰涼，而「絕熱膨脹」及「蒸發降溫」的影響則都比預期中小了很多。

觀察到圓球及圓盤在水柱上懸浮(Hydrodynamic Levitation)之特殊情形，本研究探討此現象並提出相關解釋。經由實驗發現圓球放置高度並不會影響其最終平衡高度，而水柱高度與圓球平衡高度則呈線性關係；水柱流量愈低，不同於我們實驗前所想像的，其最終能平衡的水柱傾斜角度反而越大；隨水柱傾斜角度愈大，平衡高度即隨之增高；圓盤轉速與水柱切線速度大致相同，透過此結果，我們推論出造成此現象的主要原因，是因附著於圓球上的水對其產生的附著力，而與一般人猜測的康達效應(Coanda Effect)較無關連，我們從而深入分析此現象的細節，並得出一些意想不到的結果。本研究中，最為特別的是，實驗中遇到的奇特進動現象，看似複雜、無規律的運動，我們透過高速攝影機，深入觀察此一系列特殊的進動，竟發現其中規律的運動規則，所以我們進而推論其力學特性，藉以解釋此現象形成原因。

本研究發現並探討冰在旋轉流中快速融化時自轉加速的現象，甚至比驅動旋轉流的速度快。根據文獻[1][2]，近轉軸流場速度增快的現象可以基本流體力學方程式計算、解釋並討論，但對邊界條件處理、影響的參數無深入探究，其中熱對流模型控制應影響實驗結果。 本文透過自製實驗裝置，就驅動角速度、對流模型、對流速度等變因實驗探討這類旋轉流中因垂直對流引發「近轉軸處加速旋轉」對流流場性質，並用黏滯力、邊界及初始條件及PIV法攝影結果進行數據討論及驗證。實驗顯示自製三式熱對流模型、初始條件及液體性質是重要影響因素，明顯影響模型轉速-時間曲線趨勢；研究也成功利用PIV法攝影結果及數值模擬繪製出明顯近軸液體加速轉動時的流動結構並分析流場變化原理。本文期望對相關流體力學及工程方面問題有所助益，例如應用於渦流消除。

螢光奈米鑽石(Fluorescent Nanodiamond, FND)主要應用於生物定位，其結構中與一個氮原子相鄰的晶格缺陷部分(Nitrogen-Vacancy, NV^-)照射波長532nm的雷射會發出637nm的螢光，對FND施加磁場會使螢光強度減弱。由於在低濃度溶液中螢光訊號會被溶液的背景雜訊掩蓋而難以偵測，因此設計實驗對FND施加穩定變換的磁場，此動作能夠使螢光強度也進行相同週期的變化。針對此週期進行快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transformation, FFT)得出的數值會與螢光強度呈正比，進而推知FND濃度，有效排除不隨磁場變動的背景雜訊。研究結果顯示，施加磁場並使用FFT能夠成功排除牛血清蛋白(Bovine Serum Albumin, BSA)、碘化丙啶(Propidium Iodide, PI)、水、血液的背景輻射，且FND在高離子濃度溶液中會沉澱，在表層包覆BSA則可以有效地改善此現象。FND不易受到血液的背景輻射干擾螢光測定。

The growth of the internet is propelling an ever-increasing need for faster communication. Modern telecommunication data is mainly carried through fibre-optic cables, with pulses of light representing bits of data; the main factor limiting data transfer speed is the rate at which the optical receiver at the opposite end of the cable can detect light pulses. Graphene-silicon Schottky photodiodes are a promising alternative to traditionally-used germanium photodiodes, promising higher detection frequency and better contrast between light and dark. To make it less susceptible to erroneous measurements due to graphene having a low band gap, hydrogen functionalisation was used to increase the barrier potential of the Schottky diode so that a higher voltage would be required to allow current to pass through in forward voltage bias and trigger the sensor. This study seeks to determine the optimal conditions — of physical proximity, duration of exposure, and plasma power — for hydrogen functionalisation using radio frequency plasma. Graphene was synthesised using low pressure chemical vapour deposition, then transferred onto P-type silicon to create a photodiode. The graphene-silicon photodiode was then doped with hydrogen plasma to introduce defects in the graphene layer to increase the barrier potential of the photodiode. To assess the effectiveness of hydrogen functionalisation, photocurrent measurements were conducted while light was shone onto the photodiode in pulses of increasing frequency to find the magnitude and spontaneity of the response. Light was shone in pulses of 100ms, and was successfully detected by the photodiode. The pulse spacings were gradually decreased and it was found that the diode was able to detect pulse spacings as low as 1µs, significantly better than germanium photodetectors. The sample demonstrated clear optoelectronic response and was sensitive to changes in frequency. Results show that the intensity of the optoelectronic response in graphene-silicon diodes is inversely related to its physical proximity to the plasma source during hydrogen functionalization; and directly related to the power of the plasma and to the duration of exposure up to a point, after which it will deteriorate. Thus, it can be concluded that graphene-silicon Schottky diodes offer much promise in electronic communication.

本研究可分為三個部分：第一部分利用指尖陀螺在不同角度(0-90度，指旋轉面與水平面之夾角)下進行轉動實驗。實驗結果顯示當角度越大，指尖陀螺的轉動時間越長;當角度為90度時有最長的轉動時間。轉動過程可分為高轉速區與低轉速區。前半部為高轉速區，其轉動頻率隨時間成指數衰減關係;後半段為線性區，其轉動頻率隨時間成線性衰減關係。在第二部分，我們將樹脂注入微型聚乙烯管進行離心實驗，結果顯示指尖陀螺與水平面角度為40度轉動時，可以達到最短的樹脂長度，亦即最好的分離效果。在第三部分，我們根據前述之實驗結果提出設計離心機的新概念，那就是：結合以下兩個要件1.試管轉動時應與轉動軸垂直與 2. 試管的轉動平面與水平面成40度時，此種離心設備相較於傳統離心機應可具有較高向心力(離心力)，可達更好的分離效果。