全國中小學科展

第42屆--民國91年

探討如何自製便宜的耐強酸鹼實驗桌面

多數學生於實驗過程難免因不小心,而將試劑滴落於實驗桌面上,致造成桌面的損傷,尤其強酸、強鹼。目前大部分的學校為避免維修的困擾,通常選擇購買動輒超過十萬的耐強酸、鹼進口實驗桌面。這回本校即將購進的實驗桌桌面材料,廠商特別送來樣品,老師指導我們負責檢驗其抗酸鹼強度的效果,而引發我們想進一步探討如何自製經濟實用的耐強酸、鹼實驗桌面。

球的移動-引出數學之「妙」

我們先利用最基本的樹狀圖,可推導出許多奇妙的關係與規律,也知道了尤拉分割公式與三管的問題有極大的關聯性,使我們得到了三管的公式,但由於三管和四管的公式無法相通,因此我們將樹狀圖先簡化成數對形式,再轉成網狀圖,最後調整為階梯圖,不僅讓三管與四管有了關聯性,也讓我們猜測出五管以上可能為超立體的圖形,讓我們完整的結束了這個研究。

e世代的製氧法

在國二理化課本中有提及利用二氧化錳來催化分解雙氧水製氧,而我們的實驗是要利用鹵鹽來催化分解雙氧水產生氧氣。我們共設計了六個實驗,第一到第四個實驗是改變了一些因素來探討鹵鹽催化雙氧水的影響,我們分別觀察了不同鹵鹽、溫度、濃度與酸鹼度,從實驗中發現,0.25M KI( aq)較適合國中生來操作與觀察碘離子催化雙氧水反應的多樣色彩變化,且其催化速度適中。而雙氧水在高溫、酸性的溶液中的分解反應速率會更快。實驗五、六則是我們推測陽離子可能也會影響反應的速率,因此選了數種碘化物來比較,結果發現CaI2 的催化效果最好,AII3 的催化速度最差,但 AII3 的反應液色彩變化卻更具多樣性。

智慧型居家管理系統

本專題係規劃製作一套智慧型居家管理系統,該系統包含下列六大功能:一、家電控制系統二、家庭電力控制系統三、防盜系統四、災害監控系統五、生活小秘書六、自我測試以Visual Basic 為介面,將個人電腦當作為整個智慧型系統的核心接著再透過8255 卡來擷取外部硬體設備的資料並做轉換,將其轉換的資料送至個人電腦,由個人電腦來做資料的比對及處理。電腦抓取8255 卡的訊號所做的處理,例如:家電控制系統、家庭電力控制系統、防盜系統、火災監控系統、生活小秘書、自我測試等等,再分別送至各子系統做完善的處理,展現各種功能。智慧型居家管理系統之特色如下:一、PC 為主要控制 二、即時間控 三、系統完善 四、系統全自動 五、操作方便 六、電路間單

圓圓轉轉轉

我利用動圓和定圓來探討轉動所行經面積估算與指標角度的變化。採用圓形板,以相同半徑的動圓去轉動一個或多個定圓,從動圓行經的軌跡估算面積;接著將定圓排成直線形、三角形數、正方形數,利用動圓轉動上述圖形,估算動圓的指標角在轉動後的角度改變。結果發現,在面積的估算上,圖形雖複雜,但經過操作整理後,可以得到精確的估算值,並發現規律性。在估算指標角,以同樣大小的動圓去轉直線狀、三角形數、正方形數的定圓,指標角度有一定的變化,當定圓數量增加時,有規律性。動圓和定圓的半徑成比率時(如 1:2、1:3、…),指標角也具有規律性。我使用的道具雖簡單,卻可以導出有趣又有規律的推論。本研究仍有許多工作,可留待以後再來進行。

