目的
藉由觀察史特林引擎的運作，瞭解抽象的熱力學循環過程。
實驗
將組裝完成的史特林引擎放在一杯熱水上，稍等一會兒，待熱傳導至引擎氣室的下方，此時稍微轉動飛輪，引擎即開始運作。接下來引擎就靠著熱水提供的能量，持續轉動。
原理思考
史特林引擎與熱力學的關係為何？
史特林引擎對應的熱力學循環過程為：
縱軸是工作氣體的壓力，橫軸是工作氣體的體積，r 為壓縮比。
a 至 b，等溫壓縮，工作氣體的溫度不變，但壓力上升 b 至 c，等體積加熱，從熱水獲得熱能 c 至 d，等溫膨脹，工作氣體的溫度不變，但壓力減小 d 至 a，等體積冷卻，將熱能排至環境 所以史特林引擎其實是由兩個等溫過程及兩個等體積過程組成的熱力學循環。 值得注意的是，在T1 與T2固定的情況下，史特林引擎的效率與最佳的「卡諾循環」(Carnot-cycle engine) 是一樣的，其效率都等於
討論
1.引擎的循環對應什麼樣的熱力學過程？氣體在不同的階段、其壓力、體積及溫度的關係如何？
2.飛輪的旋轉方向與引擎的機構設計有關嗎？還是由初始旋轉方向決定？
3.如果熱水的溫度增加，會影響什麼？如果要讓引擎持續運轉的時間增加，有什麼方法可以達成？
關於實驗
1.本裝置原型機是由萬能科技大學的周鑑恆教授研發而成，經過「德盟（Do More）工作室」商品化，在市面上可以購得。
2.關於設計的原理及說明，可以參考周鑑恆教授所著「輕鬆學物理的第一本書- 31個有趣的物理實驗」。
3.周鑑恆教授對於史特林引擎的研發及改良仍不斷持續中，已開發了可以載人的史特林引擎車輛，更多資訊請參考Do-more 德盟工作室
4.我們在實驗的過程中，辦了一個小型比賽，參考影片…。比賽的方式是利用光電閘紀錄飛輪轉動的圈數及總轉動時間，最多圈及時間最長者勝出。這個方法讓實驗的動機及趣味都增加了，提供大家參考。
參考資料
Chapter 20 of “University Physics with Modern Physics”, 11th Edition
製作
市售
撰稿
朱慶琪
目的
表現物質相變化體積的改變及液體的反作用力。
實驗
實驗裝置：取一片保利龍或木板鑽兩個洞做為船身的甲板。將一鋁(或銅)管彎折成螺旋型，兩末端同向彎折90度安插於甲板中，做為水面下的出入管口。以酒精燈或蠟燭作加熱來源。
1.先將船顛倒沒入水中，使其管中盡量充滿水。不讓水流出的情形下扶正船身，使其漂浮於水面。
2.放上酒精燈或蠟燭，加熱甲板上螺管的部分。 幾分鐘後觀察船身情形。
原理思考
1.船起動的原因為何？
2.船為何能作持續推進？
3.如果要維持運行，需要吸入與排出的一樣的水量，否則水會排光而停止。但依據反作用原理，船在此時向前與向後的推力不是一樣嗎?又如何前進？
1.管子中央水受熱汽化，末端則仍是水。水氣化成水蒸氣體積變大，推動末端的水排出管外，依據反作用力原理，推動船前進。
2.隨後在管末部分水蒸氣冷卻液化，管中壓力變小，水便從管外被吸入。而後水蒸氣受熱膨脹加上重新汽化的水蒸氣繼續做推進的程序。
3由於水分子被推出管外時是同一方向；而四面八方的水分子則皆有機會被吸入，即吸入時的反作用力非單一方向，合力的結果不如推出的情形。
討論
1.管子兩個末端的水是同時進出，或是一進一出?
2.管子兩末端若反方向會如何?
3.一定要用鋁或銅管嗎?
4.一定要彎成螺管形式嗎?
5.沒有看過正式的船隻用此種形式設計，為什麼?
