全國中小學科展

第42屆--民國91年

多功能窗簾控制器

讓科技融入生活,運用科技提升生活品質,這是此項“多功能窗簾控制器”的最大特色,不但產品特性涵蓋了感光、遙控、定時、手動兼具外,更考慮到經濟性、方便性、實用性與安全性,是一項面面俱到的優良科技產品。一般研發科技產品,往往陷入靈活創意卻忽略了是否具體可行,付諸實現的可能,如此一來,就陷入了所謂空中樓閣叫好不叫座之研究障礙中,很多發明家皆面臨如此窘境。所以在思考如何研發新產品改善生活品質時,應時時對照是否可行、是否經濟、是否比原來更改善、是否安全……等,一切就緒,付諸實現機率將因而大增。此次研究過程融合了創意、團隊、克服困難及老師的提示與指正,能將團隊思考變成實際產品,這期間的過程是艱辛的,而這一份成果是甜蜜的。研究小組在北區科學展獲得優勝時,相擁歡呼、互相道賀,更希望能在參與全國評比之中脫穎而出,榮膺肯定。最重要的是本項產品之構想,是否能為全國百姓提升生活品質,造福社會皆是小組成員的最大心願。學生習作,縱使考慮頻繁,總免不了思考不周,並祈各界指導能不吝賜教。

康乃馨沉睡了?蘋果催熟能力的探討

此次實驗發現蘋果能夠引發康乃馨產生睡病,以此證實蘋果具有催熟其他植物的能力,並推測是因為蘋果會釋放乙烯之故。此外,比較不同狀態蘋果催熟效果的差異,結果催熟能力:整顆蘋果>切碎蘋果>蘋果皮>削皮蘋果。

彩虹就在我身邊

本研究動機由於在五年級上學期牛頓第九冊第一單元光和顏色課程,曾做過彩虹的實驗,但我們在實驗時始終無法清楚看到彩虹,於是引起了我們對彩虹研究的興趣。研究過程分四個步驟來進行:分別是(1)利用簡易的噴霧器是否能製造彩虹?(2)不同噴水量的噴霧器在太陽光底下觀察彩虹的清晰度?(3)不同顏色的背景,哪一種背景下所看到的彩虹最清晰?(4)如何營造出在教學上最易觀察到彩虹的方法?實驗結果發現,製造出彩虹是容易的,只要具備噴霧器水量、無雲的陽光,在較暗的背景(黑色最佳)的情況下就可以很容易看到彩虹。另外便於實際教學上可以自己準備一個紙箱子,內部貼上黑色壁報紙,將箱子、觀察者與太陽方位以順時針135 度或225 度所觀看的角度最佳。

天啊!這怎麼怎能?

當豬不再吃餿水、廚餘堆肥化垃圾為資源來談廚餘堆肥化之必要性,就不難理解為什麼要鼓勵學校針對營養午餐所產生的廚餘進行資源回收,通常中等及初等學校是資源回收工作最徹底的單位,但是並不包含有機資源回收,根據本小組調查台中市 33 所國中、60 所國小,其營養午餐的廚餘均無資源回收,探究其窒礙難行之原因,不外乎空間問題、衛生問題、費用問題及處理方法問題,因此本研究小組針對以上問題進行實驗。實驗結果發現,校園廚餘堆肥並不適用田間或農畜牧業之好氧處理方式,亦不適用家庭廚餘桶的厭氧處理方式,最適用以二階段式好氧、厭氧處理方式,廚餘先以好氧方式堆肥約 7 至 9 天,再進行密封厭氧處理約 15 天,即可將廚餘分解成過半熟肥狀態,而後混入土壤中約 10 天,讓土壤中的天然微生物更進一步分解廚餘,廚餘堆肥品即可被植物所利用,若在廚餘混合物中添加食醋或有機土,更可有效縮短廚餘堆肥時間,只需 24 天左右即可完成堆肥工作,若是在廚餘混合物中,同時添加食醋及有機土,應該會有更好的效果,當廚餘堆肥時間縮短,則廚餘堆肥空間即可縮小,當採用二階段式廚餘堆肥,就不會有環境衛生問題,但是有幾點必須注意,在第一階段好氧處理時,其透氣孔必須放置適量的活性碳吸附可能產生的異味,在第二階段厭氧處理時,必須定時排除液肥(滲出水),稀釋約 100 倍後才能施肥。

