PDF《科别：物理科》

4 伍、研究结果 实验一:探讨流速与使蛋上浮的 F 之关系 (同一杯子高 16cm 直径 6cm) 同一杯高16不同流速 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

0 2

4 6

8 10

12 14

16 秒数(sec) F(Nt) 流速12 流速15.27 流速10.62 流速13 流速8.4 不同流速下,单位距离内上升秒数的变化 0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900

1 3

5 7

9 11

13 公分 t 流速 10.4(m/sec) 流速8.8(m/sec) 流速8.2(m/sec) 流速7.2m/sec 流速5.7(m/sec)

5 不同流速下,杯中的平均力

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016

0 2

4 6

8 10

12 流速(m/sec) F (牛顿) 实验二:探讨杯子高度与使蛋上浮的 F 之关系 固定流速下不同杯高F-t -0.06 -0.04 -0.02

0 0.02 0.04 0.06 0.08

0 2

4 6

8 10

12 14

16 18 单位时间(sec) F(Nt) 16cm 18cm 20cm 12cm 14cm

6 固定流速下不同高度杯内各点时间变化 0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350

1 3

5 7

9 11

13 15

17 公分 t 20cm 18cm 16cm 14cm 12cm 相同流速下,不同高度杯子与F净力的关系

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035

0 5

10 15

20 25 cm F

7 实验三:流场

一、杯中无蛋的情况 观测:流场非常混乱,有许多不稳定的涡

二、蛋在杯中所造成的流场(以球代替) 蛋在杯子中间 蛋在杯顶 观测:但在杯中不同位置,所产生的流场皆不ㄧ样,所以整个蛋的上升过程,流场时时刻刻 在改变.直到蛋浮升到杯子最顶端,此时流场才为一稳定状态.

三、蛋置於不同截面积杯中 直径 6cm 直径 7cm

8 观测:图片中的运动轨迹是每 33m/sec.所走长度,轨迹愈长,流速愈快. 由图可看出直径 6cm 里的运动轨迹较长.

四、不同杯高在启动流速(能使蛋上升所冲的最小流速)下的流场 杯高 16cm 杯高 20cm 观测:发现在最窄间隙时,轨迹长短差不多,代表速度差不多.可知要使蛋上升,较窄间隙 的速度为一定值.此为临界流速. 陆、讨论

一、力的现象之探讨:实验证实,流速愈快、杯子高度愈低,蛋上浮出水面所需的秒数愈少, 使蛋上浮的平均净力愈大且运动过程中蛋的上下压力差愈大.而这些压力差使蛋在杯中的运 动速度呈现不稳定变化,此为蛋上升过程杯中持续变化的流场所造成.

二、不同位置所产生的流场:蛋在杯中不同位置所产生的流场都不ㄧ样,其中蛋下方流场固 定是两个对称且由中间向外旋的涡.这两个涡带动蛋往上浮升,同时又产生一连串流场的变 化,直到蛋浮升出杯顶达到平衡时流场稳定下来.

三、蛋上升的原理:由於水流是从蛋跟杯壁的间隙穿过流入底部,又因蛋的弧形与杯壁形成 先渐缩、后渐阔的间隙.根笛榻峁浜狭匠淌

1 ,水在此一流向杯底的过程中,因截 面积的缩小,使水流加速后具有较高动量,又因蛋的表面为一曲面,根荡镄в

2 ,这些具 有较高动量的水容易被带置杯底,同时因流速变慢,动能渐减,释放出压力能

3 ,水流也因无 路可走而往上旋升,造就了水的吸星大法.

四、截面积与喷嘴效应:根圆煌孛婊幼龅牧鞒」鄄,我们也发现当截面积愈大, 蛋与杯子的间隙也愈大,相对的先渐缩、后渐阔的现象也愈不明显.在累积动能不足的情况 下,蛋无法浮升处水面.也因为蛋四周所形成的压力极不对称,使蛋在杯中沈浮翻滚.

五、临界流速:水要能把蛋往上带,就必须产生足够的压力能,这些压力能的产生来源又跟 向上旋升水的动能有密切关系.水的动能来自於喷嘴效应,由实验也看出来某一间隙速度对