關於實驗
1.以玻璃管（最好是耐熱的石英玻璃管）做實驗目的是要看出水汽化的情形，但須要做較大範圍的火焰加熱區，並須注意冷卻後才可重新充水做實驗，以免玻璃破裂。
2.以雷射筆照射出水口可作進出水狀況的觀察。
參考資料
“PHysics, fun, and beyond."
“The flying circus of physics with answers"
製作
v.1 張惟絮、張正忠、曾助理
指導老師
陳泰利
撰稿
陳泰利
目的
熱膨脹(thermal expansion)現象的應用。
實驗
1.先將尿尿小童泡在熱水裡一段時間
2.再將尿尿小童泡泡進冷水裡
3.最後放在一平台上，將熱水淋在尿尿小童上，之後就可以看到小童在尿尿了。
原理思考
為什麼要交替使用冷水、熱水？
1. 一開始將尿尿小童泡在熱水裡，此時，小童體內的空氣會因熱膨脹而被排出體外2. 將尿尿小童泡進冷水會使原先因熱膨脹的空氣冷縮，此時空氣冷縮後多出來的空間即會被水所佔據。 3.將內部含水的小童淋熱水加溫，使空氣再次膨脹將體內的水推出，就可以看到小童尿尿了
討論
於第二步驟，把小童泡入冷水中，有時候小童會沉入底部，有時會浮在水面，這是為什麼呢？
關於實驗
1.當小童尿完後可立即放入冷水中，可省下第一步驟
2.尿尿小童陶偶可在市面上購得
參考資料
“Fundamental of Physics", 5th ed., John Wiley & Sons, 1997, U.S.A., Ch19-5., D. Halliday, R. Resnick, J. Walker
製作
市售
撰稿
黃時霖、王中川
目的
觀察二維熱膨脹的現象。
實驗
原理思考
為何一開始圓盤無法穿過圓洞，而圓洞燒過後便可穿過？
大部分的物質在溫度上升時都會產生膨脹的現象，影片中就是此現象的演示，一開始圓洞面積略小於圓盤，但當圓洞加熱過後膨脹而變大，使得其面積略大於圓盤，因此燒過後便可穿越過。
討論
1.每一種物質加熱過後的膨漲程度都一樣嗎？
2.試猜測什麼東西會運用到物質間不同熱膨脹系數的性質？
3.有非熱漲冷縮的物質嗎？
1. 不，每一種物質都有自己的性質，當溫度升高一定溫度時，不同物質膨脹程度也不相同，而那影響著溫度上升時膨脹程度的性質則被稱為熱膨脹系數。 2.聖誕樹上掛的燈泡一閃一滅，便是利用不同熱膨脹係數，使兩種不同材質彎曲程度不同而製造出來的。3. 有的，於本站另外之演示實驗中就有一特例：熱縮冷漲 本實驗在加熱後需注意儀器的高溫，以避免燙傷！
參考資料
Fundamentals of Physics, 6th ed., John Wiley & Sons, 2001, New York
製作
曾助理、周瑞星
指導老師
易台生
撰稿
戴伯誠
目的
體驗聲音的都卜勒效應(Doppler effect)。
實驗
原理思考
發聲器（波源）朝觀察者（攝影機）靠近、遠離時，所聽到的聲音是如何改變的？是什麼造成了這樣的改變？
當波源和觀察者有相對運動時，觀察者接收到的頻率與波源發出的並不相同，而這種現象就是都卜勒效應。 如右圖，當波源（中間白點）向左邊移動時（相當於影片中發聲器向觀察者靠近時），波源左邊之波距為靜止時原波距扣除波源於兩波間隔時間內所移動之距離，所以頻率變上升波長變短，而波源右邊則反之。 因此，當發聲器靠近我們時，將會感覺到聲音變的較為尖銳，遠離時感覺到較為低沉。
討論
1.影片中發聲器做圓周運動於何處時造成的聲音最為尖銳？何時最為低沉？
