中國民國第54屆中小學科學展覽會

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1 中 華 民 國 第 54 屆 中 小 學 科 學 展 覽 會 作 品 說 明 書 國 小 組 物 理 科 第 一 名 封 面 剛 柔 並 進 硬 軟 兼 施 ~ 探 討 流 體 的 固 化 與 固 體 的 液 化 現 象 學 校 名 稱 : 臺 北 市 私 立 復 興 實 驗 高 級 中 學 ( 附 設 國 小 ) 作 者 : 指 導 老 師 : 小 六 蔡 昀 芸 張 慎 小 六 吳 臻 育 鄭 及 蘭 小 六 林 承 頤 小 六 陳 宗 駿 小 六 徐 謙 德 關 鍵 詞 : 固 化 液 化 粉 漿

2 得 獎 感 言 剛 柔 並 進 軟 硬 兼 施 -- 科 學 奧 密 妙 不 可 言 這 次 科 展 比 賽, 隊 友 中 有 參 加 過 多 次 比 賽 的 老 手, 也 有 第 一 次 接 觸 科 展 的 菜 鳥, 但 在 張 慎 老 師 和 鄭 及 蘭 老 師 軟 硬 兼 施, 剛 柔 並 進 的 指 導 下, 我 們 團 隊 花 了 一 年 的 時 間 培 養 了 很 好 的 默 契 正 式 比 賽 的 前 一 天 颱 風 來 搗 蛋, 打 亂 了 預 訂 的 行 程, 但 也 給 了 我 們 更 多 的 時 間 複 習 那 一 天, 我 們 全 待 在 老 師 的 房 間 一 次 又 一 次 反 覆 的 演 練, 外 面 風 大 雨 大 我 們 全 然 不 覺, 大 家 全 力 以 赴 展 現 強 大 的 耐 力, 雖 然 錯 過 了 參 觀 蘭 陽 平 原 美 麗 的 景 致, 但 是 大 家 一 點 也 不 抱 怨 那 一 天 的 急 訓 讓 因 為 放 暑 假 好 久 未 碰 面 的 夥 伴 重 新 找 回 默 契, 除 了 感 謝 老 師 的 陪 伴 與 指 導 外, 也 第 一 次 由 衷 感 謝 來 搗 亂 的 颱 風 在 這 次 的 科 展 中, 我 們 的 實 驗 題 目 是 探 討 非 牛 頓 流 體, 參 考 了 各 方 資 料, 調 配 了 各 種 粉 漿, 再 加 上 簡 單 的 自 製 儀 器, 希 望 能 製 造 出 完 美 的 非 牛 頓 流 體 現 象 但 天 不 從 人 願, 實 驗 過 程 始 終 無 法 順 利 我 們 常 因 實 驗 數 據 差 距 太 大, 可 信 度 不 足 而 重 做, 搞 得 筋 疲 力 盡 而 且 時 間 很 緊 湊, 只 有 禮 拜 六 日 大 家 才 有 空 做 實 驗 實 驗 完 成 後 還 要 練 習 口 頭 報 告, 熟 悉 專 有 名 詞, 了 解 其 中 的 原 理, 每 次 都 很 晚 才 能 回 家, 比 上 課 還 累 雖 然 有 些 氣 餒, 但 我 們 仍 不 斷 嘗 試, 終 於 有 了 成 果 在 研 究 的 過 程 中, 我 們 除 了 學 到 許 多 的 知 識 專 有 名 詞 和 物 理 方 面 的 觀 念 外, 更 重 要 的 是 了 解 到 做 事 情 的 技 巧 方 法, 還 有 碰 到 困 難 時 該 如 何 解 決 剛 開 始 做 科 展 時, 我 們 五 個 人 配 合 得 並 不 好, 常 常 為 了 一 些 雞 毛 蒜 皮 的 小 事 紛 爭 不 斷 可 是 經 過 一 次 一 次 反 覆 不 斷 的 練 習, 我 們 也 越 來 越 有 默 契 越 來 越 成 熟, 能 學 習 如 何 包 容 夥 伴 的 一 點 小 錯 誤, 而 不 是 一 昧 的 責 怪 在 學 習 科 學 的 路 上, 我 們 都 會 碰 到 各 式 各 樣 的 困 難 挫 折 及 瓶 頸, 但 就 算 是 一 時 無 法 突 破 或 者 實 驗 失 敗, 也 不 能 氣 餒, 而 且 要 能 從 中 學 到 教 訓, 唯 有 不 斷 的 改 正 修 正 練 習 及 檢 討, 才 能 做 i

3 出 好 的 研 究 報 告 初 審 當 天, 我 們 的 心 情 七 上 八 下, 雖 然 自 覺 準 備 得 很 充 分, 還 是 擔 心 會 有 閃 失, 但 初 審 老 師 的 親 切 提 問, 讓 我 們 信 心 十 足 的 將 我 們 的 所 學 所 知 傾 囊 而 出, 而 複 審 時 更 讓 我 們 覺 得 不 是 在 參 加 比 賽, 而 是 在 和 評 審 老 師 們 一 同 討 論 專 題 報 告, 希 望 老 師 能 再 多 給 我 們 一 些 指 教, 如 何 讓 我 們 的 實 驗 精 益 求 精, 甚 至 為 下 一 階 段 做 準 備, 真 是 獲 益 良 多! 頒 獎 當 天, 我 們 全 都 坐 立 難 安, 雖 然 認 為 自 己 已 經 盡 了 全 力 並 打 了 一 場 美 好 的 仗, 但 心 裡 還 是 非 常 渴 望 能 為 校 為 巿 爭 光 當 司 儀 唱 出 我 們 的 名 字 時, 我 們 全 都 熱 淚 盈 眶, 終 於 體 會 到 何 謂 喜 極 而 泣, 苦 盡 甘 來, 回 想 起 之 前 的 努 力, 所 有 辛 苦 都 值 回 票 價 我 們 都 升 上 國 中 了, 是 否 要 繼 續 更 進 一 步 探 討 這 個 研 究 主 題 雖 然 還 未 定 案, 但 對 我 們 而 言, 在 小 學 生 涯 中, 能 得 到 全 國 第 一 的 最 高 榮 譽, 是 這 輩 子 永 遠 也 不 會 忘 記 的 美 好 回 憶! 合 作 無 間 的 團 隊, 美 好 學 習 的 校 園! ii

