物理與天文學

Exclusion zone water現象係指在水溶液中膠體粒子等大型溶質無法靠近多種親水性表面，形成數十到數百微米厚的「空乏區」，簡稱為EZ。目前提出的理論認為此處形成了特殊結構水，然而我們的實驗使用磁珠卻可穿入EZ區，發現不符原理論預測。因此我們提出EZ是由擴散滲流 (diffusiosmosis) 與擴散泳 (diffusiophoresis) 綜合造成的想法來解釋。我們設計了一些實驗，觀測溶液中EZ大小變化、膠體粒子流場與離子濃度梯度等，皆符合預期並成功證實我們的想法。應用此研究結果，可發展新的溶質過濾萃取方式，或利用離子交換產生的流場作為新的發電方式。

透過研讀論文Strateva et al. (2001；簡稱S01)，開啟了我們對於星系的星等、星色考量紅移情況下之關係的興趣，並展開以下研究。S01利用Sloan Digital Sky Survey (SDSS)所提供的測光數據，首次依據顏色u*-r*，將星系解析為偏紅以及偏藍兩個族群。本研究藉由SDSS最新提供的光譜資料進一步取得精確紅移數據，經由 K-correction復原靜止坐標系中各星系的星色，並可透過距離模數消除距離對於星系亮度的影響。因此，本研究得以分辨出兩類星系族群的紅移演化。我們發現紅移效應和星系本質的特性對於 r*<17.77且z<0.3的星系有顯著的影響。在研究目標範圍內，兩類星系族群皆沒有發現紅移演化對於顏色的影響。本研究也與 S01作比較，討論了分析中可能的誤差來源。

本次實驗探討網面結構不同所造成的振盪模態差異、振動頻率對網面結構振盪的模態差異。 本研究發現，蜘蛛網面的中央絲結構會直接影響到整個網面結構的振盪方式，以及能量散布的情形，希望藉由模態分析進行二維網面的討論。 當初想了解蜘蛛網結構對於分散衝擊力道的影響，為了簡化實驗變因而使用釣魚線進行模擬，所以設計出二維網面結構來模擬蜘蛛網面，並且改良過去的測量方式及振盪方法，加以探討二維網面結構，希望可以利用在生活中的相似抗震結構上。 實驗將觀察整片圓網結構在振盪下的模態能量散步以及傳遞方向趨勢，繪製出等振盪強度圖協助了解振動的分布，實驗結果指出蜘蛛網面的中央絲結構可以減緩振盪，這也是本次研究之後需要更進一步探討中央絲結構以及對能量傳遞的影響。

Even as a child, I was fascinated by the colors in nature, such as rainbows, butterflies and flowers. This fascination developed into curiosity with age, and as my school studies developed, I became particularly interested in the scientific aspects of the origin and development of colors. I wanted to answer the question: How are the different colors of the butterfly wings related to the nanostructures of scales and pigments? The color on the butterfly wings results either from the pigmentation (chemical color) or from the structure (physical color) of the wing scales. Colors such as yellow, black, red and brown are mainly created by pigments. The interaction of light and structures in and on the surface of butterfly wings, often the size of the wavelength of the light, results in physical colors. These colors are usually bright and dependent on the viewing angle (unlike chemical pigments that spread light diffusely). The colors produced here are usually golden, green, purple and blue. But, where do these colors come from and why do certain species dazzle more than others? To get to the heart of the matter, I identified two key questions: • How are the different colors of the butterfly wings related to the nanostructures of scales and to the pigments? • Using the nanostructure, can you find out the wavelength of the reflected light? In this work, I focus on the structural colors of butterflies and study the physics behind them. This includes parachuting in areas such as diffraction gratings, scattering of light, interference in thin films, and multilayer interference. In order to experience the greatest possible diversity, I selected butterflies from different species for the measurements. Using the spectrometer, I measured the light reflected from butterflies. High-resolution microscopes such as the laser microscope and the scanning electron microscope gave me the opportunity to study the detailed nanostructures of the wing. In addition, I was able to analyze and evaluate my results using existing physical models and MATLAB simulations (Maxwell equations).