2.觀察者不動，音源速度對聲音影響關係？
3.音源不動，觀察者速度對聲音影響的關係？
1.當其圓周運動的切線速度方向恰指向觀察者時最為尖銳，背離觀察者時最為低沉。
2. 若我們假設相鄰前後兩波所發出之時間分別為 、
，取音源指向物體方向為正，波速為
（用於此為聲速）物體移動速度為
（注意！
包含了值及表方向性的正、負值），則可得
且
而波速
為定值＝頻率
波長
代入
可得
及
前式左右相乘
得
，然後再以後式帶入便可得
。
3.假設觀察者以速度向音源接近，且每隔
時間可接受到一個波。因此，
，因
所以
，而頻率
為週期
之倒數，而得到
，整理後便可得到，
綜合討論２中的討論結果，當音源和觀察者相向而行：
。試想，如果音源和觀察者是背向、同向又會如何？
參考資料
“Some dynamic applications of liquid manometer", Am. J. Phys., 3(2), 1935
製作
v.1易台生
v.2杜宗勳
撰稿
戴伯誠
目的
觀察縱波(Longitudinal Wave)傳導時疏密的變化。
實驗
將彈簧兩端固定，再位移其中幾個環，觀察位移後彈簧產生的縱波現象。
原理思考
1.彈簧的每個環節運動方向與波的運動方向關係是什麼？我們用這樣的關係來定義縱波。
2.為什麼縱波又稱為疏密波？
1.每個環節的運動方向與波運動方向平行。 2.縱波又稱為疏密波，因為它是由壓力擠壓物體，被擠壓的地方粒子較密，被拉伸的地方粒子較疏，粒子作來回震動以傳遞能量的波。
討論
1.為什麼聲音是縱波？
2.能不能訂一套規則，把縱波「轉換成」橫波？這就是為什麼縱波也會有「波峰、波谷與波長」。
3.地震波裡頭的哪一種波是縱波？哪一種波是橫波？產生的原因有何不同？
4.海浪是縱波還是橫波？為什麼？
關於實驗
縱波橫波同時有的傳遞情形會如何？將水平彈簧一端上下抖動情形會怎樣？
參考資料
"Fundamentals of Physics", 6th ed., John Wiley & Sons, 2001, New York. Ch17.
製作
曾助理
指導老師
陳泰利
撰稿
卓岱寧
目的
藉由啟動器不斷挑動繩子，方便看見駐波(standing wave)的形狀。
實驗
繩子一端固定，一端連接啟動器。調整啟動器的頻率，便可改變繩子上下擺動的頻率，製造出不同形狀的駐波。
原理思考
1.駐波的波長與繩子長度的關係是什麼（亦即，出現駐波的條件是什麼）？
2.駐波看起來像是「一包一包」的東西，但其實那只是繩子各個部分上下快速擺動，所以眼睛誤以為它有一個特定的形狀。你能描述駐波運動的過程嗎？
1.當一段繩子看起來只有「一包」的駐波，其半波長等於繩子長度。該駐波有個特殊名字，叫作「第一諧音(first harmonic)」。當半波長恰為第一諧音整數倍的時候，就會出現駐波。
2.如圖，在某個時間點繩子的形狀與稍後時刻(
) 繩子形狀比較圖，箭頭表示繩子上某一點的運動方向，虛線表示繩子每一點做上下來回的運動的平衡點。
討論
1.駐波波長與繩子長度關係真如理論預測嗎？如果不是，有什麼原因會產生影響？
2.觀察繩子上有哪些點是不動的？（我們稱這些點叫作「節點」。）
3.現實生活中有哪些出現駐波的例子？
參考資料
"Fundamentals of Physics", 6th ed., John Wiley & Sons, 2001, New York. Ch17.