4 剛 柔 並 進 硬 軟 兼 施 ~ 探 討 流 體 的 固 化 與 固 體 的 液 化 現 象 摘 要 新 聞 常 報 導 土 壤 液 化, 難 道 固 體 會 變 軟? 那 流 體 會 變 硬 嗎? 我 們 實 驗 生 活 上 粉 漿 來 探 討 流 體 受 到 外 力 後 變 硬 的 現 象 ( 簡 稱 流 體 的 固 化 ); 接 著 自 製 各 種 物 理 的 實 驗 和 測 量 工 具 : 自 製 滑 輪 黏 滯 度 檢 測 器 測 量 粉 漿 黏 滯 度 自 製 喇 叭 垂 直 震 動 器 和 自 製 水 平 震 動 器 有 效 控 制 變 因, 探 討 流 體 跳 動 或 固 體 粒 子 流 動 現 象 ( 簡 稱 固 體 的 液 化 ) 主 要 發 現 : 不 同 流 體 會 有 不 同 流 動 表 現, 玉 米 粉 漿 太 白 粉 漿 表 現 近 似 非 牛 頓 流 體 膨 脹 型 特 徵 ; 震 動 實 驗 發 現 細 砂 具 有 比 粗 砂 容 易 流 動 的 特 質 ; 砂 水 粉 混 合 後 具 有 凝 聚 特 質, 可 以 減 緩 震 動 時 液 化 情 形 透 過 我 們 這 個 物 理 實 驗 的 想 法 和 發 現, 或 許 可 以 對 未 來 的 科 學 探 究 或 生 活 問 題 具 有 價 值 壹 研 究 動 機 有 一 天 看 到 電 視 報 導 1999 年 台 灣 集 集 發 生 大 地 震, 造 成 地 層 下 陷, 爸 爸 在 旁 說 那 是 土 壤 液 化 造 成 的 嚴 重 後 果, 剛 好 五 下 自 然 課 本 又 提 到 台 灣 處 於 地 震 頻 繁 地 帶, 在 蒐 集 資 料 時, 看 到 一 些 有 關 非 牛 頓 流 體 的 網 路 影 片, 影 片 中 提 到 流 體 會 變 硬 的 現 象, 忽 然 想 到 曾 經 幫 忙 媽 媽 煮 湯 勾 芡 時 準 備 的 那 一 碗 不 容 易 攪 拌 的 太 白 粉 漿, 所 以 想 進 一 步 了 解 這 兩 種 現 象 是 否 有 關 聯, 於 是 決 定 和 同 學 一 起 進 行 實 驗 研 究 貳 研 究 目 的 一 探 討 可 以 產 生 固 化 現 象 的 粉 漿 二 探 討 外 力 對 粉 漿 黏 滯 度 的 影 響 三 探 究 粉 漿 固 化 現 象 的 科 學 體 驗 四 利 用 自 製 喇 叭 垂 直 震 動 器 探 討 固 化 與 液 化 現 象 五 利 用 自 製 水 平 震 動 器 探 討 固 化 與 液 化 現 象 1

5 參 研 究 設 備 和 器 材 2

6 肆 研 究 架 構 和 流 程 圖 3

7 伍 研 究 過 程 和 結 果 由 網 路 資 料 得 知, 流 體 分 成 兩 類 : 一 研 究 一 探 討 可 以 產 生 固 化 現 象 的 粉 漿 ( 一 ) 實 驗 一 探 討 水 與 粉 比 例 對 粉 漿 的 影 響 1. 方 法 (1) 準 備 生 活 中 易 取 得 的 麵 粉 玉 米 粉 太 白 粉 蓮 藕 粉 共 四 種 粉 (2) 分 別 調 製 五 種 不 同 的 水 : 粉 比 例 的 粉 漿 : 4

8 2. 結 果 3. 討 論 (1) 麵 粉 加 水 呈 糰 狀, 不 具 有 固 化 現 象, 所 以 只 調 配 到 水 : 粉 比 例 (1:0.5) 時, 就 被 排 除 在 後 續 實 驗 (2) 太 白 粉 和 玉 米 粉 加 水 呈 流 體 狀, 用 力 握 在 手 中 會 有 固 化 的 感 覺, 鬆 開 手 會 慢 慢 變 回 流 體, 而 當 水 和 太 白 粉 或 玉 米 粉 比 例 為 1:1.25 時, 固 化 現 象 最 明 顯 所 以 後 續 實 驗 均 用 水 : 粉 比 例 (1:1.25) 進 行 (3) 蓮 藕 粉 漿 攪 拌 無 阻 力, 用 力 握 在 手 中 不 會 固 化 水 : 粉 比 例 (1:1.5) 時, 已 經 像 固 體 粉 末, 無 法 攪 拌 ( 二 ) 實 驗 二 探 討 水 溫 對 粉 漿 的 影 響 1. 方 法 (1) 準 備 三 種 溫 度 的 水 ( 每 份 20cc 各 4 杯 ): 常 溫 水 22ºC(±1 ºC) 溫 水 50ºC(±1 ºC) 熱 水 80ºC(±1 ºC) (2) 準 備 四 種 粉 ( 每 份 25 克 各 3 份 ): 麵 粉 太 白 粉 玉 米 粉 蓮 藕 粉 ( 在 此 水 溫 實 驗 中, 我 們 還 是 納 入 蓮 藕 粉 和 麵 粉, 雖 然 蓮 藕 粉 和 麵 粉 在 水 與 粉 比 例 實 驗 中 並 沒 有 表 現 出 明 顯 黏 滯 度, 但 是 我 們 覺 得 在 不 同 水 溫 下, 蓮 藕 粉 和 麵 粉 可 能 會 有 不 同 的 變 化 ) 5

9 (3) 按 照 水 : 粉 比 例 (1:1.25), 先 將 三 種 溫 度 的 水 各 20cc 倒 入 燒 杯 ( 共 12 杯 ), 再 將 四 種 粉 各 25 克, 分 別 倒 入 不 同 水 溫 的 燒 杯 (4) 觀 察 並 記 錄 攪 拌 前 和 攪 拌 後 的 粉 漿 現 象 2. 結 果 6

10 3. 討 論 (1) 相 同 粉 但 不 同 水 溫 形 成 的 粉 漿, 發 現 並 無 太 大 差 異, 所 以 決 定 以 常 溫 的 水 進 行 後 續 實 驗 就 可 以 了 (2) 相 同 水 溫 但 不 同 粉 形 成 的 粉 漿, 以 麵 粉 蓮 藕 粉 較 易 攪 拌, 較 不 具 黏 滯 度, 所 以 後 續 以 太 白 粉 玉 米 粉 進 行 實 驗 4. 小 結 論 研 究 一 的 小 結 論 因 為 受 限 於 規 定 篇 幅 的 關 係, 請 參 考 第 28 頁 的 陸 結 論 的 第 一 點 的 第 ( 一 ) ( 二 ) ( 三 ) 點, 以 下 研 究 的 小 結 論 雷 同 二 研 究 二 探 討 外 力 對 粉 漿 黏 滯 度 的 影 響 將 裝 有 太 白 粉 漿 的 燒 杯 放 倒 時, 看 見 粉 漿 緩 緩 流 出, 和 普 通 的 黏 稠 流 體 沒 什 麼 不 同, 但 是 以 手 指 快 速 按 壓 太 白 粉 漿 時, 卻 明 顯 按 不 下 去, 而 且 我 們 在 攪 拌 粉 漿 時, 越 快 阻 力 越 大, 但 是 靜 放 在 粉 漿 上 的 筷 子 卻 可 以 慢 慢 插 入 粉 漿, 所 以 我 們 想 試 著 改 變 筷 子 戳 粉 漿 的 速 度 來 記 錄 粉 漿 變 硬 的 現 象 7

11 ( 一 ) 實 驗 一 探 討 施 壓 速 度 對 粉 漿 的 影 響 實 驗 構 想 剛 開 始 有 同 學 建 議 可 以 依 照 節 拍 器 穩 定 的 速 度 戳 粉 漿, 但 是 又 有 同 學 認 為 很 難 控 制 手 的 力 量, 後 來 討 論 才 想 到 如 果 在 固 定 的 高 度 距 離 下 移 動, 應 該 可 以 控 制 手 的 力 量, 所 以 大 家 最 後 還 是 決 定 做 實 驗 看 看 結 果 1. 方 法 (1) 分 別 於 燒 杯 中 調 製 水 : 粉 比 例 (1:1.25) 的 玉 米 粉 漿 及 太 白 粉 漿 (2) 用 攪 拌 棒 攪 拌 均 勻 (3) 將 節 拍 器 設 定 為 以 下 的 節 拍 頻 率 = BPM (BPM=Beats Per Minute; 拍 / 秒 ) (4) 用 手 抓 住 竹 筷 在 限 制 高 度 間 (10cm 距 離 ) 上 下 移 動, 依 照 節 拍 器 的 節 奏, 穩 定 戳 向 玉 米 粉 漿 每 戳 十 次 後, 測 量 並 記 錄 竹 筷 下 方 沾 黏 粉 漿 的 高 度 (5) 重 複 步 驟 (2) 和 (4)12 次, 取 中 間 10 次 的 數 據 (6) 太 白 粉 漿 也 重 覆 步 驟 (2)-(5) (7) 平 均 實 驗 數 據 後 再 做 成 表 格 並 製 成 曲 線 圖 2. 結 果 8