觀察肥皂泡置於平行電板中時產生變形，本研究探討此現象並提出相關解釋。經由實驗發現肥皂泡在電場下的形狀是橢球的一部份；肥皂泡在施加電場前後的高度比與寬度比是兩電極板間電壓的二次曲線，且離心率與電壓成正比關係。透過觀察肥皂膜的光學性質、分析皂膜受力以推測其電學特性，確定系統之電荷與電位分布，進而提出理論模型計算系統能量，解釋平行電板間肥皂泡之變形現象。

我們製作獨特的垂直風洞，透過牙條及滾珠軸承使羽球能在其中自由轉動以利同步取得運動時的阻力、轉速及側向力，並透過空氣壓縮噴射方式探討軌跡差異。實驗數據顯示，羽毛只要經過修剪，阻力多會下降，雖然能飛的更高遠，但也降低了羽球獨有的飛行特性。若修剪外側羽毛，可大幅提升高速下的轉速，但低速時則因受力面積減少導致轉速下降且發現透過側羽的小修剪可同時提升飛行能力以及飛行特性，提升練習級羽球的價值；但羽尾若破壞程度太大，如：剪成平頭狀，飛行距離雖明顯提升，但轉動能力下降，甚至低速時無法轉動。最後，斷翅的實驗出現了一個有趣的結果：透過斷去第二根羽毛達到對稱的缺口，可挽救失控的側向力，提升破損羽球的練習價值。

本實驗為將高電壓的靜電通入流動的水中，發現下端水柱產生雷利不穩定性，以及在特定條件下發生甩動。水柱被截斷成水滴後，因電場作用而散開，造成視覺上一錐形的區域。 本實驗探討(1)水柱長的變化 (2)水滴個數的體積個數密度 (3)直徑分布隨著錐形區域位置的變化 (4)水滴帶電量與體積關係。 尺度及各變因為：水流量0.4~2.0cm3/s，電壓0~30kV，電流0μA~12μA，不同導電度和表面張力的液體。實驗結果： (1)水柱長隨電流成指數衰減，並提出h=Ae-bI+kQ之經驗公式 (2)水滴分布範圍隨電流與流量增大分別增大與減小 (3)錐形區域越外圍水滴越小 (4)使用的蒸餾水水滴帶電量與體積之2/3次方成正比

因參加TYPT台灣青年物理辯論競賽，初步認識了此現象──當一個橫向放置的圓柱造波鼓在水面上垂直震盪時，引起的表面水流逆流。當造波鼓振動的最大加速度達到了臨界值，表面的粒子行進方向就會與波的傳播方向相反。我們查詢了有關此現象的文獻，驚訝的發現，此現象目前還沒有理論可解釋。於是我們便以自製的實驗設備，開始探討在不同的振動情形下，表面流會如何變化。 以目前所獲得的數據，我們推斷反向的流動與造波鼓排開水的體積及造波鼓前排列的波包有關，而回流只是補償流的性質，且水表循環之貢獻遠較水面的流動下顯著。根據為不同厚度的造波鼓有不同的回流臨界加速度，且縱向的水流循環強度遠較水表循環弱，前者速率大小約與後者相差一數量級。 我們也利用閃頻儀分析了不同條件下水波的波形，並利用Poincaré map將其分為兩類，分別對應到表面的出去流與回來流。

本實驗藉觀察圓皂膜的共振駐波，探討皂膜厚度對共振模態之影響。發現在條件相同下，因駐波共振頻率與表面張力、厚度及體密度間的複雜關係，使皂膜厚度有時會影響振動模態。 實驗中以同心圓駐波加上轉動，分析皂膜在駐波共振下的厚度分布及隨時變化。駐波加轉動下皂膜之厚度有三種分布情形：厚度相等、厚度沿徑向突增及沿徑向漸增再漸減；隨時間演進，皂膜上同心干涉環會於駐波節線產生暗紋，此暗紋再往兩側拓寬。 當轉動皂膜產生黑膜後，將轉動停止再施以同心圓駐波，可於貝索函數J0之腹線附近出現較厚之干涉亮紋。圓黑皂膜共振之亮點分布與圓板共振動克拉里尼圖案類似，只是皂膜上的亮點往腹線堆積，而圓板上的顆粒則往節線聚集。

本研究主要目的在於利用現有的天文資料庫搜集星團成員星，並探討疏散星團中短週期變星的類型與空間分佈，以及星團在銀河系中的運動狀態，希望能對疏散星團的演化有更進一步的瞭解。英仙座雙星團在天空中的投影很靠近，以往文獻認為此雙星團可能相互影響，因此我以此天體當研究目標。除了線上天文資料庫檢索結果可以用來分析星團成員及基本物理參數，我還利用青藏天文台來取得觀測資料以填補研究中變星數據的不足。利用2MASS測光數據及蓋亞巡天自行數據，此雙星團我挑選出共約80個成員星，另外我分析了51顆變星，其中有17顆星是經由本次觀測得到的新週期。根據該天體的自行與徑向速度，其運動狀態是以一快一慢的速度朝向銀心運動，並皆以銀心為中心相同方向旋轉，且在垂直銀盤方向同時向下遠離銀盤。