全國中小學科展

第43屆--民國92年

妙「雨」如「珠」

本實驗希望可以從我們實驗室裡面的儀器,測量出雨水的大小,以及雨水落到地面附近時的速度有多快,不過因為雨水太小了,實驗室的儀器並沒有辦法直接測量出雨水的大小和雨水的速度,因此我們先測量一些比較大的水滴的體積與終端速度,製成圖表之後,找出其中的關係,然後從我們找出的關係之中,推論出雨水的體積以及速度。首先以麵粉球法,做出水滴體積與水滴滴在麵粉上所形成的麵粉球質量兩者之間的對照圖。我們先試著以實驗室裡頭的普通滴管出發,自行設計出另外兩種口徑不同的滴管,另外也找來兩支粗細不同的針頭,因此一共有五支口徑不同的滴管,可以滴出五種體積大小不同的水滴。分別以這五支口徑不同的滴管滴水到麵粉裡,每一種體積的水滴都會形成相對應質量的麵粉球,我們把水滴體積與對應的麵粉球質量製成(水滴體積與麵粉球質量關係圖),結果發現是一個正比的圖形。其次,以光電計時器測量各種體積不同的水滴落下不同距離所耗費的時間,並做出五種水滴落下的距離對時間關係圖,並從五支滴管的距離對時間關係圖找出五種大小水滴的終端速度,以及水滴體積與終端速度之間的關係。我們先從高度五公分開始,以普通滴管滴出的水滴測量水滴落下五公分時所需要的時間,重複多次之後取平均數,然後把距離拉開到十公分再重複測量一次,一直到看得出水滴達到終端速度為止,五支口徑不同滴管都測量完之後,把數據作成圖表。我們發現,落下距離在拉開到 80~100 公分時,水滴落下的速度會達到固定,並不是像自由落體一樣越來越快,查證後發現是空氣阻力造成的結果,這個固定的速度就叫做「終端速度」。後來從高中課本找出了計算終端速度的公式,從公式中推導出終端速度的六次方與水滴體積成正比,並做出(終端速度六次方與水滴體積關係圖)。最後,在下雨的時候,直接拿麵粉到戶外去接一些雨水,測量出麵粉球的平均質量,然後把數據拿到(水滴體積與麵粉球質量關係圖)對照,可以得到雨滴的體積,再把雨滴體積拿到(終端速度六次方與水滴體積關係圖)上對照,經過計算之後就可以得到雨滴的終端速度了。

公因數的妙用

本研究在探討任意二個正整數 a , b 的最大公因數與 a – b、b ( 或 a )的關係;並將公因數的觀念應用於解決日常生活中的數學問題。一、結果發現:(一) 若 a、b 不互質,即 ( a,b ) = d > 1,則必須 d 為 c 的因數,ax+by = c才有 x、y 的整數解。並且找出如何得到 x、y 的整數解的具體方法。(二) 若 a、b 互質且 α , β 是 ax+by = c 的一組整數解,那麼 x 的任意整數解就可表成是 α + bk,y 的任意整數解就可表成是 β – ak。其中 k 為任意整數( 或 x 的解是 α – bk,y 的解是 β + ak 亦可)。二、在公因數的應用上則得出:(一) 任意給定二個容量為 a , b 的容器時,可先判斷能否量出容量為 c 大小的溶液;若能量出,則由 ax+by = c 的整數解,就可以有一相對應的準則,能很有規律地倒出容量為 c 的步驟與方法。(二) 如果要將一容量平分成二等分,第一步驟仍要先判斷是否有解;有解之後,再求出一整數解,然後再仿(一)的方法進行平分動作。(三) 利用求整數解的過程,也順道解決了:某整數 x 除以 m 餘 a , 除以 n 餘 b ,但 m – a ≠ n – b 時, 我們找到至少一組求出整數 x 的方法。

