中华民国第49届中小学科学展览会作品说明书41156

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1、中華民國第49屆中小學科學展覽會作品說明書高中組物理科第二名040104向左飄，向右飄學校名稱：國立花蓮高級中學作者：指導老師：高二陳柏芊莊文治高二呂宗政胡育豪高二邱仁祥高二黃瑋關鍵詞：白努利方程式、阻尼簡諧摘要：物體在靜止流體中的運動看似雜亂無章，但其中應該存在著某些規律，於是我們選擇中心有孔的鐵片(以下簡稱鐵片)為研究的主體，改變鐵片的內徑，在水中以不同初始角度釋放(以下簡稱初始角度)，觀察分析出不同情況下鐵片在水中的運動情形，發現鐵片與水平面之夾角為一反阻尼角簡諧振盪運動，且鐵片在z軸的運動、距z軸之距、整段下降時間、在水平面上的來回運動……等都存在著許多關

2、係。最後再利用自製風洞實驗驗證關於流線的推論。壹、研究動機：一日，本組一名同學，到許願池投擲硬幣入水時，發現硬幣在水中會左右擺動，且每個硬幣的運動模式似乎有所不同，經過討論後覺得很有趣，於是我們決定設計實驗並利用高中所學到的流體的概念探討鐵片在水中的運動形態。貳、研究目的：一、觀察、分析相同鐵片、不同初始角度時，在水中的運動：(一)運動模式分類。(二)z軸的運動行為。(三)x-y平面的運動模式。(四)鐵片與水平面之夾角θ在運動過程中的變化。(五)下降相同距離所需的時間。二、觀察鐵片周圍的流線分佈情形。三、觀察、分析不同內徑鐵片、不同初始角度時，在z軸的運動。参、研

3、究設備及器材：一、水箱二、中心有孔洞之鐵片三、SONY攝影機四、電磁鐵(製作器具：漆包線、鐵棒、膠帶、熱熔膠)五、鐵架六、探照燈七、鹽酸+氨水八、壓克力管九、珍珠板十、吸管1肆、研究過程和方法：一、實驗一：(一)器材製作：1.電磁鐵：取7根鐵棒，用膠帶將其捆成六角柱形並以漆包線纏繞8層，於其一端黏貼小木塊以減少磁力對鐵片下落之影響。2.方格紙：繪製以每1.5cm為一格的方格紙兩張黏貼於水箱壁作為x-z平面與y-z平面之座標。(如p.3圖(1))(二)儀器架設：1.將電磁鐵製作完成後黏於小木片上，再用鐵夾將木片固定於鐵架上，把電磁鐵裝置固定在水箱上方，並將其吸附端沒

4、入水中。2.用電線連接電磁鐵與電源供應器，控制電源供應器之電流大小以調整電磁鐵之磁力。(如p.3圖(2))3.將鐵片吸附在電磁鐵上，旋轉鐵夾改變鐵片之初始角度(與水平面之夾角)，關閉電源供應器之開關使電磁鐵磁力消失以控制鐵片之釋放。4.於距離水箱3.74公尺處架設兩台每秒120張的攝影機分別紀錄鐵片在水中於xz平面、yz平面之路徑。(如p.3圖(3))(三)實驗分析：1.觀察相同鐵片、不同初始角度的運動模式分類：(1)以通過投放點之鉛直線為z軸(投放點為原點，向下為+)，平行水面之平面為x-y平面。(2)以鐵片與水平面之夾角θ0為初始角度。(如p.3圖(4))(3

5、)影片播放軟體KMPLAYER播放已錄製完成的影片，再利用路徑分析軟體KAVIDEO記錄其軌跡並加以分類。2.分析相同鐵片、不同初始角度，鐵片在z軸的運動行為：(1)經軟體KMPLAYER播放已錄製完成的影片，對照水箱壁上的方格紙，紀錄鐵片的座標位置。(2)由EXCEL繪出所需的關係圖並加以分析探討：A.z-t圖：以每3/120s為一數據點紀錄鐵片下降過程中z軸位置與時間的關係。zB.vz-t圖：vztvzC.az-t圖：azt3.分析相同鐵片、不同初始角度，鐵片在水平面(x-y平面)的運動模式：(1)經軟體KMPLAYER播放已錄製完成的影片，對照水

6、箱壁上的方格紙，紀錄鐵片在第一次轉折點的x、y座標位置。22(2)由轉折點座標計算第一次轉折點到z軸的距離Rxy4.分析相同鐵片、不同初始角度，鐵片與水平之夾角θ在運動過程中的變化：2(1)以每3/120s為一數據點記錄鐵片整段下降過程中與時間的關係：3.2dA.θ由sin(3.87cm為鐵片外徑，d為影片中量得之距離，3.23.87為實際距離與影片中量得之距離之比例)得知。B.t(2)觀測以不同初始角度釋放之鐵片在轉折處的角度，並加以分析。5.觀測相同鐵片、不同初始角度，鐵片下降相同距離(51cm)所需的時間：將錄製完成的影片轉成AVI檔後，用

7、影片分析軟體M0VIEGEAR記錄鐵片下降51cm之總影格數，再乘上單張時間間距(1/120s)即為其下落總時間。電磁鐵裝置ｘYｚ圖(1)水箱圖(2)實驗儀器裝置水面0鐵片水箱Z圖(3)攝影機配置圖(4)θ0示意圖圖(5)實驗用鐵片質量：17.57g內徑：1.83cm外徑：3.87cm3厚度：0.25cm二、實驗二：(一)器材製作：(如圖(7))1.分流設施：用膠帶將吸管捆成一直徑約8cm的圓柱。2.模型片：將珍珠板裁剪成與鐵片尺寸相同的模型片。3.自製支架：用細的白鐵絲製成一L型支架(“∣”部分與“－”由自製可調整關節連接)。(二)儀器架設：(如圖(6))1.

8、將風扇以自