12 3. 討 論 (1) 太 白 粉 漿 和 玉 米 粉 漿 受 力 後 明 顯 固 化, 當 頻 率 變 快, 粉 漿 的 阻 力 變 大, 所 以 竹 筷 下 方 沾 黏 粉 漿 的 高 度 漸 漸 減 少, 這 個 結 果 與 預 期 相 符 (2) 本 實 驗 想 要 利 用 竹 筷 上 沾 黏 粉 漿 的 高 度 來 呈 現 粉 漿 固 化 的 程 度, 但 是 發 現 以 手 持 筷 子 進 行 實 驗, 用 力 大 小 很 難 穩 定 控 制, 而 且 沾 黏 在 筷 子 上 的 粉 漿 高 度 也 很 難 斷 定 測 量, 此 外 當 頻 率 變 快 時, 不 管 粉 漿 是 否 固 化, 都 不 容 易 沾 黏 到 筷 子 上, 所 以 我 們 決 定 設 計 較 新 而 且 較 客 觀 的 實 驗 方 法 ( 二 ) 實 驗 二 設 計 自 製 滑 輪 黏 滯 度 檢 測 器 剛 開 始 試 著 設 計 較 客 觀 的 實 驗 方 法 以 測 量 粉 漿 受 力 時 的 黏 滯 度 變 化 時, 本 來 想 在 竹 筷 上 掛 砝 碼 加 壓, 觀 察 粉 漿 產 生 阻 力 的 變 化, 但 是 筷 子 總 是 倒 來 倒 去, 既 然 插 的 不 行, 那 就 用 拉 的 吧! 於 是 開 始 了 自 製 滑 輪 黏 滯 度 檢 測 器 的 設 計 並 用 它 來 做 進 一 步 的 實 驗 設 計 構 想 先 把 鐵 尺 插 入 粉 漿 中, 利 用 砝 碼 受 重 力 向 下 拉 的 力 量, 經 過 滑 輪 轉 換 成 將 鐵 尺 向 上 拉 的 力 量, 然 後 記 錄 鐵 尺 移 動 10 公 分 所 需 的 時 間, 便 可 算 出 鐵 尺 移 動 的 平 均 速 度 接 著 改 變 砝 碼 的 重 量, 可 以 看 出 流 體 的 黏 滯 度 是 否 會 隨 著 拉 力 大 小 而 有 所 改 變 下 圖 就 是 我 們 從 構 想 到 實 現 的 過 程 圖 9

13 1. 自 製 滑 輪 黏 滯 度 檢 測 器 的 方 法 (1) 利 用 瓦 楞 紙 板 做 成 横 樑, 並 在 左 右 兩 端 裝 上 滑 輪, 將 一 條 細 繩 的 兩 端 綁 上 鐵 尺 後 掛 在 兩 個 滑 輪 上 保 持 平 衡, 再 利 用 紙 箱 將 横 樑 架 高, 之 後 在 左 側 鐵 尺 上 加 掛 不 同 重 量 的 砝 碼 來 拉 動 右 側 的 鐵 尺 向 上 移 動 (2) 滑 輪 裝 置 : 本 來 用 縫 衣 機 上 的 小 線 軸, 但 找 不 到 適 合 的 軸 心, 滾 動 時 阻 力 太 大 後 來 改 用 附 有 軸 心 的 鋁 窗 滾 輪, 可 以 順 利 滾 動 (3) 選 擇 細 繩 : 本 來 用 細 棉 線 來 拉 鐵 尺, 但 表 面 有 點 粗 糙, 阻 力 較 大, 後 來 改 用 多 芯 尼 龍 線, 但 沒 用 幾 次 就 斷, 最 後 選 擇 細 釣 魚 線, 表 面 光 滑 又 耐 用 (4) 從 竹 筷 到 鐵 尺 : 竹 筷 表 面 粗 糙, 從 粉 漿 中 拉 出 時 會 沾 上 粉 漿, 接 著 用 圓 柱 形 的 光 滑 鐵 棒, 但 是 拉 出 鐵 棒 的 體 積 太 大, 最 後 選 用 長 約 15 公 分, 寬 約 1.5 公 分 的 鐵 尺, 表 面 光 滑 接 觸 面 積 大 又 不 佔 體 積 (5) 計 算 鐵 尺 移 動 距 離 : 將 直 尺 貼 在 横 樑 上 兩 個 滑 輪 中 間, 並 標 示 出 10 公 分 的 距 離, 先 將 鐵 尺 以 固 定 的 深 度 插 入 粉 漿 中, 再 用 髮 夾 夾 在 10 公 分 間 距 的 起 點 位 置, 放 手 後 就 可 以 觀 察 髮 夾 移 動 到 終 點 所 需 的 時 間 (6) 實 際 操 作, 發 現 右 側 鐵 尺 離 開 粉 漿 表 面 時, 會 因 為 拉 力 整 支 飛 起 來, 所 以 在 横 樑 右 方 以 一 根 折 彎 迴 紋 針 製 成 阻 檔 器, 以 限 制 鐵 尺 繼 續 向 上 移 動 (7) 自 製 器 材 完 成 後, 測 試 拉 動 鐵 尺 時 阻 力 的 大 小, 發 現 當 兩 側 鐵 尺 靜 止 不 動 時, 在 左 側 掛 上 重 約 2 公 克 的 迴 紋 針, 右 側 鐵 尺 就 向 上 移 動 (8) 在 塑 膠 筒 ( 直 徑 6 公 分 ) 內, 分 別 加 入 15 公 分 深 的 洗 衣 精 和 齒 輪 油 選 用 齒 輪 油 與 洗 衣 精 的 理 由 是 因 為, 它 們 的 黏 滯 度 不 會 因 受 力 大 小 而 改 變, 是 何 用 來 作 為 校 正 我 們 設 計 的 檢 測 器 的 標 準 (9) 接 下 來 將 裝 有 流 體 的 塑 膠 筒 放 在 自 製 滑 輪 黏 滯 性 檢 測 器 的 右 方, 並 將 右 側 鐵 尺 放 入 流 體 至 鐵 尺 刻 度 13 公 分 處 固 定 鐵 尺, 以 黑 髮 夾 當 作 指 針 停 留 在 橫 樑 起 點 處 (10) 在 左 側 掛 上 砝 碼, 右 側 放 手 後, 測 量 黑 髮 夾 移 動 10 公 分 所 需 要 的 時 間, 測 試 7 次 並 取 中 間 5 次 的 數 值, 計 算 移 動 的 平 均 秒 速 (cm/ 秒 ) (11) 以 不 同 的 流 體, 配 合 不 同 重 量 的 砝 碼, 重 複 步 驟 (9)~(10) 10