製作
市售
撰稿
卓岱寧
目的
模擬在氣流中體旋轉而造成的影響。
實驗
實驗裝置：設計一台可左右移動的車子，上面放置一圓柱體可順逆時針轉動。
從車子的側面產生氣流吹圓柱體，觀察圓柱體有無轉動時的情況。
原理思考
當圓柱體順時針和逆時針旋轉時，車子移動的方向有無改變？原因為何？
(
為magnus產生的力、
為圓柱體對於氣流的截面積、
為流體密度、
為流速、
為氣動力係數，常數項) 當氣流流經過圓柱體時，因為空氣在柱體表面有黏滯的現象，所以接近柱體表面的流體流速會比遠離的慢，當圓柱體旋轉時，和圓柱旋轉的切線方向與氣流流速方向相同的，會比氣流流速相反的快，氣流因此偏向而給圓柱體一個作用力造成車子移動。
討論
為什麼不能用白努力定律來解釋此現象？
關於實驗
過去的Flettner Rotor Ship就是利用此原理來使船前進與改變方向。
參考資料
"MAGNUS EFFECT – FLETTNER’S SHIP."
"MAGNUS EFFECT "
製作
廖彥霖
指導老師
朱慶琪
撰稿
廖彥霖
目的
探討兩種互不相容，且密度不同的液體，在球型容器中旋轉時的現象
實驗
實驗裝置：旋轉台、球形容器、兩種互不相容的液體
原理思考
液體提升，原因是什麼？為什麼不同的液體會「分」到不同的半徑上
溶液旋轉時受到重力、正向力、摩擦力影響，重量越重的溶液需要更大的摩擦力才在容器壁上旋轉，因此越重的溶液也就需要更大的正向力、向心力，在溶液中密度越大相同體積的溶液就越重 綠色溶液是水密度是1 公克/立方公分 黃色溶液是乙酸乙酯的密度是0.877公克/立方公分 因為水的密度比乙酸乙酯大，在旋轉時水需要的向心力就比乙酸乙酯大 水就會在外圍由容器壁提供向心力，乙酸乙酯的向心力由水提供向心力 因為容器為圓形所以部分的乙酸乙酯會跑到上半部、下半部由容器壁提供向心力
討論
如果裡面還有兩種以上互不相容的容液，旋轉時會有何種現象?
兩種以上的溶液，在旋轉時密度從大到小依序從容器的中間分層，呈現上下對稱。
關於實驗
球形容器中心至於與轉台的旋轉中心
參考資料
The Video Encyclopedia of Physics Demonstrations. Disc 5, Water and Mercury Centrifuge
Demonstration Experiments in Physics, Demonstration M-159, Cream Separator
製作
陳勁任
指導老師
朱慶琪
撰稿
朱慶琪、陳勁任
目的
利用生活常用的器皿及隨處可得的材料做簡易物理實驗。
實驗
實驗裝置：喜瑞爾（Cheerios, 玉米片、多穀片）、牛奶、可樂、紅酒。
原理思考
倒可樂、紅酒、牛奶到杯子裡時，觀察泡泡怎麼移動？早餐常吃的玉米片、加在牛奶裡，如果放置一段時間，會有什麼現象？
觀察杯中的可樂、牛奶、紅酒，會發現泡泡往杯子內壁移動、最後集中在邊緣。想一想為什麼？氣泡是沉體還是浮體？它受到那些作用力？這些作用力會把它帶到哪裡去？既然是浮體、顯然受到浮力作用，大小和方向應該是？其它的作用力呢？浮在液體表面，表面抗張（surface tension）的影響是？除此以外，液體和杯子接觸的地方，因為接觸而有什麼作用力? 綜合以上，浮力、表面抗張、附著力扮演了主要的角色，這三種作用力和乘的效果，使得氣泡最終平衡在杯子的邊緣。早餐的喜瑞爾玉米片也會有類似的結果喔！
討論
1.如果液體的黏性增加，效果如何？
2.另有一類似效應在此介紹：馬克杯裡裝半滿的水，丟一個軟木塞到水裡，再慢慢加水到杯中，加水的過程裡軟木塞會往杯子的邊邊靠；當水面快滿出來但還未溢出時，此時水面因為表面抗張呈現下凹的圓弧形，而軟木塞則會由邊邊移到液面中央。這個現象又是為什麼呢？看起來軟木塞似乎總是朝著液面「高」的地方靠攏，WHY?