毛細現象之另類研究-色彩饗宴

在四上,當自然課程進行到「植物的吸收與蒸散」的課程時,從「毛細現象」的實驗中,小朋友無意間發現了許多有趣的現象,引起了再研究的興趣。尤其是對顏色水中色素的分離最感興趣。於是便利用毛細現象設計了許多不同變因的實驗。例如不同質料的紙和布、不同液體的影響、水上升高度對上升速度的影響、阻礙水上升所發生的情形、色素分離的各種狀況,最後,我們還將實驗用過的紙作了回收並製成再生紙。當所有的實驗都進行完畢,小朋友仍然意猶未盡,又設計了相關的發展活動,例如用粉筆取代紙和布、紙蓮花、製作兩色花、取花汁作色素分離和吸水路徑不同產生的色素分離狀況。經過了這一連的實驗,小朋友不但對毛細現象有了深入的了解,也對自然科學實驗充滿了高度的興趣。

植物運輸水分的物理機制

長久以來植物生理學家探討高大樹木如何將水分運送到頂端,其中最主要的理論包括根壓,毛細作用,蒸散作用以及內聚力理論。1914 年H. H. Dixon 所提出的理論結合了蒸散作用與水的內聚力,其理論主張水在木質部內移動的驅動力是來自葉片蒸散所產生的張力和負壓。水如一層薄膜覆蓋在葉肉細胞的表面,當水分因蒸散作用而散逸至大氣中時,水膜即退到相鄰細胞的細胞壁間,這個現象造成顯微的曲線表面,因而產生葉肉細胞內的負壓,將木質部的水分向上拉升。 由於在高中物理中,我們學到有關表面張力計算的技巧,因此在閱讀有關植物生理學中上述的理論時,我們發現作者引用的為一「球狀曲面」的表面張力公式,並且書中對於水膜凹陷產生負壓處是在海綿組織細胞的表面。我們以為負壓產生的位置主要是在維管束鞘表面,且水面的凹陷形狀應為「圓柱曲面」,在本實驗中我們以高中物理表面張力計算的技巧重新導出適合圓柱曲面,水膜形狀下的負壓大小,設計一個模擬實驗印證公式的正確性後,我們以一個豆科植物的電子顯微照片為實例,估計此一水分輸送的合理高度,發現所能輸送的高度約為3.7 公尺高!

贏在起跑點,領先到永遠 ----- 螞蟻的溝通、學習及防衛行為研究

校園中常見的螞蟻只有幾種,以小黑蟻(簡稱小黑)、熱帶大頭家蟻(簡稱大頭)和黑頭慌蟻(簡稱小慌)最多。小黑行動力最快,愛吃肉,喜獨自搬運食物,較具有方向感;小慌體型最嬌小,偏愛甜食;大頭個子大、最團結,各種食物都喜愛。三種螞蟻都會先搬位點低、距離近的食物。三種螞蟻都喜歡走進紅色和粉紅色的通道去覓食。小黑和大頭都能舉起 5 倍體重的食物,也能獨自拖得動 50 倍體重以下的食物。將蟻后從蟻群中移開,會引起蟻群的慌亂,再次將蟻后放入時,蟻群也會先小心的檢查蟻后,才安心。不同族群之間的溝通行為主要是攻擊的準備動作。從走迷宮的實驗結果得知,螞蟻也有記憶學習的能力。外來威脅干擾族群時,螞蟻大多會逃出洞穴,而小黑似乎很怕黑影。

—昆蟲馬拉松昆蟲步行模式建立之研究 —

我們想要了解昆蟲在一般情形、食物引誘、驚嚇及遭遇其他昆蟲時的足步運動。經過實際觀察螻蛄、蟑螂、蟋蟀和獨角仙的步行,發現並證實了昆蟲最常使用的步足運動是三足式步行法,並且推翻昆蟲在使用三足式步行法運動時,是從後腳開始運動的理論。我們發現昆蟲在步行時,不一定是從後腳開始運動,而且常常是從前腳或中間的腳開始運動。在實驗中我們也發現斷腳昆蟲也有其特定的步行模式。