14 2. 結 果 3. 討 論 (1) 齒 輪 油 與 洗 衣 精 的 黏 滯 度 不 會 因 受 力 大 小 而 改 變, 隨 著 左 側 砝 碼 重 量 增 加, 鐵 尺 移 動 的 速 度 也 成 正 比 增 加 根 據 實 驗 的 數 據 和 呈 現 的 曲 線 圖 可 以 看 出 施 力 與 速 度 成 正 比, 所 以 自 製 滑 輪 黏 滯 度 檢 測 器 具 有 可 信 度 (2) 本 自 製 器 材 受 限 於 橫 樑 的 10 公 分, 只 能 測 量 很 稠 的 流 體, 同 時 鐵 尺 也 會 附 著 粉 漿, 這 些 都 會 影 響 實 驗 的 準 確 性 (3) 利 用 手 邊 常 見 的 材 料 組 成 簡 單 的 器 材, 經 過 不 斷 的 修 改, 也 能 用 來 觀 察 到 較 真 實 的 物 理 現 象 ( 二 ) 實 驗 三 利 用 自 製 滑 輪 黏 滯 度 檢 測 器 探 討 不 同 粉 漿 的 黏 滯 度 1. 方 法 (1) 先 調 製 水 : 粉 比 例 (1:1.25) 的 玉 米 粉 太 白 粉 漿, 另 備 蕃 茄 醬 (2) 在 塑 膠 筒 ( 直 徑 6 公 分 ) 內 加 入 15 公 分 深 的 流 體, 並 在 每 次 測 試 前, 用 竹 筷 攪 拌 均 勻 (3) 將 裝 有 流 體 的 塑 膠 筒 放 在 自 製 滑 輪 黏 滯 度 檢 測 器 的 右 方, 並 將 右 側 鐵 放 入 流 體 至 鐵 尺 刻 度 13 公 分 處, 再 以 食 指 及 中 指 固 定 鐵 尺, 在 中 央 測 量 尺 14 公 分 處 以 黑 髮 夾 夾 在 釣 魚 線 上 標 示 出 起 點 11

15 (4) 在 左 側 掛 上 砝 碼, 右 側 放 手 後, 測 量 黑 髮 夾 從 中 央 測 量 尺 14 公 分 處 移 動 到 4 公 分 處 需 要 多 少 時 間, 並 測 試 7 次, 結 束 後 取 中 間 5 次 的 數 值, 計 算 移 動 的 平 均 秒 速 (cm/ 秒 ) (5) 以 不 同 的 流 體, 配 合 不 同 重 量 的 砝 碼, 重 複 步 驟 (2)~(4) 實 驗 操 作 圖 如 下 2. 結 果 以 下 將 玉 米 粉 太 白 粉 番 茄 醬, 以 及 上 一 個 校 準 實 驗 的 洗 衣 精 和 齒 輪 油, 共 五 組 數 據 製 成 曲 線 圖, 並 將 參 考 資 料 的 三 種 代 表 性 流 體 的 現 象 畫 成 示 意 圖, 放 在 右 邊 作 對 照 : 12

16 3. 討 論 (1) 太 白 粉 漿 和 玉 米 粉 漿 受 力 後 有 固 化 現 象, 雖 然 砝 碼 重 量 增 加, 但 是 鐵 尺 移 動 速 度 先 稍 微 增 加, 但 後 來 都 保 持 在 一 定 範 圍 內, 曲 線 較 水 平, 增 大 砝 碼 後, 觀 察 到 反 而 速 度 減 慢, 這 應 該 是 因 為 粉 漿 變 稠 變 硬 而 把 鐵 尺 拉 住 與 參 考 資 料 ( 右 圖 ) 的 A 線 段 受 到 外 力 而 變 稠 一 致, 為 非 牛 頓 流 體 膨 脹 型 (2) 洗 衣 精 與 齒 輪 油 的 黏 滯 度, 沒 有 因 為 受 力 不 同 而 改 變, 所 以 鐵 尺 移 動 速 度 與 施 力 幾 乎 成 正 比, 與 參 考 資 料 ( 右 圖 ) 的 B 線 段 黏 滯 度 不 因 外 力 而 改 變 一 致, 為 牛 頓 流 體 (3) 蕃 茄 醬 的 曲 線 有 略 微 向 上 彎 的 現 象, 表 示 蕃 茄 醬 是 受 力 後 會 變 稀 的 一 種 流 體, 與 參 考 資 料 ( 右 圖 ) 的 C 線 段 受 到 外 力 而 變 稀 一 致, 為 非 牛 頓 流 體 假 塑 型 (4) 透 過 這 個 實 驗, 我 們 了 解 到 原 本 陌 生 的 名 詞 其 實 就 在 我 們 身 邊, 一 點 都 不 疏 遠 (5) 我 們 也 發 現, 對 於 太 白 粉 漿 和 玉 米 粉 漿 的 測 量 比 較 困 難, 變 數 也 比 較 多, 這 也 顯 示 受 到 外 力 而 變 稠 的 這 些 流 體, 可 能 還 有 很 多 有 趣 的 影 響 因 素 隱 藏 在 裏 面, 值 得 未 來 繼 續 探 討 三 研 究 三 探 究 粉 漿 固 化 現 象 的 科 學 體 驗 ( 一 ) 實 驗 一 探 討 玩 具 車 蜻 蜓 點 水 1. 方 法 (1) 塑 膠 盆 內 調 製 水 : 粉 比 例 (1:1.25) 的 太 白 粉 和 玉 米 粉 兩 種 粉 漿 (2) 以 雙 手 來 回 搖 動 塑 膠 盆 (33x27 公 分 ) (3) 將 玩 具 車 ( 車 長 5 公 分 ) 放 在 太 白 粉 和 玉 米 粉 兩 種 粉 漿 表 面 行 駛 (4) 以 照 相 機 快 門 (1/800) 連 拍, 觀 察 結 果 及 拍 攝 玩 具 車 行 駛 瞬 間 狀 態, 13

17 (5) 重 複 步 驟 (2)-(4)10 次 2. 結 果 (1) 以 雙 手 來 回 搖 動 塑 膠 盆, 玩 具 車 在 搖 動 的 玉 米 粉 漿 表 面 行 走 一 段 距 離, 不 會 沉 沒 3. 討 論 (1) 太 白 粉 漿 和 玉 米 粉 漿 來 回 搖 動 受 力, 讓 黏 滯 度 增 加 而 變 硬 固 化, 玩 具 車 可 以 在 粉 漿 表 面 行 走 一 段 距 離 不 會 沉 沒 (2) 一 旦 停 止 搖 動, 受 力 消 失 讓 黏 滯 度 回 復 變 成 原 先 流 體 狀 態, 玩 具 車 很 快 就 下 沉 ( 二 ) 實 驗 二 探 討 手 和 腳 的 吸 星 大 法 1. 方 法 (1) 調 製 出 水 : 粉 比 例 (1:1.25) 的 太 白 粉 漿, 重 量 90 克, 並 放 入 塑 膠 盆 中 (2) 將 塑 膠 盆 放 在 桌 上, 以 單 手 慢 慢 放 入 塑 膠 盆 底 部, 沉 浸 於 太 白 粉 漿 中 (3) 分 別 以 左 右 和 前 後, 搖 動 太 白 粉 漿 的 塑 膠 盆 下, 立 刻 舉 起 單 手, 分 別 觀 察 單 手 被 太 白 粉 漿 吸 住 的 時 間 (4) 重 複 步 驟 (2)-(3)10 次 (5) 接 著, 將 塑 膠 盆 放 在 地 上, 雙 腳 以 跑 步 速 度 在 粉 漿 上 原 地 快 踏 10 秒, 同 時 觀 察 雙 腳 是 否 會 沉 入 太 白 粉 漿 中 (6) 停 止 踏 步, 觀 察 雙 腳 是 否 會 沉 浸 於 太 白 粉 漿 中 (7) 雙 腳 沉 浸 粉 漿 後 立 刻 跳 起, 觀 察 停 留 時 間 (8) 再 將 太 白 粉 漿 分 成 兩 小 盆, 雙 腳 分 別 各 踏 入 一 小 盆 中 14