參考資料
Vella, D., & Mahadevan, L. (2005). The “cheerios effect”. American journal of physics, 73(9), 817-825. “Riddles in Your Teacup-Fun with Everyday Scientific Puzzles”, by Partha Ghose and Dipankar Home. Taylor & Francis Group, 1994
製作
朱慶琪
撰稿
朱慶琪
更多...
目的
利用生活常用的器皿及隨處可得的材料做簡易物理實驗。
實驗
實驗裝置：濾茶匙、馬克杯、茶葉、熱水
沖茶，將茶葉浸潤在熱水中，順時針（或逆時針、依個人習慣決定）旋轉濾茶匙，好讓茶葉均勻溶解出茶湯。
原理思考
觀察當你以順時針旋轉濾茶匙時，茶匙中的茶葉是如何旋轉的？你會發現茶葉竟是以逆時針方向旋轉，與濾茶匙旋轉方向相反。為什麼？我們不是施以順時針方向的力矩
想一想茶葉在茶湯中是沉體還是浮體？是沉體還是浮體會影響茶葉的運動嗎？請參考我們的另兩個實驗慣性，向內還是向外？以及再探旋轉液面的形狀你可以很快地找出答案!
製作
朱慶琪
指導老師
朱慶琪
簡介
將寶特瓶側邊接近底部的地方割開一個縫，頭上腳下地放入水中，蓋上瓶蓋後將寶特瓶從水中緩緩拿起，驚奇的是，瓶中的水居然不會流出來。
製作步驟
準備材料: 寶特瓶×1、水桶×1、美工刀×1、藍色染料×1、滴管×1。
1.將空寶特瓶蓋打開，並於寶特瓶接近底部的瓶測位置切開約半個周長。
2.將開口上方用手向內向瓶口方向壓至變形。
3.水桶中裝約半桶水並滴入藍色染料約三滴，注意水桶水位要高過寶特瓶側邊切口處。
4.將寶特瓶直立地放入水中，蓋上瓶蓋，再緩緩地往上提起移出水桶外，將會發現瓶內的水位將保持不變且瓶內的水也不會從切口往外流出。
操作要領
將寶特瓶由水桶中緩緩往上提起時，動作需放慢且避免左右搖晃，寶特瓶中的水才能保持平衡不至於往外流出。
教學使用方式
本實驗可讓學生探討:
什麼樣的動作會讓水由切口處流出?
瓶子的大小有沒有區別?
瓶子的形狀有沒有區別?
水為什麼不從切口處流出?
若改用油或其它液體，會不會有差異?
表面張力會不會是水不流出的原因?
目的
演示液體旋轉時的切面形狀並探討此狀態下的液體壓力與向心力的關係。
實驗
實驗裝置：旋轉台上有不同形狀的插槽，可分別放置長方形、圓弧形的容器，或裝水的壓克力圓管，管內分別內置玻璃彈珠或保力龍球。
1.將長方形容器置於三種不同方向的插槽於轉台上的底座開始旋轉，觀察水面的變化。
2.圓弧形容器旋轉時的水面變化。
1.壓克力圓管內置入彈珠，觀察旋轉時的移動情況。
2.將玻璃彈珠換成保麗龍球，觀察旋轉時的移動情況。
原理思考
1.從長方形容器可觀察到水面呈拋物線，為什麼？長方形器的兩種放置方式，液面的形狀有何不同？
2.穩定旋轉時，圓弧形容器的水面仍然呈現水平，為什麼？
3.圓形壓克力管內的小球為何會移動？玻璃彈珠和保麗龍球的移動方向為何不同？
1.物體做圓週運動時，必須提供該物體所需的向心力。所以，實驗中的液體旋轉時，不同的半徑長度間，水面會有高度差。 以下圖做說明，U型管左側（垂直虛線）為轉軸，則dx所受的向心力df為
h=ω²r²/2g此處 A =U形管壁截面積 ρ =水的密度 ω =旋轉的角速度 g =重力加速度 將 ω²/2g 視為常數 k ， 則 h=kr² 。 由上推導可知，當U形管穩定旋轉時其內的液面高度與圓心的半徑有關且會呈拋物面。 兩種長方體容器的放置方法是用來觀察不同方向的水切面，實際上若旋轉角速度相同時，兩個圖形都是同一個拋物線。