簡易消除茶包袋所含漂白劑之探討

由文獻發現我國造紙廠仍使用嚴重污染環境的低濃紙漿氯化漂白和次氯酸鹽漂白。由於漂白過程會發生一系列的化學反應,產生多種有毒物質殘留於紙上。而大多數茶包袋的紙色確實偏白,本實驗乃探討如何藉添加適量的安全物質於茶包沖泡的茶中,而能將茶包袋溶於茶中的漂白劑成份次氯酸根反應成不具毒性的氯離子。實驗結果發現大多數茶包袋均含漂白劑次氯酸根,而且可溶於茶液中,因此選用茶包時,最好選擇茶包袋顏色呈淺土黃色者。而且如欲安心飲用茶包沖泡的茶,只要於每包茶包沖泡的茶液中加入約2mL的檸檬汁或一小塊(約半個小指頭大小)蕃茄,甚或依個人喜好添加其它維他命C含量高的蔬果即可。

悠溪泉湧

近年來十分風行 spa 溫泉水療,在偶然機會中看到電視節目帶領觀眾實地尋找野溪溫泉源口,引發我們的興趣,因此在了解溫泉的成因及分類後,再向專家詢問後,我們實地探訪尋找南部熱門野溪溫泉的源口。溫泉水療雖盛行,但也引發不少問題:許多民眾泡了溫泉後,皮膚出現不適症狀,經向醫師求證,原來是酸鹼值惹的禍。我們利用實地勘查所採的水樣,先找出溫泉溫度的變化與酸鹼值的改變關係,再進而以此找出使各溫泉適合人體肌膚長時間浸泡的處理方法。

月亮太陽斜斜掛

主要利用自製的“天體定位儀”來詳細探討月亮、太陽及地球之間的位置及軌道關係,並藉由三度空間模型的製作來進一步了解其中的奧妙。首先利用天體定位儀 (共研發出四代,見圖 1) 來量測月亮及太陽各自與北極的夾角在 1 年內的變化,經數據分析發現:一、 這個變化很像 sin 函數。二、 月亮與北極的夾角發生極大值的農曆日數,每月平均提早約 2.26 日。三、 白道面與赤道軸的夾角約為 63.5 度,黃道面與赤道軸的夾角約為 66.5度。四、 白道面與黃道面之間的夾角約為 5 度。這正是日蝕及月蝕不常發生的主要原因。五、 天體在地平線上的時間(分) = 1080 分-4(分/度) x 天體與北極夾角(度)。我們用幾何定理證明了這個觀測到的關係式,且配合天體定位儀可準確預測任何可見天體升上及落下地平線的時間。最後製作月亮、太陽及地球的 3D 軌道模型。過程中遭遇並解決了各種數學及天文難題,使我們對這個行星系統有了更深一層的認識。

花嶼走透透─從海底疑似古石牆遺跡的發現探討花嶼火山島的岩脈地形

一、 花嶼火山島岩脈的數量非常多,我們共調查出 68 條岩脈,依種類分有石英安山岩質岩脈共 47 條,流紋岩質岩脈共 20 條,玄武岩質岩脈僅1條。二、 不同的岩脈因組成礦物、顏色、抗風化力、熱接觸反應緣的不同,而容易辨認。三、 根據穿切定律法則,花嶼島岩脈活動的時間,依序為石英安山岩質岩脈、流紋岩質岩脈、玄武岩質岩脈。四、 花嶼的岩脈,常突起於陸地或海岸邊,而且大部份伸入海中。岩脈之間也有相互穿切 現象,形成如人造石牆的結構。因此,在東吉海域發現的疑似古石牆遺蹟,我們認為應是自然形成的岩脈地形。

咻--看!誰射得遠?