18 (9) 以 走 路 速 度, 離 地 5 公 分 抬 腳 來 回 走 10 步, 觀 察 腳 是 否 可 被 粉 漿 吸 住 (10) 重 複 步 驟 (5)-(9)10 次 2. 結 果 (1) 從 實 驗 中 觀 察 到, 搖 動 3~5 下 的 結 果, 單 手 被 塑 膠 盆 的 太 白 粉 漿 吸 住 的 時 間 較 長 ; 搖 動 10~15 下 的 結 果, 吸 住 的 時 間 較 短 (2) 當 搖 動 次 數 越 少, 單 手 被 塑 膠 盆 的 太 白 粉 漿 吸 住 的 時 間 就 越 長 ; 當 搖 動 次 數 越 多 而 手 痠, 造 成 力 氣 變 小, 搖 動 速 度 變 慢, 單 手 被 塑 膠 盆 的 太 白 粉 漿 吸 住 的 時 間 會 縮 短 (3) 雙 腳 連 續 快 踏 於 粉 漿 上, 雙 腳 並 不 會 沉 入 盆 子 中, 一 旦 停 止 踏 步 後, 雙 腳 就 會 慢 慢 沉 入 太 白 粉 漿 裡 (4) 當 雙 腳 各 沉 浸 於 粉 漿 中, 粉 漿 吸 住 雙 腳 並 可 以 平 時 走 路 速 度 行 走 和 跳 躍 ( 詳 見 影 片 ) (5) 單 腳 往 上 抬 高 可 在 空 中 停 留 3-5 秒 鐘 15

19 3. 討 論 (1) 剛 開 始 我 們 以 為 搖 動 次 數 會 影 響 粉 漿 的 黏 滯 度, 但 實 驗 發 現 影 響 並 不 大 (2) 實 驗 中 發 現 以 不 同 方 向 搖 動 粉 漿, 黏 滯 度 影 響 並 不 明 顯 ( 三 ) 實 驗 三 探 討 鋼 球 和 棒 球 的 輕 功 水 上 漂 1. 方 法 (1) 塑 膠 盤 內 調 配 水 : 粉 比 例 (1:1.25) 的 太 白 粉 漿 (2) 以 雙 手 左 右 來 回 搖 動 塑 膠 盤 (3) 將 小 中 大 鋼 球 分 別 放 在 太 白 粉 漿 表 面 (4) 觀 察 小 中 大 鋼 球 滾 動 的 結 果 (5) 停 止 搖 動 塑 膠 盤, 觀 察 小 中 大 鋼 球 的 現 象 (6) 再 以 雙 手 左 右 來 回 搖 動 塑 膠 盤, 觀 察 沉 入 粉 漿 中 的 小 中 大 鋼 球 的 變 化 (7) 將 家 中 的 棒 球 放 在 太 白 粉 漿 表 面, 重 複 上 述 實 驗 步 驟 (2)~(6) 2. 結 果 (1) 以 雙 手 左 右 來 回 搖 動 塑 膠 盤, 鋼 球 和 棒 球 在 搖 動 的 粉 漿 表 面 連 續 滾 動, 不 會 沉 沒 ; 停 止 時, 鋼 球 和 棒 球 很 快 就 下 沉 (2) 再 次 以 雙 手 來 回 搖 動 塑 膠 盤, 小 鋼 球 中 鋼 球 被 粉 漿 黏 得 很 緊, 搖 動 不 起 來, 只 有 大 鋼 球 和 棒 球 會 再 重 新 滾 動 起 來 16

20 3. 討 論 (1) 實 驗 中, 我 們 收 集 十 種 以 上 各 式 材 質 大 小 的 球 進 行 實 驗, 發 現 表 面 材 質 會 影 響 滾 動, 所 以 我 們 決 定 以 鋼 球 和 軟 式 棒 球 進 行 實 驗 (2) 搖 動 太 白 粉 漿, 受 力 讓 黏 度 增 加 而 變 硬 固 化, 鋼 球 和 棒 球 可 以 在 粉 漿 表 面 上 滾 動, 不 會 沉 沒 (3) 一 旦 停 止 搖 動, 受 力 消 失, 粉 漿 恢 復 成 液 體 狀 態, 所 以 鋼 球 和 棒 球 都 下 沉 (4) 當 我 們 再 次 搖 動 粉 漿, 大 鋼 球 和 棒 球 會 再 重 新 滾 動 起 來, 可 能 是 重 心 高 過 於 粉 漿 液 面, 所 以 可 以 再 次 滾 動 起 來 (5) 於 是 以 重 心 高 於 粉 漿 液 面 的 棒 球 進 行 下 一 個 實 驗 ( 四 ) 實 驗 四 探 討 棒 球 滾 動 與 粉 漿 搖 動 速 度 的 關 係 1. 方 法 (1) 塑 膠 盆 內 調 配 水 : 粉 比 例 (1:1.25) 的 太 白 粉 漿, 並 訂 搖 動 距 離 為 15 公 分 (2) 以 節 拍 器 頻 率 BPM, 雙 手 來 回 搖 動 塑 膠 盆 (3) 將 棒 球 放 在 太 白 粉 漿 表 面 中 央 (4) 分 別 觀 察 並 記 錄 棒 球 在 太 白 粉 漿 中 滾 動 的 情 形 (5) 重 覆 步 驟 (2)~(4)10 次, 並 記 錄 於 下 17

21 2. 結 果 明 顯 滾 動 無 法 滾 動 不 明 顯 3. 討 論 (1) 以 不 同 頻 率, 雙 手 左 右 來 回 搖 動 塑 膠 盆 的 速 度 越 快 時, 棒 球 比 較 容 易 在 粉 漿 表 面 連 續 滾 動, 且 較 不 容 易 沉 沒 (2) 發 現 搖 動 速 度 會 影 響 粉 漿 固 化 的 現 象 四 研 究 四 利 用 自 製 喇 叭 垂 直 震 動 器 探 討 固 化 與 液 化 現 象 ( 一 ) 實 驗 一 設 計 自 製 喇 叭 垂 直 震 動 器 18

22 1. 自 製 喇 叭 垂 直 震 動 器 的 方 法 (1) 我 們 利 用 廢 棄 音 響 喇 叭, 套 上 一 個 塑 膠 水 管, 可 以 用 來 聚 集 聲 波 產 生 震 動 (2) 然 後 把 保 鮮 膜 套 在 塑 膠 水 管, 分 別 倒 上 約 1 克 的 水 番 茄 醬 粉 漿 (3) 輸 入 訊 號 震 動 頻 率 固 定 在 100Hz, 固 定 音 量 (4) 後 方 放 置 方 格 紙 ( 每 格 1cm), 貼 上 有 刻 度 的 紙 尺, 用 以 觀 察 跳 動 情 形 (5) 最 後 經 過 擴 大 器 放 大 訊 號, 傳 給 喇 叭 產 生 聲 波, 上 下 震 動 (6) 以 照 相 機 快 門 (1/800) 連 拍, 拍 攝 流 體 震 動 瞬 間 狀 態 (7) 觀 察 並 記 錄 2. 結 果 19