山藥活菌健康飲料的研究與開發

山藥(Yam)自古以來即被開發利用,民以食為天,山藥具高生產量及富含營養與多種微量元素以及粘質多糖類,可供食用、藥用或保健用。山藥塊莖一般成分含約 16~17%澱粉、65~73%水分、粗蛋白質在 6~8%之間。胺基酸含量豐富尤以 arginine 量最高,並含有許多必需胺基酸,如 leucine、threonine、lysine;此外山藥中還有多種維生素(維生素 A、B1、B2、C 等)及微量元素。其中之特殊物質如膽鹼(choline)、尿囊素(allantoin)、粘物質(mucin)為其特殊黏性之主要來源。因黏質物的存在、山藥澱粉之分離操作受到妨礙,使得澱粉的回收率降低,因此山藥塊根之前並不被作為良好的澱粉製造原料,高澱粉飲料不僅不易被接受且色澤不佳。山藥中富含許多營養成分例如膽鹼、尿囊素、醣蛋白、甘露聚糖而且又富含許多人體必須胺機酸向來都被譽為『窮人的補品』。我們利用生食的方式來處理因為烹調會破壞食物的養分而且生食比熟食的營養成分還要能保存,本實驗室利用物理或化學的方式使山藥的黏度降低,增加澱粉去除率;再利用加酸隔夜靜置分離的技術達到分離澱粉的效果做為營養保健飲料;山藥黏質液在 PH 值 6 以下或 9 以上黏度降低,我們利用一些常見的有機酸例如檸檬酸、乳酸、醋酸的添加,使黏液質的 PH 值降到 3~4 的範圍,達到澱粉之分離;對生活緊張的現代人而言添加乳酸活菌會產生一些益生菌,益生菌的效用在緩和便秘的症狀,由於益生菌種會產生有機酸,促進腸胃蠕動,所以時常攝取益生菌對便秘患者有極大的好處。因為山藥在產季和非產季價格相差近 10 倍,所以我們將以冷凍乾燥將液體山藥研製成粉,研發出一種新的方法,能夠延長山藥產品的保存期限,增加其農業經濟價值。實驗結果證明 山藥黏質夜水溶液之黏性:在 PH 值 6~9 最大,因此隔夜靜置→自然發酵→過濾,調整 PH3~4 之分離澱粉效果最佳、加酸分離澱粉效果:檸檬酸、乳酸飲料(25%,10mins)或醋酸弱酸調整 PH 達到分離澱粉效果、糖度:山藥水解液糖度為 Brix 2~3 附合低熱量產品、褐變:打漿中加入 0.1~0.5%的檸檬(檸檬酸)可有效防止褐變。另外,水解液中因高溫及 PH 值變化會產生焦糖化反應。故採低溫為宜。根據官能品評之結果,山藥水解液為新開發之產品,在顏色、風味、鮮味、甜味方面等調配出最合宜的活菌健康飲料,具有發展性,為山藥的加工開創一新格局,更可發揮山藥中保健、機能成分之利用價值。本研究之目的分別以不同之水解條件處理,並進一步探討不同比例下所得之山藥水解液的特性及成分,希望找出最符合加工需求之低澱粉條件,進而開發出新興營養飲料,使山藥傳統之食用及利用方式更為多樣化。

天空中的小怪物-風箏

在這個研究中,我們利用自己設計的「黃金比例」風箏,在實驗室中控制風力的大小,來研究在同樣情況下,什麼樣的風箏面會飛得比較好。然後再研究加上不同的尾墜以後,風箏飛行的情況會不會比較好。我們進行了尾墜數量、長短、材質、位置、側墜和尾墜比例的實驗。最後研究風箏面的提線變化,對放飛風箏的影響。研究結果發現:風箏面的材質要使用比較輕而且柔軟的材質;尾墜的數量、重量、長短都要適合風箏面的大小;提線最好是兩邊一樣長的,在放飛或是風箏飛行的時候,比較能夠保持平衡。我們將自己研究的模型風箏放大三倍以後,實際到戶外放飛,結果飛行的狀況十分良好,風箏可以飛得又高又遠,而且很久都不會掉落。所以證明我們所研究出來的風箏,符合了我們的「好風箏」的標準,可以成為小朋友自己在家製作的休閒玩具。