全國中小學科展

物理與天文學

Studies of spatial self-phase modulation of the laser beam passing through the olive oil

橄欖油含有葉綠素a,葉綠素b,和胡蘿蔔素等高熱吸收率的物質;高斯光束照射橄欖油時,橄欖油吸收的熱量,使橄欖油產生溫度梯度和折射率梯度,並產生熱透鏡(Thermal lens)和自調相(Self-phase modulation)現象。 以雷射光照射盛橄欖油水平置放的方型盒時,中央軸的照度最大,橄欖油的溫度最高,折射率和密度最小。由於對流作用的影響,使得光束照射到的橄欖油的上半部折射率梯度小於下半部;光束通過橄欖油後,在屏幕上出現的繞射圖樣呈現上半部的亮帶半徑小於下半部。 將橄欖油改置圓柱筒中,雷射光由上向下照射,可以消除熱對流現象。用不同功率的雷射,照射不同液柱高度,和不同熱吸收率的橄欖油;探討功率、液柱高度、和熱吸收率對:繞射亮帶最大半徑、繞射亮帶半徑隨時間的變化、和亮帶數目的影響。

Development of UV-Protection Roofing Tile from Nitrogen-doped Graphene Quantum Dots (N-GQDs) for Rubber Drying Chambers

Improved methods of processing latex into rubber sheets will improve the incomes of small rubber producers. There are two ways in which latex can be processed into rubber sheets: fumigation and solar incubation. The fumigation method is expensive and produces pollution, but solar incubation can cause dark, sticky rubber sheets due to UV radiation, which reduces their value. A low-cost and environmentally-friendly solution to this problem was investigated here. A UV-protective roofing panel made using Nitrogen-doped Graphene Quantum Dots (NGQDs) was developed and tested. N-GQDs were made using the hydrothermal process for 2 and 4 hours (T2 and T4) and the solvothermal process for 4, 6, and 8 hours (TS4, TS6, and TS8). It was found that all types of N-GQDs absorbed light in the UV range, withT4 showing the greatest absorption. T4 had the greatest Fluorescent Intensity (FL) value, emitting blue light, while for the solvothermal method TS6 had the highest FL value, emitting red light. T4 and TS6 were chosen for further testing, and were applied to a clear roofing tile. After installing the roof on the chamber, the temperature inside was higher than outside. Then we measure the UV protection efficiency of the roof which was 93.27%. The average temperature was 45℃, which is the temperature for drying rubber sheets. Due to the roof’s capability to absorb UV radiation and heat the chamber, our N-GQDs roof has a great ability to produce higher-quality rubber sheets.

陽光下的旋轉舞者——探討雙小行星的形成原因與其分佈之關聯

現研究認為雙小行星的形成原因為小行星受YORP效應(Yarkovsky–O'Keefe–Radzievskii–Paddack effect) 使自轉加速至裂解自轉週期後形成。此研究回推母小行星裂解自轉週期,推論雙小行星是否由YORP效應形成。結果呈現實際裂解自轉週期集中於1.4 – 2.4小時,較理想裂解自轉週期短。軌道半長軸0.5 – 3.5 AU,由YORP效應形成的雙小行星約佔總體73%,2.8 AU後無YORP效應產生的雙小行星。計算YORP效應產生的雙小行星佔總體比例分佈,呈現以1.8 AU為轉折點,轉折點前YORP比例接近,轉折點後比例隨與日距離增加持續下降。透過模擬YORP比例在長時間中的演化,呈現約107 年後YORP比例分佈出現轉折點,演化時間越久轉折點與日距離增加,透過轉折點可推論小行星受演化的時長,但現行模型仍無法考量雙小行星形成過程與演化造成的多重因素,此些效應會使演化時間加長。非YORP效應產生的雙小行星在科克伍德空隙前方增加,推測受木星軌道共振使碰撞機率增加產生雙小行星。

液滴懸浮於移動表面現象之探討

液體無固定形狀且往下流。我們偶然得知液滴能在移動表面上維持球型並懸浮數分鐘[1],故設計實驗探討物理機制。設計出能高速旋轉且維持穩定的滾筒,是首要克服的關鍵;而為了解液滴轉動行為,我們學會操作粒子圖像測速法。此研究控制參數包括滾筒轉速、液滴半徑及種類,除了指出過去文獻未討論的重要細節,並嘗試建立解釋此運動行為的物理模型及推導方程式,得到簡單的解析解和物理圖像。 實驗上,相較在靜止液面只懸浮0.27秒,矽油滴在穩定移動表面可懸浮數分鐘,此可用文獻[2, 3]中的「空氣墊現象」解釋。移動表面上穩定懸浮的液滴,傾斜角θ與滾筒切線速度v及液滴半徑r的-2次方呈正比,實驗數據與我們的預測皆相符。液體種類影響懸浮的最低轉速,液滴受的交互作用力也因液體種類而異。未來將分析液滴晃動程度、可保持懸浮的速度區間與液滴半徑之關係。