23 3. 討 論 (1) 不 同 流 體 在 自 製 喇 叭 垂 直 震 動 器 一 定 頻 率 下, 會 有 不 同 的 跳 動 現 象 : 水 受 震 動 向 上 噴 成 無 數 小 水 滴, 高 度 超 過 5 公 分, 顯 示 完 全 流 體 現 象 蕃 茄 醬 受 震 動 向 上 形 成 長 條 絲 狀, 高 度 超 過 5 公 分, 顯 示 黏 滯 度 下 降, 使 它 流 動 得 更 多 玉 米 粉 和 太 白 粉 漿 受 力 讓 黏 滯 度 增 加, 顯 示 流 動 變 困 難 的 現 象 (2) 比 較 跳 動 高 度 : 水 > 蕃 茄 醬 > 玉 米 粉 漿 > 太 白 粉 漿 (3) 我 們 很 高 興 透 過 喇 叭 聲 波 產 生 上 下 方 向 震 動, 真 得 很 神 奇 而 且 學 會 找 到 隨 手 可 得 的 材 料, 解 決 我 們 所 遇 到 的 問 題 ( 二 ) 實 驗 二 探 討 不 同 粗 細 的 砂 在 震 動 下 的 流 動 狀 況 1. 方 法 (1) 將 直 徑 6cm 的 塑 膠 筒 底 部 挖 空, 包 上 保 鮮 膜, 再 將 塑 膠 筒 裝 在 自 製 喇 叭 垂 直 震 動 器 上 (2) 拿 過 篩 器 分 出 4 種 粗 細 的 砂 : 3.60mm 砂 : 通 過 3.60mm 但 無 法 通 過 2.00mm 過 篩 器 2.00mm 砂 : 通 過 2.00mm 但 無 法 通 過 1.41mm 過 篩 器 1.41mm 砂 : 通 過 1.41mm 但 無 法 通 過 0.71mm 過 篩 器 0.71mm 砂 : 只 能 通 過 0.71mm 過 篩 器 (3) 將 不 同 粗 細 的 砂 各 100 克 分 別 放 進 塑 膠 筒 裡, 砂 上 方 中 間 放 置 20 克 砝 碼 ( 直 徑 1.8cm 厚 度 0.9cm) (4) 輸 入 訊 號 震 動 頻 率 10Hz 20Hz 30Hz 40Hz 50Hz 60Hz 推 動 自 製 喇 叭 垂 直 震 動 器 上 方 的 塑 膠 筒 震 動, 觀 察 4 種 砂 的 震 動 情 形 (5) 每 種 震 動 頻 率 重 複 測 試 12 次 取 中 間 10 次 的 數 據 20

24 2. 結 果 21

25 3. 討 論 (1) 利 用 自 製 喇 叭 垂 直 震 動 器, 觀 察 不 同 粗 細 的 砂 在 震 動 時 的 流 動 現 象 (2) 砂 粒 越 細, 震 動 時 砝 碼 沉 沒 所 需 時 間 較 短, 代 表 砂 粒 流 動 現 象 較 明 顯 (3) 不 同 粗 細 的 砂 粒, 震 動 頻 率 20Hz 時 砝 碼 沉 沒 所 需 時 間 最 短 (4) 從 實 驗 中 觀 察 得 知, 砂 在 震 動 時 出 現 流 動 的 現 象 自 然 界 中, 也 有 許 多 砂 粒 流 動 的 現 象, 這 些 流 動 經 常 會 造 成 自 然 災 害 我 們 現 在 可 以 用 自 製 喇 叭 垂 直 震 動 器 和 特 定 的 沙 粒 來 模 擬 土 壤 類 似 流 動 的 現 象 我 們 也 將 在 接 下 來 的 實 驗 試 著 加 入 粉 漿, 觀 察 粉 漿 對 泥 土 液 化 的 可 能 影 響 ( 三 ) 實 驗 三 探 討 砂 粉 漿 混 合 液 在 震 動 中 的 變 化 1. 方 法 (1) 先 調 製 水 : 粉 比 例 (1:1.25) 的 玉 米 粉 漿 及 太 白 粉 漿 (2) 取 3 種 不 同 粗 細 (0.71mm 1.41mm 2.00mm) 的 砂 (3) 將 砂 與 粉 漿 各 15 克, 混 合 成 砂 粉 漿 22

26 (4) 將 砂 粉 漿 放 在 自 製 喇 叭 垂 直 震 動 器 上, 觀 察 在 不 同 震 動 頻 率 下 的 變 化 2. 結 果 23

27 3. 討 論 (1) 細 砂 粉 漿 跳 動 較 明 顯, 粗 砂 粉 漿 跳 動 較 不 明 顯 (2) 喇 叭 頻 率 30Hz 和 40Hz, 跳 動 較 為 明 顯 ; 頻 率 50Hz 以 上 跳 動 不 明 顯 (3) 砂 粉 漿 震 動 效 果 不 明 顯, 可 能 是 喇 叭 功 率 不 夠 大, 砂 粉 漿 重 量 太 重 的 緣 故 五 研 究 五 利 用 自 製 水 平 震 動 器 探 討 固 化 與 液 化 現 象 ( 一 ) 實 驗 一 設 計 自 製 水 平 震 動 器 1. 自 製 水 平 震 動 器 的 方 法 (1) 利 用 氣 血 循 環 機 ( 輸 出 功 率 150W, 振 動 頻 率 7200rpm=120Hz), 拆 解 氣 血 循 環 機 上 方 軟 墊 (2) 因 為 熱 熔 膠 無 法 黏 在 金 屬 板 上, 所 以 加 貼 一 層 透 明 膠 帶 (3) 再 用 熱 溶 膠 固 定 透 明 塑 膠 圓 筒 ( 直 徑 10.5cm) (4) 為 避 免 內 容 物 噴 濺, 所 以 事 先 準 備 蓋 子 24

28 2. 結 果 改 裝 完 成 後, 開 電 源 實 際 測 試 產 生 水 平 震 動, 並 進 行 觀 察 它 的 運 動 情 形, 發 現 它 確 實 能 提 供 穩 定 規 律 的 水 平 震 動 3. 討 論 (1) 氣 血 循 環 機 的 規 格 顯 示 它 的 振 動 頻 率 是 120Hz, 它 這 震 動 頻 率 是 由 馬 達 的 轉 速 來 決 定, 基 本 上 我 們 插 頭 供 給 的 電 一 樣, 轉 速 一 樣, 震 動 的 頻 率 就 一 樣, 所 以 這 是 一 個 可 提 供 穩 定 的 水 平 震 動 頻 率 的 裝 置 (2) 利 用 廢 棄 的 氣 血 循 環 機 改 裝 成 我 們 需 要 的 水 平 震 動 裝 置, 來 模 擬 地 震 的 情 形, 真 的 是 丟 棄 物 再 回 收 利 用 的 好 點 子 ( 二 ) 實 驗 二 探 討 細 砂 加 水 和 粗 砂 加 水 遇 震 動 時, 砝 碼 沉 沒 情 形, 以 觀 察 土 壤 液 化 現 象 1. 方 法 (1) 分 別 將 0.71mm 細 砂 和 3.60mm 粗 砂 各 400 克, 放 進 透 明 塑 膠 筒 裡, 依 次 加 入 水 20 克 40 克 60 克 80 克 100 克 120 克 (2) 將 20 克 砝 碼 放 置 於 砂 上 方 正 中 間, 啟 動 自 製 水 平 震 動 器, 觀 察 砝 碼 沉 沒 所 需 時 間 (3) 每 次 測 試 7 次, 取 中 間 5 次 的 數 據 2. 結 果 25