本作品係由學生課堂上操作「力的傳播」實驗,課餘之暇引發而出的疑問及興趣,以設計出能射得最遠的空氣槍,所進行的科學探究活動。首先找出最適合的槍管及子彈,為嚴格的控制各項變因,設計了「發射裝置台」以輔助實驗,接下來分別探討子彈重量、發射口徑、發射角度、發射高度及壓縮空氣量與發射距離的關係。結果發現:空氣槍要射得遠需符合以下六個因素,即子彈與管口需密合、發射口徑窄、子彈重量輕、發射角度為 45°、發射高度高、空氣量大。

油污SAYGOODBYE

本研究的實驗目的是針對糯米粉、麵粉、黃豆粉、綠豆粉、茶樹粉、烏龍茶等幾種較常被討論的洗碗溶液與市售洗碗精,進行食用油在洗潔劑中的外觀與分佈、去油力、酸鹼性、洗碗溶液濃度、對水生植物影響的觀察與比較,找出能取代市售的洗碗精,提供大家不傷玉手又能減輕環境污染的洗潔劑。經由研究結果得知,油滴的外觀、顆粒大小的確與去油力有一定的相關性。市售洗碗精其油滴分佈小又細密,黃豆粉溶液的油滴也是細小且呈絲狀,因此油滴越小,去油力也越強,而黃豆粉溶液的洗淨效果與白熊洗碗精差不多,又屬中性液體,很適合家庭使用。當家庭使用黃豆粉洗碗時,黃豆粉與水的比例約 1 比 3 即濃度 40﹪,就有不錯的洗滌效果,不必用到純黃豆粉,可延長水管的流暢度。剩餘的洗碗水還可以拿來澆花、當肥料或養殖水生植物,並不會產生發臭的問題。黃豆粉溶液是可以取代市售洗碗精的天然洗潔劑,不但不會造成化學物質的殘留還兼具當肥料的剩餘價值,進而保護水資源,讓我們洗的安心、吃的放心!

氣流導引式排油煙機

【作品創意發想】作者在家裡大掃除時負責打掃廚房,在整理排油煙機時,發現一般排油煙機在經過一段時間的使用之後,不但機械內部充斥著油污,連排油煙機的面板也是一樣佈滿了烹飪後累積下來的油垢,實在令人作嘔;於是我對於如何改善這油污嚴重沾黏的問題產生了高度的興趣,開始了一連串的實驗研究,希望能研發出更有效率、不需擔心油煙累積造成污染的排油煙機。【作品特色】以生活中最貼近日常生活、最基礎的問題發現問題而開始研究討論,運用新鮮的思考方式將簡單的科學原理應用在研究課題上,改變現實中油煙與排油煙機之間唯一的接觸方式;設計出與傳統排油煙機與眾不同的「氣流導引式排油煙機」,從傳統中蛻變。而且已將研究結果製作成實際的新型排油煙機,在經過反覆的實驗證明後,新作品在實際運作上也很具有效率,表示這作品的高度可行性和實用性。

我把呆呆船變聰明了

本研究源起於木片玩具 DIY 單元,小朋友用四片木片做了一艘船,卻只會在水中原地翻滾,大夥兒決定進一步改良這艘呆呆船,讓它不會翻滾且能直行。經實驗研究有以下發現:一、改良原始呆呆船翻轉情形:船身大小和螺旋槳的比例會影響船行走的情形。二、實驗 A 延伸探討:有以下發現:要做一艘快速且直行的船,就一定要裝馬達、方向舵、破水裝置,讓船行駛更順利。三、舉辦全校科學玩具船比賽,歸納出能讓玩具船直行因素。發現:船底光滑、使用馬達、重心置中、具有舵、圓頭是船直行重要因素。底面積較小的船,碰壁次數最少而且能夠直行的距離最長。四、改良呆呆船不同螺旋槳裝置位置及不同船身設計,探討對玩具船直行 影響。發現:水中螺旋槳組在水中行駛情形優於空氣螺旋槳組。此外,舵是影響直行的重要因素。船頭有保利龍球可減少水阻力,幫助直行。底面積較小的船,碰壁次數最少而且能夠直行的距離最長。船隻底部光滑程度會影響船行駛速度。