銀摻雜石墨烯異質結構應用於高效析氫反應

高性能電極對於析氫反應(hydrogen evolution reaction,HER)在未來能源需求中極為重要。高效析氫取決於電極特性可否催化HER,降低電解反應的過電壓。文獻記載石墨烯適合做為電極表面的HER催化劑,利用薄層微量雙金屬的製程技術,可從電極背面析出奈米銀並摻雜到電極表面石墨烯,形成銀摻雜石墨烯(Graphene/Ag-doped)異質結構,增強電極表面石墨烯鍍層的電導。本研究優化此技術,將銀奈米結構沉積在石墨烯的缺陷及晶界邊緣,透過鍍銀技術與實驗參數(化學氣相沉積法的加熱溫度、時長和通氣量),製造出嶄新的Graphene/Ag-doped異質結構材料,增強了電極電導及快速傳輸電子連接的電極表面活性點,大大提高HER的效率。量測結果證明Graphene/Ag-doped異質結構較單層石墨烯具有超過10倍的導電度,電流密度增加20倍,塔弗斜率(Tafel slope)減少50%;與文獻中使用單層石墨烯/奈米碳管異質(rGO-MWCNT)之最佳材料相比[4],本研究之Graphene/Ag-doped異質結構的Tafel slope為80 eV/dec,在析氫反應之消耗能量已大幅降低到幾乎減半。本研究成功製造出高導電、低過電壓,及高效率析氫的電極材料,為未來綠色能源開闢了途徑。

Analysis on a New Electric Field Measurement Method Using Ionic Propulsion Propeller

Given the high sensitivity of electronic instruments, electromagnetic field intensity measuring is now becoming an essential part of the industry. Current electric field intensity meters are unfit for individual use and focus mainly on electromagnetic radiation rather than the field itself. In ionic propulsion, the propulsion force is proportional to electric field intensity but the use of this property on measurement remains largely unexplored. Here, our team investigates ionic propulsion in electric fields generated by electro-static methods and then systematically varies the point of measurement inside the field, thereby altering the intensity of the field without focusing on electromagnetic radiation. By combining the Van de graaff generator with an adjustable ionic thrust propeller, we find that the propeller speed which is proportional to the electric field is directly determined by the electric field intensity. Furthermore, we applied stroboscopy to the system to measure RPM, and have achieved the direct interaction between field intensity and RPM, which could be a new meter for field intensity measurement.

這樣拍手才科學-撞擊與振幅之探討

此研究想探討影響掌聲大小的原因有哪些?進而思考掌聲的發音機制與物理原理。 我們透過壓克力板貼合矽膠片以模擬人的手掌、再以強力衣夾作為力量的來源並量化控制,依序探討拍手方式、拍手面積、擊掌力道、手掌間的空隙等因素對掌聲大小的影響,最後發現拍手的產生的聲音是源自於手掌間的空氣被快速壓縮、釋放而產生,而且有類似線狀排列音源的效果,因此聽到的掌聲大小和與手掌的相對位置有關聯、拍手面積和掌聲的聲音強度成正比、擊掌力道和掌聲大小的關聯則是源自於擊掌速度而非力量-在相同擊掌距離下,聲音強度要變為2倍(也就是增加3dB的音量),力量需增為4倍;最後手掌間空隙造成掌聲大小的差異,是源於空隙的被壓縮程度而非空洞大小。

扁平長方容器中顆粒體之轉動現象探討

顆粒體(細沙、塑膠珠與鋼珠)於扁平長方容器內近二維堆積在高速轉動時,其自由面有要成為拋物線的趨勢,但因有摩擦力的存在易導致自由面出現中央尖錐區與兩側線性堆積區之分布,因而呈現類似W之外型。近二維堆積顆粒體高速轉動下,摩擦力大者(如細沙、塑膠珠)易在近轉軸處出現中央尖錐;而摩擦力小者(如鋼珠)在近轉軸處則易出現較平坦之分布。另近二維堆積顆粒體在轉動過程達穩定後之自由面分布,會受經過的歷程所影響,不具可再現性。 相同數量(1000顆)與尺寸(3 mm)的鋼珠與塑膠珠混合後以高速(>500 rpm)轉動,其堆積分布與同轉速下的鋼珠一致,代表混合態高速轉動後穩定堆積的自由面分布是由慣性大的顆粒體所決定。 顆粒體和液體轉動時類似卻又不同的現象讓值得進一步的探討。

杯中失重液體碰撞地板產生之反衝噴流砲

水杯落下,撞擊地面後可產生高速累積噴流。分三階段:失重落下、撞擊、累積噴流。 微重力下,水坑深度d隨落下時間t漸增,達上限後不再增加d=dmax(1-e-δt)。親水性接觸面使水面形成球狀水坑。接觸角越大則水坑深度上限dmax越大,最大水坑為半球形,水坑抬升速度係數δ與表面張力及黏滯力比值有正相關。 撞擊時巨大慣性加速度G=131g使水坑崩塌並彙集,累積效應放大原速度,產生高速累積噴流Vjet2=Kv2。累積係數K與水坑深度d正相關,半球狀水坑K=18。h0不高時,水坑未成型,K值小,累積效應小;水坑成型後,K值達極大,Vjet2與h0成固定最大斜率關係。 噴流向上為拋體運動,最大高度Hmax=Kh0。 圓柱PET水瓶,直徑5.5公分,水量60ml-100ml,由25公分落下,形成近3公分水坑,撞擊產生10m/s累積噴流。水量不足30ml,因無法形成水坑且液體與杯底摩擦,無累積噴流。30ml至100ml無明顯差異,故30ml能量轉換效率最佳。

聲之形­-探討膜管與聲音的關係

藉由鋼球撞擊繃緊於塑膠杯口之彈力膜作為發聲裝置,並利用音訊分析軟體進行錄音、分析,探討發聲的成因與相關參數對聲音的影響。實驗結果顯示聲音隨時間而演化,我們利用並聯彈簧機械模型解釋單膜與腔體間的交互關係,聲音取決於振動體間交互作用的強弱,頻率與膜張力成正相關、和杯子容積成負相關。此外,我們延伸探討兩端開管皆套膜的影響,研究結果顯示此實驗上膜與純膜頻率相近,符合兩質量三彈簧的振動模型,且一邊膜頻率>純膜=上膜頻率,綜合各個實驗變因可知彈簧振動模型之有效性。