2.弧狀容器內的水全都處於以轉軸為圓心的相同半徑下，因此水的壓力都相同，也就不會有高低差。(此時忽略容器的厚度)
3. 因為旋轉時水提供的向心力使壓克力管內的保麗龍球會受此力影響而向中心移動。不過換成彈珠後，水並無法提供足夠彈珠旋轉所需的向心力，因此彈珠會順著切線方向外移動，直到接觸管壁，由管壁提供其穩定旋轉的向心力。
討論
1.不同的轉速下，液面會呈現什麼樣的變化？
2.若在有角加速度的情況下，會是何種情況？
3.將水換成其他液體，會有甚麼不同？
1. 因液面高度h=kr²=ω²/2g，此處重力加速度g為常數，所以液面高度就與角速度成正比。
2.若旋轉時產生角加速度，此時 ω為非定值，因此液面高度就會隨 \omega 變化而改變。
3. 因為旋轉時的向心力F=ρAhg。所以，當水換成其他液體時，在向心力大小為定值時，也就是轉速一定的情況下，液面高度與液體密度成反比。
關於實驗
本實驗於2011全國物理教學及示範研討會中發表。
參考資料
EdGroup Productions, Inc., 2001. The Video Encyclopedia of Physics Demonstrations. Disc 13-18, Rotating Water Troughs.
Rotating Water Troughs.
製作
施堡仁
指導老師
朱慶琪
撰稿
施堡仁
目的
演示不同的氣體壓力造成液體流動方向的改變。
實驗
1.兩個瓶子由管子連接，一個加蓋並裝水，一個未加蓋且不裝水，擺放於密閉容器中。
2.抽離密閉容器中的氣體，同時觀察液體流動的現象。
原理思考
為什麼抽離氣體後，水會移動？
將密閉容器內的空氣視為理想氣體，從理想氣體方程式（其中
：壓力、
：體積、
：莫耳數、
：理想氣體常數，也稱波茲曼常數(Boltzmann’s constant)、
：絕對溫度）知道，當密閉容器中空氣抽離後，依照前述理論來看，
減少、
不變、
不變，所以氣體壓力
下降，也就是密封罐內的壓力與氣體分子數量成正比。此時加蓋的瓶子內氣體因有水隔著，所以壓力大於未加蓋瓶子，造成加蓋瓶子內的氣體會擠壓液體到未加蓋的瓶子裡，最後使兩個瓶子的壓力達到平衡。所以抽離密封罐內的氣體時水會跑到未加蓋的瓶子。
討論
1.若加蓋瓶子內完全沒任何氣體，此實驗結果會如何？
2.若此實驗是將氣體打入密閉容器中，實驗結果會如何？
3.生活中有何運用的實例？
1.加蓋瓶子內完全沒任何氣體時，理想氣體方程式也不適用，也沒有氣體的壓力差，所以瓶內的液體就不會流動。2. 當密閉容器的壓力增大時，若外加的壓力大於加蓋瓶子內水的壓力時，氣體就從沒有瓶蓋的瓶子流向有蓋的瓶子。 若一開始是將水加到沒有瓶蓋的瓶子的狀況下，則密閉容器的壓力增大時，水就會從沒有瓶蓋的瓶子流向加蓋的瓶子裡，如同演示影片的後半段所示。3. 抽水泵(Syringe Pump)就是運用這樣的原理；另外，塞風咖啡壺也有運用這樣的原理來過濾煮好的咖啡與咖啡渣
關於實驗
1.連接兩瓶子的管子，實驗時須確認管口低於液面以確保液體可以藉由管子流動。
2.本實驗前後環境溫度仍為室溫，故溫度T不變；所考慮的系統為密閉容器，故體積V不變。
3.可參考本網站中的熱情溫度計及餐桌物理學—喝咖啡學物理做比較。
參考資料
“University Physics", Rev. ed., John Wiley & Sons, 1995, USA., p368-370.
製作
邱瑋國
指導老師
朱慶琪
撰稿
邱瑋國、黃時霖