29 3. 討 論 (1) 剛 開 始 我 們 取 砂 200 克 加 水 60 克 來 進 行 實 驗, 發 現 砂 漿 深 度 不 夠, 所 以 後 續 我 們 以 砂 400 克 來 進 行 實 驗 (2) 比 較 細 砂 和 粗 砂, 粗 砂 砝 碼 沉 沒 所 需 時 間 較 短 (3) 由 於 細 砂 加 水 後, 遇 震 動 時 砝 碼 沉 沒 所 需 時 間 較 不 穩 定, 原 因 目 前 尚 無 法 解 釋, 所 以 後 續 我 們 選 擇 變 化 穩 定 的 粗 砂 做 實 驗 ( 三 ) 實 驗 三 利 用 充 分 混 合 的 砂 和 粉 漿 減 緩 土 壤 液 化 現 象 1. 方 法 (1) 將 3.60mm 砂 400 克, 放 進 透 明 塑 膠 筒 裡, 分 別 加 入 太 白 粉 漿 ( 水 粉 比 1: 1.25)20 克 40 克 60 克 80 克 100 克 120 克 140 克 (2) 再 將 砝 碼 放 置 於 正 中 間, 啟 動 自 製 水 平 震 動 器, 觀 察 砝 碼 沉 沒 所 需 時 間 26

30 2. 結 果 3. 討 論 (1) 由 前 一 個 實 驗, 看 到 經 過 震 動 的 粗 砂 漿 會 有 液 化 現 象 ( 上 圖 的 藍 色 曲 線 ), 也 就 是 說 如 果 沒 有 加 入 太 白 粉 漿, 砂 上 面 的 物 品 ( 砝 碼 或 房 子 ) 下 沈 的 時 間 都 會 比 較 接 近 (2) 但 當, 粗 砂 和 太 白 粉 漿, 砂 粉 漿 結 成 塊 狀, 使 得 砝 碼 不 易 下 沉, 當 加 太 白 粉 漿 超 過 60 克 以 後, 砝 碼 沉 沒 所 需 時 間 大 於 30 秒 ( 如 上 圖 的 紅 色 曲 線 ) 當 加 太 白 粉 漿 到 140 克 時, 砂 粉 漿 聚 結 成 一 大 塊, 震 動 時 會 出 現 整 塊 跳 動 (3) 所 以, 我 們 可 以 確 知 將 太 白 粉 漿 和 粗 砂 混 合 中, 可 以 產 生 凝 聚 粗 砂 的 現 象 ( 四 ) 實 驗 四 利 用 將 粉 鋪 在 砂 漿 表 面 減 緩 土 壤 液 化 現 象 1. 方 法 (1) 拿 3.60mm 砂 400 克, 放 進 透 明 塑 膠 筒 裡, 先 加 入 110 克 水 後, 再 分 別 鋪 上 太 白 粉 20 克 60 克 100 克 120 克 (2) 將 砝 碼 放 置 於 正 中 間, 啟 動 自 製 水 平 震 動 器, 觀 察 砝 碼 沉 沒 所 需 時 間 27

31 2. 結 果 3. 討 論 (1) 400 克 粗 砂 加 入 110 克 水, 模 擬 土 壤 液 化, 再 鋪 上 太 白 粉, 使 得 砝 碼 不 易 下 沉 (2) 當 鋪 上 太 白 粉 120 克 後, 需 要 更 長 時 間 砝 碼 才 沉 沒, 表 示 鋪 上 太 白 粉 可 減 緩 土 壤 液 化 現 象 (3) 這 個 實 驗 顯 示, 為 避 免 物 體 因 為 砂 鬆 動 ( 液 化 ) 而 沉 沒, 在 砂 和 水 混 合 物 的 表 面 鋪 上 太 白 粉 末, 就 可 達 到 相 當 避 免 物 體 沉 沒 的 效 果 陸 結 論 一 探 討 可 以 產 生 固 化 現 象 的 粉 漿 ( 一 ) 太 白 粉 和 玉 米 粉 加 水 呈 流 體 狀, 用 力 握 在 手 中 會 固 化, 鬆 開 手 會 慢 慢 變 回 流 體, 為 非 牛 頓 流 體 膨 脹 型 水 : 粉 比 例 (1:1.25), 固 化 現 象 最 明 顯 ( 二 ) 相 同 粉 但 不 同 水 溫 形 成 的 粉 漿, 並 無 太 大 差 異 ( 三 ) 相 同 水 溫 但 不 同 粉 形 成 的 粉 漿, 麵 粉 蓮 藕 粉 較 易 攪 拌, 較 不 具 黏 滯 度, 而 以 太 白 粉 玉 米 粉 最 具 黏 滯 度 二 探 討 外 力 對 粉 漿 黏 滯 度 的 影 響 ( 一 ) 經 由 反 覆 測 試, 利 用 釣 魚 線 光 滑 鐵 尺 表 面 積 大 不 會 黏 附 粉 漿, 而 且 可 忽 略 固 定 的 阻 力 ( 約 2 克 ), 並 經 由 齒 輪 油 和 洗 衣 精 來 校 正 黏 滯 度 的 測 量 發 現 自 製 滑 輪 黏 滯 度 檢 測 器 的 設 計 能 有 效 地 測 量 施 力 與 速 度 的 關 係 28

