「測量」這個步驟,在整個科展的研究過程中,扮演著相當重要的角色。大部分的研究題目,都需要經過許多的測量過程,才能得到所需要的數據資料,進而成為自己研究成果的分析參考。然而,實驗中想要測量的對象,通常都不是那麼容易可以想要量就量得到的,像是「一顆球掉到地上時產生的衝擊力」這樣的測量,雖然我們都知道球的重量越重、或是球從越高的地方掉下來,都會對地面產生較大的衝擊力,但這個力要怎麼測量,絕對不單單只是在地上放一個磅秤,讓球掉到磅秤上就可以測量得到。除了找出測量方法之外,這個測量所產生的數據誤差大不大、要如何避免誤差產生?也是測量過程中不可不注意的問題。本文就要從「想要的數據量得到」這個問題來談。

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用最適合的測量  清楚描述實驗結果

 實驗中進行測量時,會有許多需要測量的實驗目標物,也會有需要要表達的實驗狀態,這些把往往都需要用數字把它表達出來。這次我們要用三個不同的實驗,說明如何利用適當的測量方法,表達出我們的實驗結果。

 

一、直接測量

比如說,在我們的研究中,需要測量待測物體在水中所受到的浮力,而一個物體在水中所受到的浮力,可以從幾個方法得到:


(1)首先用彈簧秤測量物體在空氣中的重量,接著再測量物體在水中的重量,空氣中的量到的重量減掉水中量到的重量,就等於物體所受到的浮力。

(2)從物理上可以知道,物體在水中所受浮力,會等於這個物體所排開水的重量,所以只要記錄物體放入水中前後的水位高度,經由水位高度變化推算物體所排開水的體積,再乘上水的密度,就可以知道物體排開水的重量。

 

這兩種方式,第一種是用測量工具直接對「力」來測量,量到的數字,直接就能代表我們想要得到的物理量;另一種是對「水位」進行測量,雖然我們測量的是水位的變化,可能是水位上升了多少公分,但這個數字有物理上的定律可以直接轉換成我們想知道的浮力。這些方式所得到的結果可以直接用到實驗中,這就是本文所說的直接測量。

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二、間接測量

海綿、保麗龍這兩種材料常常用來提供物體保護,我們想要知道物體受到一個力量衝擊的時候,哪一種材料吸收衝擊力量的效果比較好?當我們準備好兩塊一樣大小的海綿和保麗龍時,馬上碰到的問題就是


1.要如何測量衝擊力量的大小?
2.要如何測量吸收力量的大小?

 

一個衝擊就是一個碰撞,其實可以再細分為碰撞開始到結束的時間、碰撞過程的形變、碰撞速率大小與角度等等。設想一個實驗設計的出發點,還沒有對衝擊與碰撞想得這麼仔細時,一開始想到的,以白話來講大概就是「撞得大不大力」。而「撞得大不大力」就需要我們找出具體且合理的數字來表示

 

我們可以用一個重物,比如說一個用鋼珠,從不同的高度以自由落體的方式掉落在我們的待測材料上,我們想要看看我們的待測材質,對不同的衝擊力大小的反應時,只需要改變鋼珠落下的高度,從越高的地方掉下來所代表的,就是用越大的力量來衝擊。換句話說,如果原本的設定是希望在實驗中,用小鋼珠、中鋼珠、大鋼珠產生100重、200重、300重等不同的力量,如果這三個數字只是用來當做「小力」、「中力」、「大力」,而沒有一定要是100、200、300的話,那這個變數,就可以改用同一個鋼珠,分別從10公分、20公分、30公分等不同高等掉落,同樣可以有「小力」、「中力」、「大力」這樣的效果。

 

而材料所吸收的衝擊力,則可以用鋼珠反彈的高度來測量。鋼珠直接掉落在堅硬的地面上時,會向上彈起一個高度。將海綿或是保麗龍墊在地上時,鋼珠所彈起的高度一定會比較低。我們只要比較鋼珠從堅硬地面上彈起的高度,以及從待測材料上彈起高度的不同,中間反彈高度的差異,就可以代表被待測材料所吸收的力量了。以圖上的例子來說,原本沒有待測材料的保護,鋼珠從距地150公分落下時,會彈起120公分高;現在放了待測材料後,鋼珠從距離材料150公分上方落下時,彈起了40公分高。也就是說,中間反彈相差的80公分所需要的力量,被待測材料吸收掉了。

簡單來講,這個實驗中直接測量到的是「撞擊到不同的待測材料時,鋼珠落下高度與反彈高度的關係」。也就是,我們把整個實驗中對「力量」的測量,用「高度」來代表

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三、替代測量

玻璃做的燒杯是實驗室中最常用來加熱的容器,但日常生活中我們會有各種不同的加熱容器像是水壼、炒菜鍋、湯鍋等不同材料、不同形狀的容器來加熱。要找到不同材料、相同形狀與大小的鍋子很難;但要找到相同材料、但不同形狀與大小的鍋子,通常只要買同一個牌子的就有了。如果我們設計了一個實驗,想要知道哪一種容器拿來燒開水的效果比較好,可以較有效率的把水煮沸到100C的話,我們可以採用前述間接測量的方式,測量把水加熱到沸騰所需要的時間,來表示不同容器加熱的效果。這樣的實驗聽起來很合理,但在實驗操作過程卻會有一些小問題。首先第一個問題,每天打開水龍頭,出來的水溫就未必相同。另一方面,在整個加熱過程中,一開始溫度上升較快,但到了接近沸騰時,溫度會上升的非常慢。實驗可能從25C加熱到95C花了約15分鐘,但95度到100C的時間卻花了20分鐘。將實驗再重覆做一次的結果,25C加熱到95C還是花了約15分鐘,但95度到100C只花了10分鐘,很顯然在加熱到接近沸騰時,會因為一些難以控制的因素而影響到實驗,像是實驗進行中周圍環境的改變等。這個問題就好像英文考試考600分的人,英文能力未必真的比考598分的人好一樣。雖然把水燒到沸騰是把自來水變成飲用水的一個條件,回頭看看我們實驗的重點,我們想要討論的是不同容器的加熱效果,結果發現實驗在接近100C時會有很大的差異產生,而這個差異的產生並不是由我們想要討論因為容器的不同所引起。這個時候我們可以再實驗設計成用「從30度上升到90C的加熱時間」來替代我們原本的實驗。一方面可以避開每天水龍頭水溫不同的問題,同時也可以減少在水溫接近100度C時,每次實驗所產生的差異。利用「從30度上升加熱到90C所需要時間」來替代「加熱到沸騰所需要的時間」。這就是所謂的「替代測量」。

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科展研究的主題包羅萬象,其中充滿了同學們的科學夢想與創意。在整個研究進行過程中,運用合理且方便的測量方法,將同學們具體的idea 變成一個可以量得出來的數字,除了可以讓實驗更順利的進行,更可以清楚的表達同學們想要呈現的研究結果。