空氣對流多功能應用

1. 電視新聞常見垃圾抗爭問題,使我聯想到房屋建築,為防止太陽熱\r 能進入,必須採用隔熱材料所引發之環保及防火問題,雖然與因一\r 般日常生活產生之垃圾所引發之垃圾抗爭無直接關係,但我想只要\r 此隔熱材料產生之垃圾日益增多,遲早會發生處理困難與抗爭問\r 題,讓我心想如果可以不使用隔熱材料而可以隔熱不是很好嗎?\r 2. 當我看到中華民國大氣層保護協會之會訊在討論CO2 與CFC 之排\r 放問題時,向我父親詢問隔熱材料之材質與來源,才知道隔熱材料\r 大部份為塑化材料,為達到有良好的隔熱效果,就必須發泡,發泡\r 劑都為CFC 類產品,該類產品會破壞臭氣層,塑化材料之來源為輕\r 油列解,以前常見高雄市楠梓區後勁地區居民抗爭,就是為了反對\r 五輕之興建,以前我不知道為什麼抗爭,現在我知道了,原來輕油\r 列解是一種高污染、高耗能源的工業,所以才受到反對興建,且電\r 力能源若取自火力發電,又是一種CO2 的排放及空氣污染的重要來\r 源之一,所以電廠的興建同樣遭當地居民所反對,也因此更堅定我\r 研究不使用隔熱材料的決心。\r 3. 有一次到同學家,他家樓頂有增建,用的是鐵皮搭建,雖然使用隔\r 熱材料,但仍甚悶熱,那時我靈機一動,若能使熱氣排出不就涼爽\r 了嗎?又看到電視新聞報導,又九二一災區臨時鐵皮教室熱的問\r 題,更讓我感同身受,由此引導出我研究的方向—空氣對流。\r 4. 九二一震災,震出了我的靈感,當初我非常納悶,這麼堅固的大\r 樓 — 板橋博士的家、台北松山東星大樓為什麼會倒,思索多日,\r 由各媒體報導,得知是建築結構與偷工減料的問題,但為什麼倒的\r 全部都是混凝土結構的大樓,而非鋼骨結構的大樓,後來經請教建\r 築界與資料收集,才知道鋼骨結構之抗震能力較強的關係,但鋼骨\r 結構使用的牆壁都是吊掛式,有一次參觀發明展,有一發明人設計\r 一輕質水泥,說如此可減少結構費用,又一發明人設計一種吊掛壁\r 板,材質使用的是隔熱材料,不符合環保,政府又一直在宣導環保\r 觀念,我靈機一動,思索著要如何設計一個既輕又符合環保之壁板,\r 當時我正在研究散熱屋頂之設計,當時對空氣對流研究到有一相當\r 成果,於是將散熱屋頂設計移用到璧板,發現效果不佳,引起我繼\r 續深入研究改進的興趣,經多次之實驗,才發現兩者之理論是互通\r 的,但結構是不同的,後來也提出專利申請,在很短的時間便被核\r 准發明專利,經延期半年公告,於今年二月十一日已在專利公報上\r 公告了(見專利公報),這是我生平第一項專利,而且又是發明專利,\r 所以我非常高興。\r \r 5.在台北市停車場火災,由電視報導見火之大,消防車灌水無效,真\r 是可怕,讓我想起有一次登山郊遊時,見一農夫在山坡地燃燒雜草\r 堆時的景象,起初農夫要點燃雜草不很容易,但當點燃不一會兒功\r 夫,火之旺,所引起風之大,情況類似,那時我只是想是空氣對流\r 的一種現象,新聞報導是什麼煙囪效應,我不懂,當東科大樓火災\r 時,由三樓延燒到十六樓,大家又再說煙囪效應問題,於是我又回\r 想到三、四年前,父親帶我到台南貝汝參觀商展,有一家廠商在展\r 示焚化爐,當在開始點火,火並沒有那麼容易就點燃,可是當點燃\r 後,火開始燃燒,起初火不很大,但不久火就愈燒愈大,在那時候\r 站在爐門前,就會感覺有一股強大的風被吸入爐內,而火燄則很大\r 的往煙囪竄升,這時我才意識到什麼是煙囪效應,且此時我對空氣\r 對流之研究已有相當之成果,因此我就知道煙囪效應為空氣對流的\r 一種表現,電視新聞又報導屏東縣有一間土地公廟,信徒燒金紙給\r 他時,金紙會一張一張自動跑到金爐內燃燒,信徒都說土地公會自\r 己算錢,非常相信土地公有靈,事實上也是煙囪效應所產生空氣對\r 流的結果,於是引發我對煙囪效應問題研究之興趣。

力與美的平衡

本研究主要以一個能夠讓酒瓶站起來的酒瓶架,找出它為什麼可以讓不同形狀的酒瓶站起來,以及酒瓶內液體的量不同,也不影響它的穩定性的原因。結果證明酒瓶架穩定性高的原因,是因為它的底面積大。當瓶內的液體量不同時,而酒瓶和酒瓶架的整體重心會調整,但只要落在底面積內,即可平衡站立。並且也在底面積內找到平衡支點,並以支點計算,滿足槓桿定律平衡的條件。本研究並發現到酒瓶架的設計,除了平衡的考量外,也考慮到視覺上的美感。酒瓶架底部和斜角穿孔均為 45。,可造成酒瓶以水平姿態站立。也可使酒瓶和酒瓶架形成的矩形外觀長寬比,接近黃金比例。接著進一步討論,如何以本研究的發現,設計出特殊造型的酒瓶架,及其他符合力與美的產物呢?