32 ( 二 ) 從 太 白 粉 漿 中 拉 出 鐵 尺 的 平 均 時 間 較 長 速 度 較 慢, 所 以 太 白 粉 漿 的 黏 滯 度 較 大 ( 三 ) 太 白 粉 漿 和 玉 米 粉 漿 受 力 後 速 度 變 化 相 近, 接 近 非 牛 頓 流 體 膨 脹 型 本 研 究 在 生 活 中 找 到 的 流 體, 已 能 與 參 考 資 料 中 的 現 象 符 合 ( 四 ) 太 白 粉 漿 和 玉 米 粉 漿 受 力 後 有 固 化 現 象, 粉 漿 變 稠 變 硬 而 把 鐵 尺 拉 住 與 參 考 資 料 ( 右 圖 ) 的 A 線 段 受 到 外 力 而 變 稠 一 致, 為 非 牛 頓 流 體 膨 脹 型 ( 五 ) 洗 衣 精 與 齒 輪 油 的 黏 滯 度, 沒 有 因 為 受 力 不 同 而 改 變, 所 以 鐵 尺 移 動 速 度 與 施 力 幾 乎 成 正 比, 與 參 考 資 料 ( 右 圖 ) 的 B 線 段 黏 滯 度 不 因 外 力 而 改 變 一 致, 為 牛 頓 流 體 ( 六 ) 蕃 茄 醬 的 曲 線 有 略 微 向 上 彎 的 現 象, 表 示 蕃 茄 醬 是 受 力 後 會 變 稀 的 一 種 流 體, 與 參 考 資 料 ( 右 圖 ) 的 C 線 段 受 到 外 力 而 變 稀 一 致, 為 非 牛 頓 流 體 假 塑 型 三 探 究 粉 漿 固 化 現 象 的 科 學 體 驗 ( 一 ) 搖 動 粉 漿 的 次 數 與 方 向, 對 於 黏 滯 度 沒 有 明 顯 的 影 響 ( 二 ) 太 白 粉 漿 和 玉 米 粉 漿 來 回 搖 動 受 力, 讓 黏 滯 度 增 加 而 變 硬 固 化, 這 種 物 理 現 象 可 以 帶 來 許 多 生 活 中 的 新 科 學 經 驗 ( 三 ) 透 過 粉 漿 固 化 現 象 的 體 驗, 流 體 的 粉 漿 竟 然 可 以 支 撐 起 固 體 的 手 腳 玩 具 車, 未 來 也 可 能 有 更 大 的 利 用 四 利 用 自 製 喇 叭 垂 直 震 動 器 探 討 固 化 與 液 化 現 象 ( 一 ) 經 由 反 覆 測 試, 自 製 喇 叭 垂 直 震 動 器 上 的 喇 叭 加 水 管 可 以 集 中 聲 音, 覆 蓋 保 鮮 膜 可 以 觀 察 流 體 受 聲 波 震 動 後 跳 動 的 情 形 ( 二 ) 水 受 震 動 後 向 上 噴 散 成 無 數 小 水 滴, 高 度 超 過 5 公 分, 顯 示 完 全 流 體 現 象, 為 牛 頓 流 體 現 象 ( 三 ) 蕃 茄 醬 受 震 動 後 向 上 形 成 長 條 絲 狀, 高 度 超 過 5 公 分, 顯 示 黏 滯 度 下 降, 使 它 流 動 得 更 多, 可 能 為 非 牛 頓 流 體 假 塑 型 的 現 象 ( 四 ) 玉 米 粉 和 太 白 粉 漿 受 力 讓 黏 滯 度 增 加, 顯 示 流 動 變 困 難, 為 非 牛 頓 流 體 膨 脹 型 的 現 象 ( 五 ) 不 同 粗 細 的 砂 粒, 震 動 頻 率 在 20Hz 時 砝 碼 沉 沒 所 需 時 間, 以 0.71mm 砂 (4 秒 ) 最 短 3.60mm 砂 (6.07 秒 ) 最 長 ; 砂 粒 越 細, 震 動 時 砝 碼 沉 沒 所 需 時 間 較 短, 代 表 砂 粒 流 動 現 象 較 明 顯 ( 六 ) 細 砂 粉 漿 在 喇 叭 頻 率 30Hz 和 40Hz 時, 明 顯 呈 現 花 朵 狀 翻 滾 ; 頻 率 50Hz 以 上 跳 動 不 明 顯 五 利 用 自 製 水 平 震 動 器 探 討 固 化 與 液 化 現 象 29 C: 非 牛 頓 流 體 假 塑 型 B: 牛 頓 流 體 A: 非 牛 頓 流 體 膨 脹 型

33 ( 一 ) 我 們 設 計 的 自 製 水 平 震 動 器, 能 提 供 穩 定 的 水 平 震 動 頻 率, 適 宜 用 來 做 為 觀 察 物 體 受 水 平 震 動 時 的 變 化 ( 二 ) 以 自 製 水 平 震 動 器 進 行 實 驗, 看 到 水 進 入 砂 的 空 隙, 經 過 震 動 後 砂 漿 內 部 產 生 壓 力 的 變 化, 而 造 成 流 動 現 象 ( 三 ) 充 分 混 合 的 砂 和 粉 漿 或 將 粉 鋪 在 砂 漿 表 面, 都 會 產 生 凝 聚 現 象, 所 以 可 以 模 擬 減 緩 土 壤 液 化 的 情 形 柒 未 來 展 望 及 感 想 五 下 的 自 然 與 生 活 科 技 提 到 台 灣 位 於 地 震 帶,1999 年 921 地 震 造 成 彰 化 南 投 地 區 土 壤 液 化, 原 本 是 固 態 的 土 壤 展 現 出 液 態 的 性 質, 或 變 成 黏 稠 的 流 體 土 壤 液 化 造 成 房 屋 傾 斜 沉 陷, 探 討 土 壤 液 化 的 緊 急 應 變 對 策 對 於 災 區 居 民 非 常 重 要 我 們 以 自 製 滑 輪 黏 滯 性 檢 測 器 探 討 不 同 流 體 的 黏 滯 度, 太 白 粉 漿 具 有 非 牛 頓 流 體 受 力 後 的 固 化 現 象 ; 以 自 製 喇 叭 垂 直 震 動 器 探 討 不 同 流 體 的 特 性, 砂 在 震 動 時 會 出 現 流 動 現 象 ; 以 自 製 水 平 震 動 器 探 討 非 牛 頓 流 體 與 和 砂 混 合 後 的 狀 態, 結 果 顯 示 太 白 粉 漿 類 的 非 牛 頓 流 體 可 以 讓 砂 凝 聚 成 塊 狀, 模 擬 降 低 土 壤 液 化 現 象 在 地 震 土 壤 液 化 發 生 當 時 的 緊 急 對 策, 除 了 灌 水 泥 混 凝 土 之 外, 非 牛 頓 流 體 將 是 另 一 個 可 考 慮 的 替 代 選 擇, 因 為 太 白 粉 漿 是 家 中 廚 房 隨 手 可 得 且 超 市 容 易 買 到 的 物 品, 希 望 未 來 能 以 自 製 器 材 再 深 入 探 討 如 何 以 非 牛 頓 流 體 來 模 擬 防 止 土 壤 液 化 我 們 這 個 研 究, 是 從 自 然 界 獲 得 靈 感, 但 我 們 採 用 的 是 自 然 與 生 活 科 技 中 的 一 些 物 理 探 究 方 法, 從 過 程 中, 我 們 很 高 興 能 發 現 許 多 新 而 有 意 義 的 物 理 現 象 和 規 律, 這 對 於 認 識 我 們 的 世 界 或 解 決 一 些 生 活 上 的 問 題, 都 提 供 一 些 重 要 的 經 驗 和 基 礎 捌 參 考 資 料 一 張 美 玉 (2009) 國 民 小 學 自 然 和 生 活 科 技 五 上 台 南 市 : 翰 林 二 張 美 玉 (2009) 國 民 小 學 自 然 與 生 活 科 技 五 下 台 南 市 : 翰 林 三 牛 頓 流 體 ( 無 日 期 ) 維 基 百 科 2013 年 12 月 8 日, 取 自 : %AB%94 四 非 牛 頓 流 體 ( 無 日 期 ) 維 基 百 科 2013 年 12 月 8 日, 取 自 : 五 土 壤 液 化 ( 無 日 期 ) 維 基 百 科 2012 年 10 月 29 日, 取 自 : 六 陳 宏 宇 ( 無 日 期 ) 土 壤 液 化 soil liquefaction, 台 灣 大 百 科 全 書 民 國 98 年 9 月 24 日, 取 自 : 七 z 陳 銘 鴻 ( 無 日 期 ) 土 壤 液 化 成 因 災 害 與 復 建, 國 家 地 震 工 程 研 究 中 心 取 自 : 30

34 評 語 討 論 粉 漿 的 固 化 現 象, 想 藉 此 提 出 可 以 改 善 土 壤 固 化 的 情 況, 在 研 究 過 程 中 比 較 各 種 粉 漿 條 件 之 下 之 固 化 情 況, 並 開 發 垂 直 震 動 器 與 黏 滯 度 檢 測 器 來 做 定 量 分 析 最 後 並 提 出 改 進 土 壤 液 化 的 方 法, 研 究 過 程 有 系 統 且 分 析 結 果 詳 盡 評 語