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第48屆--民國97年

假錢幣快出來

這是一個強調「做中學」、「做數學」及「察覺規律」的研究課題。本研究首先是由生活中獲得研究動機,然後藉以設計出的兩個操作實驗,希望知道在不同條件下,從硬幣堆中最快找出劣幣的方法與公式。 我們用最笨的方法:兩個實驗都要從硬幣個數 n=1開始進行,再逐次加1,並操作各種可能的狀況。過程中,我們透過討論,逐漸修改操作的技巧,知道如何分堆較省時;如何記錄較便捷。在累積一定的經驗後,我們獲得了一些關鍵的數據與規律,如:等比數列、臨界點、「最少次數」以及「快速獲得臨界點的方法」...等等。最後藉由這些關鍵的數據與規律,歸納出公式,再透過「數學歸納法」加以證明成功。 獲得及證明的公式如下: 1. n枚硬幣中有一枚劣幣,已知劣幣較輕。當 n= 3k 時,利用天平,最少須量測k次,才可以找出劣品。 2. n枚硬幣中有一枚劣幣,另提供足夠數量的完好備品。利用天平量測,當 n= (3k - 1)/2 時,最少須量測k次可找出劣幣,並知其輕重。

一氧化碳現形劑

由於社會上一氧化碳中毒事件層出不窮,激起我們對一氧化碳的強烈好奇心,於是我們希望能找出簡易的方法來測知生活週遭可能危害健康的高濃度一氧化碳,以預防中毒悲劇的一再重演。經過多次的實驗,從失敗中我們學習到許多寶貴的經驗。我們利用矽膠吸附硫酸鈀/鉬酸銨溶液製成「一氧化碳現形劑」,在不同一氧化碳濃度中可呈現出明顯的顏色變化,將它和標準濃度顏色對照後,可推估出一氧化碳濃度。終於,我們可以讓環境中的一氧化碳濃度顯示在我們試紙的顏色變化上,讓一氧化碳不再成為生活中的隱形殺手,因為它已經現形在我們的研究成果上了!

磁的拉力與磁場的奧妙

在生活上有各式各樣與『磁浮』息息相關的應用,但是想要利用磁鐵使物體浮起來就必須先了解磁鐵附近磁力(排斥力)大小的關係。我們利用電子秤來測量磁力(排斥力)的大小,測量對於磁鐵中心不同角度及不同距離時磁力的大小變化。在實驗當中發現要將排斥力轉換成為吸引力並不需要將磁鐵完全翻轉到另外一極,約在30度以下時排斥力就已經轉換成了吸引力。另外也發現當距離越近時磁力的變化量也就越大,而且在任意角度時這種變化的趨勢是一致的,磁力(排斥力)大小約與距離的二點八次方成反比。最後,我們再利用所量測到的數值來作「磁浮」相關的基本設計。

多邊形上的切圓

以三角形,五邊形,七邊形各頂點為圓心畫圓,讓相鄰圓均外切,從gsp 做圖時發現只有一組滿足的解,因此探討為何只有一組解,推論出這些圓面積和的公式;接著探索方向轉換成偶數邊形,得到每個偶數邊形上能滿足這些條件的圓有無限多組,其中想到另一問題,該如何求這些圓面積和的最小值?在討論的過程中,得到切圓面積和的公式在邊數為4k與4k+2(k?N)時,規律不同,便將偶數邊形的邊數分成兩部分推論,並分別求得結果。

鬼斧神工-多邊形的分割

在平面上的凸多邊形內部加入有限個點,作三角化後所得到的新圖形,稱為「三角化圖形」。為探討三角化後各點的度數,我們考慮三角化圖形的對偶圖,藉由對偶圖的各項性質找出特殊的三角化圖形:「偶三角圖」、「奇三角圖」、「三角正則圖」…等存在的充要條件。另外,在空間中,針對一個三角面體進行四面體化所形成的結構,我們也做了類似的分析。

水循環升降台

本研究主要是利用巴斯卡原理以及河倫噴泉的設計來研發利用水循環方式來承載重物\r 的升降平台,在不動用到額外動力的情形下,僅靠自然的物理現象來使之運作。故本研究的\r 特點在於節能並兼具實用價值的生活應用,而最後我們並依照類似的原理設計了一個自動循\r 環的水族箱過濾器,不僅驗證原理的可行度,更能突顯本研究的對於生活應用的價值。

基因檢測?!GMO之初探-以大豆為例

基因檢測法藉由DNA來檢測特定基因,本實驗以聚合?鏈鎖反應(PCR)來檢測「耐嘉磷賽轉殖基因大豆」。並檢測三種基因「P35S」(啟動子)、「Tnos」(終止子),及大豆品種特性基因「Lectin」,以確定此轉殖基因大豆含「EPSPS」(耐嘉磷賽基因)。DNA純化以傳統「CTAB法」及「反應試劑套組」(kit)進行,放大目標基因,並以DNA膠體電泳確認基因的片段(如圖一)。由PCR電泳圖得知「P35S」PCR產物長度為100bp,「Tnos」為200bp及「Lectin」為300bp。本實驗所檢測21件常見大豆樣本中,12件為耐嘉磷賽GMO大豆,9件為non-GMO大豆、由實驗可知,符合包裝上所標示基改加工食品91%,符合包裝上所示的非基改食品0%。利用PCR來進行基因檢測省時、且不用將DNA完全解序,是目主要的檢測方法,也不會有蛋白質檢測時不靈敏的問題。所以本實驗希望在未來,可以找到一種廣效基因的檢測方法。

智慧型倉庫管理員-晶格堆積新解

在高中化學課程中提到的離子晶體,主要有「平面三角形」、「四面體」、「八面體」、「立方體」等四種、而離子晶格到底是如何堆積,國內目前所有的高中課程內容都是利用陰陽離子的半徑比與配位數的觀念來解釋。本組採用另一種思維-「空間使用率」的概念,以此概念來解釋同樣的情況,發現這樣的解釋與「配位數」說明之後所得之結果是完全相同的。經過理論的推算與實驗的驗證,本組成功地發現在大自然界中,離子晶格堆積會遵循「最大的空間使用率」來進行堆積。簡單地說,大自然在晶格堆積中所扮演著是一位相當有智慧的倉庫管理員。

國王的地毯

求出長方形切割的最少刀數判別方法:K2+1<N≦(K+1)2+1,需要K+2刀。再從長方形推廣到平行四邊形,找出已切割線之交點數。而梯形主要為平行四邊形之應用,最後再用目前我們已經發現的方法來區分三角形的種類,找出部分三角形的切法。

秤秤有磁

運用電流磁效應的原理,使強力磁鐵磁浮在繞著線圈的試管中,來測量線圈的疏密、漆\r 包線的粗細、圈數、試管的口徑、磁鐵重量、個數和流經線圈的電壓、電流之間的關係。\r 藉由實驗結果來定量測出電與磁的關係,並得到線性圖形,提供驗證電磁理論。由磁鐵\r 重量和電壓之間成正比的關係,發展出可測量重量的磁力秤。經過不斷的改良,不但增\r 加自製磁力秤的準確度,由於花費不高,且方便攜帶可以作為小重量物品的簡易量具。