外來種植物在次級演替過程所扮演角色之探討

高中基礎生物中有關生物間的交互作用,提及生態失衡的內容中,曾介紹「外來種」對於本土生物可能產生的影響,所謂「外來種」即是群集中原先不存在,但因人為引進的物種,如本島農田常見的福壽螺和溪流、池塘常見的吳郭魚等。通常外來種欠缺天敵或競爭者的制衡,往往過度繁殖,為當地的生態環境帶來衝擊,致使生態失去平衡,甚至導致原有物種滅絕。如吳郭魚引進台灣後,即迅速在各溪流、池塘等淡水水域中繁衍。現在不但成為本島河川下游和池塘的優勢魚種,更在競爭的效應下,導致本省原產的鯽魚數量大幅下降而有了滅絕的危機。同樣的競爭效應也發生在外來的福壽螺和本地的田螺上(施,1999)。外來植物的例子則如布袋蓮,在淡水水域中,因無其他植物或動物天敵的制衡,造成許多本土水生植物生育地因其入侵,頓時失去生存空間。 \r 「次級演替」是指生物群集在受到干擾之後的變化過程,一般常見的人為干擾方式主要為火燒、噴藥、刈除、踩踏等。 \r 大黍 ( Panicum maximum Jacq),又名天竺草,原產於熱帶非洲。1908年自菲律賓引進台灣( 許,1975 ),做為牧草和水土保持植物。張和蔡(1974)以及廖(1989)均曾進行過大黍之水土保持試驗,確實有一定的成效。大花鬼針草進入台灣的時間普遍認為應是在清朝時,民間交流過程中意外引進,確實時間並不可考。 \r 據前人研究,大黍在雨季時火燒後會快速萌蘗;且自從引進台灣後,更因其侵略性極強 , 在台灣中、南部地區大量滋生,現已取代芒屬植物( Miscanthus spp. )之地位,並在中部地區坡地形成草原景觀。而以殺草劑之噴施可有效的抑制大黍之生長。鬼針草傳播方式主要以動物媒介為主,在演替早期通常也是屬於優勢植物,因此本實驗由實際的勘查、測量與記錄,藉以了解大黍、鬼針草等外來植物於演替過程中,其與本土植物的競爭情形做一初步探討。\r

以自製的反應儀器研究鹽類對雙氧水分解反應的影響

本研究是以自製的反應儀器全程監控雙氧水加入不同的三價鐵鹽中,伴隨著氧化還原及催化分解產生氧氣的全部過程,其設計流程如下: 反應器→排水集器法→虎克定律→滑尺感測→A/D電路→電腦將雙氧水分解出的氧氣,利用集水桶收集,集水桶的重量向下拉動滑尺,使其感應部分通過光遮斷器,藉由A/D 電路,電腦收集電壓與時間的數據,再配合校準線的資料繪出反應速率與時間的關係圖。研究結果顯示三價鐵鹽中,Fe(NO3)3 和FeCl3 的反應情況較類似,氧氣的產生很快達最高速率,其最大反應速率值約在0.4ml/s-0.6ml/s 上下,但反應也很快完成。Fe2(SO4)3 的反應情況較溫和平緩,慢慢提升其反應速率,且其最大反應速率也較小,約在0.1ml/s-0.2ml/s 上下。藉此研究結果,若要利用雙氧水的氧化力應用於工業的污水處理上,Fe(NO3)3 和FeCl3 較適於速效性(如旺季,訂單大量,產生廢水量較大之行業); Fe2(SO4)3 較適於長效性(如淡季時,不景氣,產生廢水量較少較緩之行業)。若鐵生成穩定錯離子後,其反應速率皆較慢,實驗結果其最大反應速率值約在 0.01ml/s-0.02ml/s 上下,速率比非錯鹽的鐵鹽慢了十倍多。其中Fe(CN)63-,圖形與FeCl3類似,其餘其反應速率較近於定值,可將此結果應用於日常生活中需較固定氧氣產生,而其速率不必很大處(如水族箱之氧氣供應,燃料電池之氧氣供應)。

「竹筷槍」的研究、改良與推廣

將社會科、鄉土教材的民俗童玩項目,結合自然科「力」的單元,以「竹筷槍」為主題,展開橡皮筋對力的表現的探討。再將橡皮筋彈性的探討結果應用到「竹筷槍」的設計及改良,並進一步研究如何推廣「竹筷槍」的方法。